Miniaturowe zasilacze 10 W (5 V, 2 A)

Poniższy artykuł przedstawia konstrukcję prostej przetwornicy o mocy 10 W, która wykorzystana może być jako zasilacz USB dla dowolnego urządzenia - telefonu komórkowego czy komputera jednopłytkowego. Układ zasilany może być napięciem przemiennym od 90 V do 265 V. Napięcie na wyjściu równe jest 5 V, a maksymalny prąd wyjściowy to 2 A.
Układ oparty jest o nową przetwornicę z rodziny LinkSwitch-3, LNK6448K. Układy te są miniaturowymi, niezwykle prostymi w implementacji sterownikami przetwornic ze zintegrowanym tranzystorem mocy. Pozwalają one na budowę stabilizowanych i niestabilizowanych zasilaczy z izolacją galwaniczną od sieci lub nie.

Układ LNK6448K zaprojektowany został z myślą o konstrukcji tanich i prostych zasilaczy i ładowarek urządzeń elektronicznych. Kontroler wbudowany w układ zoptymalizowany został do pracy w trybie stabilizacji napięcia lub prądu. Układ wymaga minimalnej ilości elementów zewnętrznych, ale mimo to zapewnia doskonałą kontrolę zarówno nad napięciem na wyjściu, jak i prądem wyjściowym, dzięki integracji sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie to izolowane jest bez wykorzystania transoptora, co upraszcza układ.

W omawianą przetwornicę wbudowano tranzystor MOSFET o napięciu maksymalnym do 725 V. Dzięki niskiej rezystancji kanału tego elementu układ osiąga wysoką sprawność przetwarzania, a wbudowana możliwość całkowitego wyłączenia przetwornicy sprawia, że układ ten jest niezwykle energooszczędny, niezależnie od obciążenia lub jego braku - wydajność zasilacza opartego o LNK6448K znacznie przekracza uznane międzynarodowe standardy.
Przedstawiony poniżej system oparty jest o najprostszą aplikację tej przetwornicy, wprost z karty katalogowej. Dzięki pracy w topologii zewnętrznej polaryzacji uzwojenia układ pracuje bardzo oszczędnie, gdy strona wtórna układu nie jest obciążona. W takiej sytuacji przetwornica pobiera poniżej 30 mW mocy.
W układzie zastosowano transformator EPC17. Jego rozmiar dobrany został do wymogów izolacji galwanicznej, dzięki czemu zaprojektowany system nie wymaga dodatkowych zabiegów na PCB, by spełniać normy elektryczne.



Układ wykorzystuje przetwornicę LNK6448K pracującą po stronie pierwotnej układu. Jest to stabilizowana przetwornica flyback. Układ podzielić możemy na kilka bloków:

Filtr wejściowy
Napięcie przemienne prostowane jest na mostku BR1 i filtrowane przez kondensatory C1 i C2. Indukcyjność L2 i koralik L3 wraz z tymi kondensatorami tworzą filtr pi, głównie po to by minimalizować zakłócenia transmitowane z układu do sieci.
Dzięki takiemu filtrowi i technologii E-Shield wykorzystanej w transformatorze od Power Integrations układ spełnia normę EMI EN55022 klasy B z dużym zapasem, bez konieczności stosowania drogiego kondensatora Y.
Na wejściu znajdziemy jeszcze bezpiecznik (F1) oraz termistor (RT1) - zabezpieczają układ.

Strona pierwotna z LNK6448K
W kontrolerze (U1) wbudowany jest klucz, oscylator i kontroler przetwornicy wraz z układem startu i funkcjami ochronnymi. Układ zasila się sam poprzez pin BYPASS, dlatego dodany jest tam kondensator filtrujący C7. Dodatkowo układ złożony z elementów D3, C8, R5 i R8, polaryzuje uzwojenie i zwiększa wydajność zmniejszając pobór mocy przy zerowym obciążeniu przetwornicy. Opornik R5 dodatkowo tłumi oscylacje wysokiej częstotliwości na uzwojeniu pierwotnym.

