24VAC/5VDC电源设计

电器工程 微控制器 电源 直流 交流
2022-01-23 08:50:06

我计划使用 MCU 和一组电磁控制阀创建一个水阀控制器。螺线管在 24VAC(40mA 涌流,20mA 保持)下运行。

MCU 位于消耗约 100mA 的电路板上,并且它有一个板载稳压器,因此我可以直接为它提供 5V(绕过稳压器)或通过板载稳压器提供 6-12V。我还希望运行其他一些 5V 外围设备(即传感器、显示器、一些 LED 等等),所以假设我需要 500mA 的稳压 5VDC。

理论上,我可以从 24VAC 变压器中获取整流/滤波输出并将其调节至 ~12V,并使用板载调节器将其进一步调节至 5V,但我会消耗大量功率(相对而言)作为废热。我的调节器需要散热,并且可能需要主动冷却(这一切都会放在车库的盒子里,在那里它会经常达到~110F......)。我也考虑过使用开关稳压器而不是线性稳压器,但我在这些方面的经验是零,我不知道如何拼凑原理图来做我想做的事,或者它是否在理论上是现实的作为线性稳压器的想法。

我已经考虑过使用中心抽头的 24VAC 变压器并将中心抽头的 12V 整流/调节至 5VDC 以运行 MCU,并在整个输出上使用 24VAC 来驱动螺线管。

这是一个合适的设计吗?以这种方式使用中心水龙头可以吗?

4个回答

您的解决方案一开始是可以忍受的(100mA 时为 5V),但最终在 500mA 时完全不能接受。您说您的“壁疣”额定电流为 300 mA。当您使用线性稳压器提供电压时,输入电流与输出电流相同 - 稳压器会降低电压差。因此,如果您在 5V 时汲取 500 mA 电流,则必须在 12V 或 24V 时提供 500 mA 电流。在任何一种情况下,变压器都会过载。

如果额定值如您所说,那么一个可能可接受的解决方案是使用开关稳压器 (SR),其工作电压为 24V 英寸。\$5V\times 500 mA = 2.5 W\$。

\$24V \times 5 W =~ 210 mA\$。如果 SR 的效率为 80%(很容易实现),则上升到 260 mA。由于这可能是偶尔的要求,因此 24V 的总电流在 300 mA 电源下可能是可以接受的 - 取决于您希望维持多少螺线管。

如果一次只打开一个螺线管,则激活 N 的电流消耗为 \$20\times N + 20 mA\$。浪涌电流本质上是无关紧要的。

如果您想要超过 3 或 4 个螺线管,则可能需要限制 5V 的电流消耗。

例如

  • 10 个 20 mA 的螺线管 = \$200 mA\$
  • 余额 = \$300mA-200mA = 100 mA\$
  • 5V 时的可用电流,效率为 80% = \$ 100 mA \times \frac{24}{5} \times 0.8 = 384 mA\$,例如 \$400 mA\$。

请注意,当使用开关稳压器时,使用更高的输入电压将导致更少的输入电流消耗。因此,这里最好使用完整的 24V 电源。

另请注意,如果变压器是真正的 24 VAC,则整流后的直流电约为 \$24 VAC \times 1.414 - 1.5V - \$ "a bit" \$~= 30 VDC \$

因为:

  • \$VDC_{peak} = VAC_{RMS} \times \sqrt{2} ~= VAC \times 1.414 ~= 34 V\$。

  • 全桥整流器将下降约 1.5V。

  • 34 VDC 是峰值电压,可用直流电压会略低 - 取决于负载。会有“一点”纹波和接线损耗以及变压器下垂和...

