Зарядное устройство на Viper22a

Viper22A — данная микросхема предназначена для использования в импульсных источниках питания и является одним из наиболее часто используемых преобразователей переменного тока в постоянный.

Востребованность этого прибора можно обосновать тем, что он принимает переменное напряжение 110V/230V в качестве входного сигнала и преобразуют его в требуемый уровень постоянного напряжения.

Зарядное устройство для литиевых батарей 12,6V CC/CV на микросхеме Viper22A

Такая универсальность этих чипов делает их полезными для широкого круга применений. Их можно встретить повсюду, от зарядных устройств к смартфонам до блоков питания на лабораторных стендах и медицинских инструментов. Мы уже разработали несколько конструкций SMPS, таких как эта схема ИИП 5V 2A, ИИП 12V 1A TNY268 и схема CV на основе Viper 12V 1A.

Однако ни в одном из этих проектов мы не обсуждали источник питания постоянного тока (CC) с постоянным напряжением (CV). Конфигурация CC и CV необходима для создания зарядных устройств для литиевых аккумуляторов. В этой статье мы спроектируем и создадим зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов на 12,6 В для зарядки аккумуляторного блока на 12V.

Цепи постоянного тока чрезвычайно полезны, поскольку их можно использовать для защиты схемы от перегрузки по току, а также для зарядки литиевых батарей в соответствии с требованиями производителя. Его также можно использовать в качестве драйвера светодиодов постоянного тока, чтобы предотвратить перегорание светодиодов.

Итак, в этом проекте мы добавим возможности постоянного тока к нашему блоку питания на базе Viper22A и зафиксируем весь процесс сборки.

Спецификация схемы импульсного источника питания на базе Viper22A

Прежде чем мы приступим к проектированию SMPS, нам нужно составить краткий список спецификаций, потому что разные типы импульсных источников питания имеют не одинаковые входные и выходные характеристики и работают в разных условиях. Нам также необходимо учитывать, находится ли SMPS внутри адаптера или расположен на открытой плате.

Спецификация входных данных

Схема SMPS, которую мы создаем, будет иметь номинальное входное напряжение переменного тока 220–240 В, поскольку это российский стандарт. Хотя, такое значение, также является номинальным входным напряжением для ЕС.

Выходная спецификация

Выходное напряжение источника питания составляет 12,6 В при постоянном токе 1,3 А. Выходная мощность составит 16,8 Вт. Как обсуждалось ранее, SMPS будет работать как в режиме постоянного тока, так и в режиме постоянного напряжения. Это означает, что ток будет ограничен до 1,3 А, учитывая, насколько велика нагрузка.

Выходная пульсация

Поскольку цель разработки источника постоянного тока Viper22A состоит в том, чтобы использовать его в качестве драйвера светодиодов или зарядного устройства, характеристика выходной пульсации не имеет большого значения.

Но если вы используете этот блок питания для использования в высокочувствительной электроники, то вам нужно учитывать, что хороший БП будет иметь максимальное выходное напряжение пульсаций с размахом 30mV pk-pk.

Выходное пульсирующее напряжение зависит от двух основных факторов: конструкции трансформатора и выходного фильтра, поэтому в нашей схеме необходимо учитывать эти два фактора.

В данном случае мы используем трансформатор приобретенный у профессионального производителя, а в качестве конденсатора задействуем емкость с низким значением ESR.

Защита входа и выхода

Существуют различные типы схем защиты, которые можно использовать для безопасной и надежной работы SMPS. В основном модуль защиты можно разделить на две категории: входная и выходная защита. На входе эта схема защищает SMPS от переходного и высокого входного напряжения.

На выходе она защищает нагрузочное устройство от повреждения. Защита от перенапряжения на входе будет использоваться при максимальном рабочем входном напряжении 275 В переменного тока.

Кроме того, для устранения проблем с электромагнитными помехами будет использоваться синфазный фильтр для гашения генерируемых электромагнитных помех. В выходном каскаде мы включим защиту от короткого замыкания и от перенапряжения.