Prostownik i filtr wyjściowy
Napięcie z uzwojenia wtórnego prostowane jest na diodzie Schottkiego D1 i filtrowane przez kondensatory C3 i C4. W tej aplikacji mają one na tyle niski ESR, że wystarczą do filtracji napięcia, bez konieczności dodawania filtra LC. Rezystor R1 i pojemność C5 tłumi dodatkowo oscylacje wysokiej częstotliwości; dodatkowo odcina je koralik ferrytowy L1.

Stabilizacja wyjścia
Do stabilizacji napięcia wyjściowego układ wykorzystuje wejście ON/OFF w przypadku pracy w trybie stałego napięcia i regulację częstotliwości w przypadku pracy ze stałym prądem. Do pomiaru napięcia układ wykorzystuje dodatkowe uzwojenie transformatora, z którego sygnał poprzez oporniki R6 i R7 podawany jest na wejście kontrolera.
Opornik R2 jest istotny dla stabilnej pracy - zapewnia on minimalne obciążenie, wymagane do stabilizacji, gdy nic do zasilacza nie jest podpięte.

Źródło: https://www.eeweb.com/profile/power-integrations/articles/10-w-cvcc-charger

Fajne te zasilacze. Jednak nie zaryzykowałbym podłączenia jakiegoś drogiego urządzenia.
O ile za niskie napięcie na wyjściu nic nie uszkodzi ( najwyżej nie będzie poprawnie pracować), to wyższe już tak.
W tym układzie brak jakiegokolwiek zabezpieczenia nadnapięciowego. Nawet zwykła dioda Zenera 5,1V/ 2-3W by wystarczyła.

Szkoda, że nie ma otworów montażowych.

ghost666 wrote:

W układzie zastosowano transformator EPC17. Jego rozmiar dobrany został do wymogów izolacji galwanicznej, dzięki czemu zaprojektowany system nie wymaga dodatkowych zabiegów na PCB, by spełniać normy elektryczne.

Rdzenie ECP17 nie są rdzeniami popularnymi. Na dokładkę zastosowany karkas nie ma wystarczającej izolacji i dla jej zachowania trzeba by było dość kłopotliwych zabiegów, które są doskonale widoczne w raporcie DER-403 , na stronach opisujących nawijanie transformatorów (od 14 do 18). Podsumowując - ponieważ odstępy izolacyjne karkasu były za małe, uzwojenie wtórne zostało wyprowadzone luzem, jako tzw. flying leads. Większość pinów z karkasu wycięto, pozbawiając transformator podparcia:


Jest to o tyle zaskakujące, że firma Power Integrations ma swobodny dostęp do bezpiecznych karkasów i nie musi uprawiać barokowej rzeźby w....., używając efemerycznych rdzeni i karkasów, które nie dość, że nie spełniają norm, to jeszcze są bardzo trudne do kupienia. Osobiście wykonałbym transformator na znacznie popularniejszym rdzeniu - EF16 - i bezpiecznym karkasie, np.:

arturavs wrote:

Fajne te zasilacze. Jednak nie zaryzykowałbym podłączenia jakiegoś drogiego urządzenia.
O ile za niskie napięcie na wyjściu nic nie uszkodzi ( najwyżej nie będzie poprawnie pracować), to wyższe już tak.
W tym układzie brak jakiegokolwiek zabezpieczenia nadnapięciowego. Nawet zwykła dioda Zenera 5,1V/ 2-3W by wystarczyła.

