【Открытый исходный код】 Импульсный источник питания 24 В, 3 А (на базе uc3842, включая процесс расчёта параметров схемы и трансформатора)

[zeruns]

Открыт исходный код импульсного источника питания обратноходовой топологии (Flyback Power Supply) с широким диапазоном входного напряжения, выход 24 В 3 А, мощность 72 Вт, максимальный КПД 87,4 %, на базе микросхемы UC3842, с синхронным выпрямлением (UCC24612-1DB), включая расчёты параметров цепей и трансформатора, принципиальную схему, печатную плату, модель моделирования в PSIM, техническое описание изготовления трансформатора и многое другое.

Предисловие

Впервые разрабатываю обратноходовой источник питания, прошу опытных специалистов указать на ошибки или возможные улучшения.

• Расчёт параметров обратноходового источника и выбор компонентов, расчёт и намотка обратноходового трансформатора: https://blog.zeruns.com/archives/909.html
• Руководство по анализу, сравнению и выбору магнитных материалов, сердечников и магнитных компонентов: https://blog.zeruns.com/archives/897.html

Также ищу работу — если есть работодатели из Гуанчжоу / Фошаня / Шэньчжэня, пожалуйста, рассмотрите мою кандидатуру. Мои проекты с открытым исходным кодом доступны на странице: https://oshwhub.com/zeruns/works

Видеообзор проекта: https://www.bilibili.com/video/BV1ES4GzQE19/

Ссылка на платформу Open Source Hardware (OSHWHUB): https://oshwhub.com/zeruns/24v3a-Flyback-Power-Supply-uc384x

Группа в QQ для обсуждения электроники и микроконтроллеров: 2169025065

Ссылка для скачивания материалов — в конце статьи!

Предупреждение: изготовление импульсных источников питания связано с высоким риском. Автор не гарантирует правильность всех схем, параметров и формул, воспроизведение или использование данного проекта осуществляется исключительно на ваш страх и риск.

Ориентировочная стоимость одной единицы при небольшой партии (20 шт.) — около 25 юаней (без учёта платы и трансформатора, расчёт по ценам компонентов с LCSC). С учётом платы и трансформатора общая стоимость не превысит 50 юаней.

---

Параметры проекта

Параметр	Значение
Номинальное входное напряжение V_{acnom}	220 В переменного тока
Минимальное входное напряжение V_{acmin}	85 В переменного тока
Максимальное входное напряжение V_{acmax}	265 В переменного тока
Частота сети f_L	50 Гц
Выходное напряжение V_{out}	24 В
Выходной ток I_{out}	3 А
Рабочая частота f_s	150 кГц
КПД (расчётный) η	85 %

Размеры платы: 100 × 55 мм

Тип платы: двухслойная, компоненты сверху — выводные, снизу — SMD

---

Фотографии устройства

Фото второй версии:

Фото первой версии — были проблемы, MOSFET-транзисторы часто выходили из строя. Во второй версии проблема устранена:

Высокочастотный трансформатор:

---

Тестирование и измерение параметров

Первое включение

При первом включении рекомендуется последовательно подключить лампочку для защиты от короткого замыкания. Устройство работает нормально, выходное напряжение — 24,1 В (на фото нагрузка 0,9 А).

Назначение последовательной лампы: благодаря своему свойству ограничения тока, при нормальной работе сопротивление лампы мало, падение напряжения низкое, лампа почти не светится и не влияет на тестирование; при коротком замыкании в блоке питания ток резко возрастает, лампа берёт на себя большую часть напряжения, ограничивая ток и защищая компоненты от перегрузки по току.

Устройство защиты при ремонте импульсных блоков питания: https://s.click.taobao.com/OiMyz3q

Можно также использовать постоянное напряжение для проверки. Я проверил — при входном напряжении 60 В постоянного тока устройство запускается и выдаёт 24 В. Однако стартовый резистор 200 кОм (R24 + R16) нужно заменить на 100 кОм (закоротить один из них), так как при слишком большом сопротивлении запуск при низком напряжении невозможен.