Выбор микросхемы драйвера SMPS

Чтобы построить правильно работающий ИИП, нам понадобится PMIC или микросхема управления питанием, и, как обсуждалось ранее, будет использована ИС контроллера SMPS Viper22A. Данное устройство будет иметь следующие характеристики:

• Выходная мощность 16,38 Вт, постоянное напряжение 12,6 В и ток 1,3 А.
• Стандартное номинальное входное напряжение 220-260 В
• Защита от перенапряжения на входе. Максимальное входное напряжение 275 В переменного тока.
• Защита от короткого замыкания, перенапряжения и перегрузки по току на выходе
• Операции с постоянным напряжением.

Исходя из приведенного выше требования, у нас есть большой выбор по классификации стандартов (ICS), но, как уже упоминалось ранее, мы будем использовать микросхему viper22A, поскольку она дешевая и легко доступна на рынке.

Из приведенной ниже таблицы данных Viper22A можно видеть, что возможности питания находятся в пределах наших требований для набора DIP-корпусов, поэтому будем использовать эту микросхему.

Потенциальная возможность питания микросхемы Viper22

Основной тип	SO-8	DIP-8
Европейский (195-265Vac)	12 Вт	20 Вт
США/широкий диапазон (85-265Vac)	7 Вт	12 Вт

В таблице выше, показаны типичные мощности микросхемы Viper22A. Как видите, чип версии ДИП-8 при входном напряжении 195-265В может выдавать мощность 20Вт. Распиновка микросхемы Viper22A приведена ниже.

Компоненты, необходимые для сборки зарядного устройства для литиевых аккумуляторов на 12 В

Компоненты, необходимые для построения схемы SMPS на базе Viper22A, перечислены ниже. Большинство деталей, которые используются для создания этого проекта, можно найти в местном магазине электронных товаров или в любом интернет-магазине. Полная спецификация схемы зарядного устройства на базе Viper22A показана ниже.

• VIPer22A — шим-контроллер — 1
• Ферритовый Ш-образный трансформаторE E25 SMPS — 1
• Конденсатор 0,15 нФ, 250 В переменного тока — 1 шт.
• Конденсатор 100мкФ, 16В — 2 шт.
• Резистор 10К — 1
• Резистор 1K — 1
• Резистор 680R — 1 шт.
• Резистор 4.7K — 1
• Резистор 10 Ом — 2
• Резистор 180К — 1
• Резистор 2,2К — 1
• Конденсатор 22 мкФ, 400 В — 1 шт.
• Резистор 27К — 1
• Катушка индуктивности 3,3 мкГн, 1А — 1
• Конденсатор 4,7 мкФ, 16 В — 1 шт.
• Резистор 9.1K — 1
• Мостовой выпрямитель DB107G — 1
• FR107 Диод быстрого восстановления — 1
• LM358 Операционный усилитель — 1
• EL817 Оптопара — 1
• SR360 Диод Шоттки — 1
• Предохранитель с задержкой срабатывания T500 мА — 1
• Регулятор напряжения TL431 — 1
• Ультра быстрый диод UF4007 — 1
• Красный светодиод — 1
• Зеленый светодиод — 1
• Резистор 1R,2Вт — 3
• Конденсатор 1000 мкФ, 16 В — 1 шт.
• Конденсатор 0,1 мкФ, 16 В — 4 шт.

Принципиальная схема зарядного устройства CC/CV на базе Viper22A

Мы начали создавать нашу схему, используя программное обеспечение для проектирования блоков питания от Viper. Если у вас появятся затруднения с работой этой программы, то вот здесь можно узнать подробности ее использования.

Скачать программное обеспечение VIPer Design версии 2.24: viper_design_software

Выбрав спецификацию ввода и вывода, можно создать полную схему источника питания. Полная схема зарядного устройства CC/CV на базе Viper22A показана ниже.