Tutaj jest jeszcze jedno założenie ukryte. Kontroler tak na prawdę jest w stanie bezpośrednio regulować napięciem na uzwojeniu feedback. Nie jest to bezpośredni pomiar napięcia na wyjściu. Spodziewam się dodatkowego obniżenia napięcia na wyjściu w miarę dociążania takiego zasilacza. Nawet jeżeli jest to płytka rozwojowa to sposób wyprowadzenia uzwojenia wtórnego został chyba zoptymalizowany pod kątem podniesienia ilości samobójstw w Chinach .... O ile to urządzenie faktycznie osiągnie 10W przy napięciu na wyjściu 5 - 5.2 V to odbędzie się to kosztem podgrzania diod w prostowniku po stronie wtórnej.

Jeśli układ nie ma zwartych pinów danych w złączu USB to większość telefonów nie wejdzie w tryb szybkiego ładowania.

E8600 wrote:

Jeśli układ nie ma zwartych pinów danych w złączu USB to większość telefonów nie wejdzie w tryb szybkiego ładowania.

Ale wygląda, że ma zwarte Na PCB jest widoczna ścieżka.

Podejrzewam iż układ będzie pracował poprawnie poniżej owych 95V.

Jak popatrzeć na schemat wewnętrzny to można dojrzeć regulator 6V, jest także zabezpieczenie nadnapięciowe.

Jednak w dokumentacji brak jest opisu zabezpieczenia przed zbyt niskim napięciem czy nawet nie wspomniano o minimalnym napięciu pracy.

Jest jedynie wzmianka o tym że parametry podane w tabelach/na wykresach są dla napięcia wejściowego DC powyżej 95V.

I w rzeczywistości wychodzi tak że większość przetwornic tego typu wystartuje przy napięciu w okolicach 35-40V.
Mam ładowarkę Sony która potrafi ładować telefon niemal pełnym prądem już od 35V.

Pewnie sprawność jest gorsza i wypełnienie impulsu sięga blisko 100%.
Nie mniej jednak jest to możliwe i producenci powinni umieszczać próg załączenia przetwornicy w dokumentacji.

Dla przetwornic wysokiej mocy jest to istotne bo rozruch przetwornicy oznacza nagły wzrost poboru mocy.

pawelr98 wrote:

Jak popatrzeć na schemat wewnętrzny to można dojrzeć regulator 6V, jest także zabezpieczenie nadnapięciowe.

Jeżeli odnosisz się do tego...

arturavs wrote:

Fajne te zasilacze. Jednak nie zaryzykowałbym podłączenia jakiegoś drogiego urządzenia.
O ile za niskie napięcie na wyjściu nic nie uszkodzi ( najwyżej nie będzie poprawnie pracować), to wyższe już tak.
W tym układzie brak jakiegokolwiek zabezpieczenia nadnapięciowego. Nawet zwykła dioda Zenera 5,1V/ 2-3W by wystarczyła.

..to mowa o czymś innym. Wspomniane przez Ciebie rzeczy, tj. regulator napięcia i TVS są do pracy/zabezpieczenia samej przetwornicy. Nie ma to nic wspólnego z obwodem wyjściowym, do którego podpinamy nasze urządzenie. Jak spojrzeć na płytkę i schemat, to wspomnianych zabezpieczeń nie ma.

krisRaba wrote:

pawelr98 wrote:

Jak popatrzeć na schemat wewnętrzny to można dojrzeć regulator 6V, jest także zabezpieczenie nadnapięciowe.

Jeżeli odnosisz się do tego...

arturavs wrote:

Fajne te zasilacze. Jednak nie zaryzykowałbym podłączenia jakiegoś drogiego urządzenia.
O ile za niskie napięcie na wyjściu nic nie uszkodzi ( najwyżej nie będzie poprawnie pracować), to wyższe już tak.
W tym układzie brak jakiegokolwiek zabezpieczenia nadnapięciowego. Nawet zwykła dioda Zenera 5,1V/ 2-3W by wystarczyła.

..to mowa o czymś innym. Wspomniane przez Ciebie rzeczy, tj. regulator napięcia i TVS są do pracy/zabezpieczenia samej przetwornicy. Nie ma to nic wspólnego z obwodem wyjściowym, do którego podpinamy nasze urządzenie. Jak spojrzeć na płytkę i schemat, to wspomnianych zabezpieczeń nie ma.