Измерение КПД

Используемые приборы:

• Энергометр Jouwill: https://u.jd.com/0gXabte
• Электронная нагрузка Jouwill: https://s.click.taobao.com/DvbzQ4q

Результаты измерений:

Входное напряжение (В)	Входной ток (А)	Полная мощность (Вт)	Активная мощность (Вт)	Выходное напряжение (В)	Выходной ток (А)	Выходная мощность (Вт)	КПД (%)	Коэффициент мощности
219,85	0,029	6,38	2,10	24,13	0,00	—	—	0,33
219,83	0,251	55,18	28,69	24,10	1,00	24,10	83,99	0,52
219,59	0,438	96,18	55,78	24,07	2,00	48,14	86,30	0,58
219,65	0,637	139,92	82,55	24,05	3,00	72,15	87,40	0,59
111,55	0,036	4,02	1,81	24,13	0,00	—	—	0,45
111,13	0,406	45,12	28,88	24,10	1,00	24,10	83,46	0,64
110,89	0,753	83,50	56,78	24,06	2,00	48,12	84,75	0,68
110,58	1,097	121,31	84,91	24,00	3,00	72,00	84,79	0,70

Максимальный КПД достиг 87,4 %, минимальная мощность холостого хода — 1,81 Вт, что немного великовато.

Приведённые данные получены при использовании обычного диодного выпрямителя, без синхронного. Причина в том, что выбранный мною MOSFET для синхронного выпрямления имеет большое внутреннее сопротивление, из-за чего КПД оказался ниже. Вы можете самостоятельно заменить его на более подходящий экземпляр. Требуется MOSFET с напряжением пробоя не менее 200 В (при установке резистора 20 Ом и конденсатора 2,2 нФ параллельно диоду (R9 и C8) можно использовать MOSFET на 150 В).

Измерение пульсаций выходного напряжения

Осциллограф — RIGOL DHO914S: https://blog.zeruns.com/archives/764.html

Щуп осциллографа был подключён к выходному проводу длиной около 15 см, без использования заземляющего кольца и без прямого подключения к выходному конденсатору, поэтому измеренные значения пульсаций могут быть завышены.

Пульсации при холостом ходе: пик-пик около 730 мВ, частота пульсаций — 138,96 кГц, близка к частоте переключения.

Пульсации при нагрузке 3 А: пик-пик около 562,08 мВ.

Осциллограммы MOSFET

Осциллограммы напряжения затвор-исток (GS) и сток-исток (DS) силового MOSFET на первичной стороне при входе 220 В переменного тока и нагрузке 1 А на выходе. Жёлтый цвет — напряжение между затвором и истоком, синий — между стоком и истоком.

На графике видно, что пик напряжения на стоке при выключении составляет около 440 В (вход последовательно с лампой, забыл переключить в режим прямого подключения, поэтому фактическое входное напряжение было около сотни вольт, измеренное значение занижено).

Увеличенная форма сигнала на затворе:

Осциллограммы выходного выпрямительного диода

Напряжение на выходном выпрямительном диоде при питании от 60 В постоянного тока, выход 24 В, холостой ход. Пиковое напряжение — около 56 В. (После установки резистора 20 Ом и конденсатора 2,2 нФ параллельно диоду (R9 и C8) пиковое напряжение снижается до 42 В.)

Напряжение на выходном выпрямительном диоде при питании от 60 В постоянного тока, выход 24 В, нагрузка 1 А. Пиковое напряжение — около 190 В. (После установки резистора 20 Ом и конденсатора 2,2 нФ — пиковое напряжение снижается до 81 В.)

Переходная характеристика при запуске без нагрузки

Форма выходного напряжения при включении (питание 60 В постоянного тока, выход 24 В, холостой ход). Время нарастания с 0 до 24 В — 7 миллисекунд.

Температурный режим

Тепловизионное изображение с нижней стороны устройства при холостом ходе: самая горячая точка — стартовый резистор, температура около 60 °C (температура окружающей среды ~25 °C), температура MOSFET на первичной стороне — около 48 °C.