1. Защита от перенапряжения и сбоев на входе
2. Входной фильтр
3. Преобразование переменного тока в постоянный
4. Цепь драйвера или главный переключатель коммутатора
5. Цепь зажима
6. Фильтр электромагнитных помех
7. Вторичный выпрямитель
8. Блок фильтра
9. Каскад обратной связи
10. Цепь постоянного тока

Защита от скачков напряжения на входе SMPS

Схема защиты от бросков напряжения на входе источника питания состоит из трех каскадов: первый каскад, это плавкий предохранитель с задержкой срабатывания, второй — NTC на 10 Ом, и, наконец, у нас установлен 7-мм металл-оксидный варистор (MOV) на 250 В, так как максимальное входное напряжение микросхемы VIPer22A составляет 265V.

Во время скачка высокого напряжения в цепи варистора произойдет короткое замыкание, и предохранитель перегорит, защищая микросхему от высокого входного напряжения. Предохранитель, используемый в схеме SMPS, должен быть плавким предохранителем замедленного действия.

Это необходимо потому, что при включении цепи будет протекать огромный ток из-за конденсатора. Именно NTC предназначен для ограничения этого пускового тока, протекающего в первые два или три цикла загрузки.

Входной фильтр

Для входного фильтра мы используем конденсатор 0,15 нФ, 250 В переменного тока. Конденсатор представляет собой емкость X-типа, используемого для подавления помех. Мы применили этот тип конденсатора в нашей схеме источника питания без трансформатора.

Преобразование переменного тока в постоянный

Основным компонентом преобразователя переменного тока в постоянный является мостовой выпрямитель, и по этой причине мы используем диодный мост в DIP-корпусе DB107 1A. Для фильтрации зашумленного сигнала постоянного тока мы установили конденсатор 22 мкФ, 400 В с низким ESR.

Схема драйвера или основная коммутационная микросхема

Viper22A является основным коммутационным компонентом нашего блока питания, и для запуска процесса коммутации, устройству требуется питание от вспомогательной обмотки трансформатора.

Как только напряжение переключения появляется и превышает 9 В, начинается переключение через основной трансформатор с помощью встроенного полевого транзистора.

Зажимная цепь или защитная цепь переходного процесса

Сам трансформатор представляет собой большую катушку индуктивности. И, как и любой дроссель, он создает всплеск высокого напряжения в период выключения трансформатора, который может повредить микросхему Viper22.

Поэтому, чтобы предотвратить это, нам нужно задействовать схему подавления переходных напряжений. Вот эта цепочка D5, R2 и C7 выполняет функцию подавления.

Вторичный выпрямитель

Высокочастотный выход трансформатора выпрямляется и фильтруется диодом D1 SR360. Предельный выходной ток диода составляет 3 А, поэтому он может легко справиться с максимальным током на выходе нашего блока питания, который составляет 1,3 А.

Цепь фильтра

На схеме C3, L3 и C13 составляют цепочку фильтра LC PI. Тем самым LC-фильтр обеспечивает эффективное подавление пульсаций на выходе источника питания.

Каскад обратной связи

Каскад полной обратной связи состоит из TL431(U2), LM358N(IC1), PC817(OK2) и двух светодиодов LED1, LED2. TL431 определяет выходное напряжение и выдает 2,5 В. Теперь эти 2,5 В сравниваются с выходным напряжением операционного усилителя (IC1B), а напряжение обратной связи понижается делителем (R7 и R5).

Теперь, когда напряжение на не инвертирующем входе источника питания становится больше, чем на инвертирующем, выходная цепь операционного усилителя получает высокий уровень, при этом загорается светодиод LED1, указывая, что он находится в режиме постоянного напряжения или CV.

Далее включается оптопара и подает некоторое напряжение на вывод обратной связи микросхемы VIPER22A, и ШИМ-контроллер соответствующим образом регулирует скорость переключения.