Ale przecież to nie problem dodać te elementy we własnej implementacji . Schemat w pierwszym poście, to propozycja producenta układu, która pokazuje jak zastosować układ, by miał takie parametry, jak obiecano w karcie katalogowej.

Jak najbardziej Ale jak ktoś nawet pisał, że szkoda że brak otworów montażowych, to widać, że część użytkowników chciałaby kupić to jako gotowy moduł zasilający, a nie robić swój Swoją drogą, to sprawdzał ktoś, czy w typowych ładowarkach, które dołączane są np. do smartfonów czy tabletów producenci dodają zabezpieczenia? Bo to oczywiście podraża koszt, więc pytanie czy projektował księgowy czy inżynier "z klauzulą sumienia"
Sam patent regulacji uzwojenia feedback zamiast faktycznego wyjścia to prawdopodobnie również wyłącznie sprytny wybieg "low-cost'owy", żeby wyeliminować sprzężenie zwrotne z optoizolacją...

Zależy co co rozumiemy przez zabezpieczenie. Chińczycy o dziwo pamiętają o bezpieczniku lub stosują rezystor z bezpiecznikiem.
Takie małe porównanie ładowarek Macbooka.



A tutaj dla tych co korzystają z tanich ładowarek smartphonów małe porównanie.
http://www.righto.com/2015/11/macbook-charger-teardown-surprising.html
https://tech.mountdesales.net/blog/2017/dont-buy-fake-ipad-chargers/
https://www.ifixit.com/Guide/Samsung+USB+Charger/17367

O proszę jak przejrzyście po lewej
Swoją drogą ciekawe te malowane sloty :-/ Początkowo myślałem, że warstwę slotów ktoś zamiast wrzucić na frezarkę wrzucił na sito Ale w kilku miejscach widać, że wycięcia są.. Farbą zwiększają odporność na przebicia?

krisRaba wrote:

pawelr98 wrote:

Jak popatrzeć na schemat wewnętrzny to można dojrzeć regulator 6V, jest także zabezpieczenie nadnapięciowe.

Jeżeli odnosisz się do tego...

arturavs wrote:

Fajne te zasilacze. Jednak nie zaryzykowałbym podłączenia jakiegoś drogiego urządzenia.
O ile za niskie napięcie na wyjściu nic nie uszkodzi ( najwyżej nie będzie poprawnie pracować), to wyższe już tak.
W tym układzie brak jakiegokolwiek zabezpieczenia nadnapięciowego. Nawet zwykła dioda Zenera 5,1V/ 2-3W by wystarczyła.

..to mowa o czymś innym. Wspomniane przez Ciebie rzeczy, tj. regulator napięcia i TVS są do pracy/zabezpieczenia samej przetwornicy. Nie ma to nic wspólnego z obwodem wyjściowym, do którego podpinamy nasze urządzenie. Jak spojrzeć na płytkę i schemat, to wspomnianych zabezpieczeń nie ma.

Chodziło o zabezpieczenie nadnapięciowe po stronie pierwotnej.
Tj. Zenerka zabezpieczająca przed nadmiernym napięciem na pinie bypass.

Sam układ wytrzymuje napięcie do 725V.
Wystarczy że Bypass będzie poniżej 9V.

Większość zasilaczy impulsowych ma napięcie startowe ustalone gdzieś w układzie scalonym.
Producent tego napięcia nie podaje.

Można je jednak zmierzyć.

Ciekawym efektem jest możliwość używania takich zasilaczy jako generatorów impulsów świetlnych.
Łączymy przetwornicę z siecią poprzez odpowiedni rezystor.

Napięcie na kondensatorze rośnie, przetwornica startuje, LED/żarówka zaczyna świecić. Potem przetwornica rozładowuje kondensator i się wyłącza.
Cykl się powtarza.