Тепловизионное изображение при нагрузке 3 А: самая горячая точка — MOSFET на первичной стороне или резистор в демпфере RCD, температура выше 88 °C (температура окружающей среды ~26 °C), температура выпрямительного диода на вторичной стороне также превышает 60 °C.

Температура при полной нагрузке довольно высока. Если требуется длительная работа на полной мощности, необходимо установить радиатор на ключевой транзистор первичной стороны или залить корпус компаундом для лучшего отвода тепла!

---

Где купить компоненты- Образцы чип-резисторов и конденсаторов: https://s.click.taobao.com/ngH2RGq

• Магнитопроводы и каркасы трансформаторов PQ: https://s.click.taobao.com/EJtb04q
• Микросхема UC3842: https://s.click.taobao.com/7pfvQGq
• Оптрон PC817A: https://s.click.taobao.com/Le1X04q
• Выпрямительный мост MSB40M: https://s.click.taobao.com/7HqQQGq
• Диод SBDD10200CT: https://s.click.taobao.com/izw104q
• Контроллер синхронного выпрямления UCC24612-1: https://s.click.taobao.com/K1gEQGq
• Источник опорного напряжения TL431: https://s.click.taobao.com/DPxnz3q
• Дроссель синфазных помех UU10.5: https://s.click.taobao.com/D1t1z3q
• Термистор 5D-11: https://s.click.taobao.com/IsOry3q- Конденсатор X2 для безопасности: https://s.click.taobao.com/vBeCPGq
• Конденсатор Y для безопасности: https://s.click.taobao.com/sas5PGq

Рекомендуется приобретать компоненты в магазине LCSC: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html

В списке материалов (BOM) на странице проекта в LCSC нажмите «Сразу заказать в магазине LCSC», чтобы автоматически добавить все необходимые компоненты в корзину.

---

Схема

---

Печатная плата (PCB)

Верхний слой

Нижний слой

---

Ссылка для загрузки материалов

В приведённой ниже ссылке находятся следующие материалы: файл проекта EDA от LCSC, схема в формате PDF, файлы Gerber для изготовления печатной платы, инструмент проектирования импульсных источников питания SMPSKit, расчёт обратноходового трансформатора (в Mathcad), изображение маркировки, спецификация изготовления трансформатора, технические описания микросхем, модель моделирования PSIM, код Matlab для построения диаграммы Боде и другие справочные документы. (Некоторые материалы собраны из интернета.)

• Облачное хранилище 123: https://www.123684.com/s/2Y9Djv-2hTdH
• Яндекс.Диск: https://pan.baidu.com/s/1767xJthTFWQbxgeZQXM_Hg?pwd=9527 Код доступа: 9527

Если материалы оказались полезными, вы можете перейти по ссылке 123Cloud выше и сделать пожертвование. Также, если вы читаете статью в WeChat (официальный аккаунт: zeruns-gzh), вы можете нажать кнопку «Нравится автору» внизу статьи, чтобы поддержать меня. Спасибо.

---

Рекомендуемые открытые проекты

• Открыт исходный код трёхфазного устройства сбора данных по потреблению электроэнергии, позволяющего удобно контролировать энергопотребление дома: https://blog.zeruns.com/archives/771.html
• Открытый цифровой источник питания с синхронным выпрямлением Buck-Boost на базе STM32: https://blog.zeruns.com/archives/791.html
• Модуль понижающе-повышающего преобразователя DCDC LM25118 с регулируемым выходом: https://blog.zeruns.com/archives/727.html
• Открытый интеллектуальный электронный нагрузочный модуль на базе CH32V307, представленный как проект конкурса встраиваемых систем: https://blog.zeruns.com/archives/785.html
• Открытый модуль источника питания EG1151 большой мощности с синхронным выпрямлением и регулируемым понижающе-повышающим преобразователем (поддерживает быструю зарядку Type-C PD): https://blog.zeruns.com/archives/794.html
• Открытый модуль быстрой зарядки PD3.1 мощностью 140 Вт + 65 Вт (2 порта Type-C + 1 порт USB-A), IP6557+IP6538, настольное зарядное устройство 205 Вт: https://blog.zeruns.com/archives/801.html
• Открытый дизайн док-станции Type-C с 4 портами USB-A по 10 Гбит/с, сетевой картой 2,5 Гбит/с и кардридером: https://blog.zeruns.com/archives/868.html