Таким образом, для каскада с постоянным током операция становится почти такая же, как и с остальными. Резисторы R8, R9 вместе с R13 образуют делитель напряжения. И это напряжение сравнивается с падением напряжения на резисторе 0,33 Ом, который мы установили, запараллелив три резистора по 1 Ом.

После этого, если напряжение на контакте 3 операционного усилителя станет выше, чем на контакте 2, на выходе операционного усилителя появится высокий уровень, светодиод LED2 включается и будет управлять оптопарой, а модуль зарядного устройства начнет работать в режиме CC.

Печатная платы для зарядного устройства 12 В с использованием Viper22A

Печатная плата зарядного устройства CC-CV выполнена на одностороннем фольгированном стеклотекстолите определенного размера. Я использовал программу Eagle для разводки дорожек на печатной плате, но вы можете выбрать любое другое программное обеспечение для проектирования по своему желанию. 2D-изображение моей платы показано ниже.

Как вы можете видеть на нижней стороне, я использовал в силовой цепи угловые площадки усиленные слоем припоя, чтобы обеспечить протекание через них достаточно большого тока, толстые многоугольники также действуют как радиатор для рассеивания тепла.

На снимке выше показаны нижняя и верхняя стороны печатной платы после пайки.

Конструкция трансформатора для схемы SMPS на базе Viper22A

Как мы упоминали ранее, вам нужно программное обеспечение для проектирования viper, и установки входных и выходных параметров, после того, как вы установите, вам нужно всего лишь нажать на кнопку Transformer.

Как только вы нажмете на кнопку трансформатора, вы получите что-то вроде изображения, показанного ниже.

Сердечник E20/10/5 с воздушным зазором 0,68 мм. Индуктивность первичной обмотки составляет 0,72 мГн. Соотношение витков первичной обмотки — 113 витков намотанных эмалированным проводом диаметром 0.25 мм. Вспомогательный провод имеет 22 витка с проводом 0.05 мм.

Выходные обмотки выполнены с 19 витками проводом 0.75. Имея всю информацию из программы проектирования трансформаторов, мы заказали трансформатор в профессиональной компании и через неделю получили партию. Трансформаторы выглядят примерно так, как показано на рисунке ниже.

Тестирование схемы SMPS на базе Viper22A

Для проверки работы схемы у нас есть тестовая установка, показанная ниже. Для измерения выходного напряжения мы используем мультиметр, а для измерения тока — токоизмерительные клещи.

Теперь, как вы можете видеть, схема включена, и на выходе мы получаем 12,7 вольт, что делает эту схему идеальной для зарядки 3S аккумуляторной батареи.

Далее, мы подключили нагрузку к выходу блока питания. Нагрузка представляет собой два резистора по 10 Ом, включенных параллельно, что составило общее сопротивление 5 Ом, и, как видно на снимке, через резистор протекает ток 900 мА.

Значение тока ниже, потому что во время построения схемы у нас не было резистора 9,1 кОм, и нам нужно было соединить несколько резисторов последовательно, чтобы получить это значение 9,1 кОм. Поэтому мы не получая полные 1.3А на выходе.

Проблемы при построении схемы с решениями

Есть много проблем, с которыми мы столкнулись при построении схемы. Самая большая из них — это аналоги микросхем, которые были в нашем распоряжении.

В оригинальной микросхеме контакты № 5, 6, 7 и 8 закорочены, но в аналоге микросхеме контакты № 7 и 8 закорочены, а контакты № 5 и 6 не имеют связи с контактами 7 и 8.

Далее необходимо было проследить за вспомогательным напряжением трансформатора. Если вспомогательное напряжение трансформатора не превышает 9 В, микросхема не начнет работать.

Следующая проблема была связана с конструкцией цепи постоянного тока. Микросхема Viper не предназначена для работы с постоянным током, и нам пришлось добавить дополнительную схему, чтобы включить режим постоянного тока для Viper.

С другой стороны, если бы мы использовали микросхему Power Integrations, в ней имеется встроенная функция ограничения тока, но в чипе viper такой функции нет.