---

Дополнительные рекомендации к чтению

• Рекомендуемые недорогие VPS/облачные серверы с высокой производительностью: https://blog.zeruns.com/archives/383.html
• Руководство по созданию сервера Minecraft: https://blog.zeruns.com/tag/mc/
• Руководство по созданию независимого сайта для международной электронной коммерции, руководство по созданию внешнеторгового сайта на WordPress: https://blog.zeruns.com/archives/889.html
• Разбор и анализ схемы осветительного прибора ZGRL-80: https://blog.zeruns.com/archives/882.html
• Краткий обзор и разбор ноутбука Mechanical Revolution Code10AI (Ultra7-255H): https://blog.zeruns.com/archives/895.html
• Краткий обзор и разбор GL-RM1PE, позволяющий обычному компьютеру получить функцию удалённого управления BMC: https://blog.zeruns.com/archives/900.html

Английская версия статьи: https://blog.zeruns.top/archives/74.html

[ABC]

Отличный开源项目,资料很齐全

[郑鑫升]

Очень круто, обязательно поддержу

[Aria_Hayes]

Здравствуйте, уважаемый блогер! Скажите, пожалуйста, делали ли вы компенсацию контура в части моделирования и как выводилась передаточная функция?

[zeruns]

Нет, в области компенсации контура я мало что понимаю.

[Aria_Hayes]

Здравствуйте! Подскажите, пожалуйста, как рассчитываются значения компонентов, выделенных синей рамкой на изображении: R19, R21, R17, C12? При подборе параметров в моделировании я обнаружил, что они также зависят от резистора R8, используемого для измерения тока истока MOS-транзистора. При изменении одного параметра приходится корректировать и остальные.

Резистор для измерения тока я рассчитывал по формуле 1 В / (Ipk × 1,2). В вашем проекте Ipk = 2,644 А, следовательно, получается 0,32 Ом, однако в вашей схеме фактически используется резистор 0,2 Ом. Каким образом вы подобрали именно эти значения компонентов? Буду признателен за ответ. Спасибо!

[ABC]

Привет! Рад видеть, что вы так глубоко погрузились в исследование этого open-source проекта — даже запускали моделирование и при этом продемонстрировали очень острое понимание, сразу ухватившись за ключевую проблему управления по току (Current Mode Control).

Как старый специалист по источникам питания, я отвечу на ваши вопросы по порядку. Давайте рассмотрим всё вместе — теорию и практическую инженерную реализацию:

1. О резисторе измерения тока R8 (0,32 Ом против 0,2 Ом)

Ваша формула расчёта R_{sense} = 1 В / (I_{pk} \\times 1.2) абсолютно верна. Это стандартный метод, рекомендуемый в учебниках и технических характеристиках микросхем — с запасом в 20%.
Но почему же на практике я использовал 0,2 Ом?

Основные практические соображения:

• Потребление мощности и нагрев (приоритет эффективности): R8 включён последовательно в основной первичный контур, где действующее значение тока велико. При использовании 0,32 Ом (или близкого стандартного значения 0,33 Ом) потери I^2R будут почти вдвое больше, чем при 0,2 Ом. В малогабаритных адаптерах с естественным охлаждением это существенно влияет на температурный режим.
• Работа при переходных процессах и пусковых импульсах: Расчётное значение I_{pk} = 2,644 А справедливо для установившегося режима при полной нагрузке и минимальном входном напряжении. Однако при холодном пуске (заряд выходного конденсатора большой ёмкости) или внезапной высокой динамической нагрузке блоку питания нужно кратковременно обеспечить больший пиковый ток. Использование 0,2 Ом означает, что аппаратный порог ограничения тока на уровне периода переключения повышается до 1 В / 0,2\\,Ом = 5 А. Важное условие: я уже проверил, что мой трансформатор не войдёт в насыщение при пиковом токе 5 А.
• Стандартизация компонентов: Резистор 0,2 Ом (200 мОм) в корпусе 1206 — очень распространённое и недорогое решение.
• Итог: Теоретически 0,32 Ом обеспечивает максимальную защиту, но на практике, если трансформатор не насыщается, мы часто немного уменьшаем R_{sense}, чтобы повысить КПД и получить запас по динамическим характеристикам.

2. Почему компенсационная сеть (R17/C12 и др.) зависит от R8?

Ваше наблюдение в моделировании абсолютно точно: «изменил R8 — и другие параметры тоже надо перенастраивать».

Это связано с тем, что UC3842 — контроллер режима пикового тока (peak current mode control). В таком режиме передаточная функция «управление-выход» силовой части имеет коэффициент усиления по постоянному току, обратно пропорциональный сопротивлению датчика тока R_{sense} (в вашей схеме — это R8).
Говоря проще: уменьшение R8 эквивалентно изменению коэффициента усиления токового контура, что меняет частоту среза и запас по фазе всей замкнутой системы. Следовательно, ранее подобранная сетка компенсации напряжения (R17, C12 и т.д.) больше не подходит — её необходимо заново согласовать, иначе возникнет нестабильность (например, субгармонические колебания или аудиоскрип).

3. Откуда взялись параметры в синей рамке?

Вы спрашиваете, как были получены значения R19, R21, R17, C12. Честно говоря, при разработке реального продукта практически невозможно точно рассчитать их только аналитически с первого раза.

Здесь задействованы сразу несколько факторов: компенсация TL431 + задержка передачи оптопары (PC817) и коэффициент передачи тока (CTR) + внутренняя компенсация усилителя ошибки UC3842.

Мой реальный рабочий процесс (который является стандартным в отрасли):

1. Первоначальная оценка:
   • R13, R14 (делитель напряжения) рассчитываются исходя из выходного напряжения 24 В.
   • R19 задаёт ток через светодиод оптопары, R21 обеспечивает смещение TL431 (обычно поддерживаю около 1 мА «мёртвого» тока для стабильной работы TL431).
   • На стороне UC3842 R17 и C12 образуют компенсационную сеть типа Type-II (создаёт один нуль и один полюс). Начальные значения я выбираю эмпирически (например, R17 = 10–20 кОм, C12 = 1–10 нФ).
2. Проверка моделированием (именно то, что делаете сейчас вы): Подставляю начальные значения в Simetrix/Simplis или LTspice, провожу AC Sweep (анализ переменного сигнала), строю диаграмму Боде. Цель — установить частоту среза в диапазоне от 1/10 до 1/5 от частоты переключения и обеспечить запас по фазе более 45 градусов.
3. Измерения на реальной плате и точная настройка (самый важный этап): Как бы идеально ни прошло моделирование, разброс CTR оптопары, паразитная индуктивность трансформатора и паразитные ёмкости PCB обязательно повлияют на устойчивость контура. После изготовления платы я использую электронную нагрузку для теста динамического отклика (Load Transient) (например, скачок нагрузки с 10% до 90%) и осциллографом фиксирую форму напряжения на выходе.
   • Если наблюдаю выбросы и затухающие колебания — значит, запас по фазе недостаточен; тогда я корректирую C12 или R17.
   • Если восстановление напряжения слишком медленное — значит, полоса пропускания слишком узкая, также требуется корректировка RC-параметров.

Мой совет вам:
Так как у вас уже есть модель, попробуйте смоделировать скачок тока нагрузки (например, с 0,5 А до 3 А) с помощью электронной нагрузки и понаблюдайте за формой VOUT. Затем поэкспериментируйте с C12 (например, измените его с 10 нФ на 1 нФ или 47 нФ) и сравните, как изменятся выброс и время восстановления. Так вы получите очень наглядное представление о влиянии этих компонентов!