在 80% 的效率下,这使得 24VAC 至 5V 直流电流提升为 \$ \frac{30}{5} \times 0.8 = 4.8:1 \$

例如

  • 对于 5V 时的 48 mA,您需要 30V 时的 10 mA。
  • 对于 5V 时的 480 mA,您需要 30V 时的 100 mA。

因此,您将获得 10 个螺线管以及 5V DC 时近 500 mA 的电流 :-)


许多解决方案之一:

有许多 SR IC 和设计。在这里,一个简单的降压稳压器就足够了。您可以购买商业单位或“自己动手”。有许多现代 IC,但如果成本过高,您可以查看 ye olde MC34063。关于最便宜的开关稳压器 IC 可用并且能够处理基本上任何拓扑。它可以在没有外部半导体和最少其他组件的情况下处理这项任务。

MC34063。Digikey 1 件装 0.62 美元。我在中国每 10,000 个数量中支付大约 10 美分(大约是 Digikey 价格的一半)。

下面引用的数据表中的图 8 恰好与您的要求“完美匹配”。这里 25 VDC 输入,5V 输出 500 mA。83% 的效率。3 x R、3 x C、二极管、电感。它可以在 30 VDC in 下不加改动地工作。

数据表 - http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/mc33063a.pdf

价格 - http://search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?Detail&name=296-17766-5-ND


  • 添加:

LM34063 数据表中的图 8 显示了除电感器设计之外的所有组件值(仅给出电感)。我们可以从 Digikey(见下文)或任何地方为您指定电感器和/或帮助您设计它。基本上,它是一个 200 uH 电感器,专为一般电源开关使用而设计,饱和电流为 750 mA 或更高。诸如谐振频率、电阻等问题但在符合基本规格的任何部分都可能没问题。或者,您可以在 Micrometals 芯上以很少的费用自行缠绕。在他们的网站上设计软件。


来自 Digikey 0.62 美元/1 美元。有存货。伯恩斯(即好)。

价格: http ://search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?Detail&name=SDR1005-221KLCT-ND

数据表:http: //www.bourns.com/data/global/pdfs/SDR1005.pdf

稍微好一点的规格

即使您使用中心抽头解决方案,您也需要一个开关稳压器;线性稳压器仍会耗散 5W,这是不值得的。我会在一分钟内回到切换台。
如果你要使用中心抽头变压器,你必须记住两件事:

  1. 您不能直接通过非绝缘三端双向可控硅开关驱动螺线管,因为您的电源接地是交流电压的一半。但是看着这个问题,我猜你想使用SSR,所以没关系。机电继电器也可以。
  2. 中心抽头变压器+全波整流器对于变压器的效率不是很高,因为它在任何时候都只使用一半的变压器所以你需要一个更大(因此更昂贵)的变压器。

开关的工作原理比线性稳压器要复杂一些,但也不是特别难。由于它们提供高效率的优势,它们如今在任何地方都被使用,并且有大量可用的调节器Olin 提到凌力尔特,他们是该领域的领导者之一。它们不是最便宜的,但如果你只需要 1 个,那么问题就没有 100k/年那么大。他们的网站提供了一个参数搜索,我的参数返回了16 个部分,所以有很多选择。我选择了固定输出电压LT1076-5(不计成本):

LT1076-5

正如您所看到的,这几乎不比线性稳压器复杂​​,那么问题是什么?

  1. 切换器有时会以相当高的频率(MHz 范围)切换,这会导致EMI这个工作在较低的 100kHz,较少的 EMI,但更大的线圈。没什么大不了的。
  2. 您可以使用切换器实现非常高的效率,但要从中获得最后 %,您需要非常仔细地选择组件并非常注意PCB 布局如果您还没有 SMPS 设计经验,您的效率可能只有 85%,而不是最高的 90%。再说一次,没什么大不了的。

关键部件是线圈、二极管和 C1。它们也是布局中需要注意的部分:L1-C1-D1环路必须尽可能短,IC和线圈之间的连接也是如此。使用宽走线,因为它们会承载高电流。

再三考虑,这不是理想的数据表。事实上,它对于 LT 数据表来说非常简短。它没有单个图表,许多其他数据表为您提供了有关组件选择的大量信息。如果您想了解更多信息,请查看其他部分。更新:LT1076-5 的数据表似乎更像是对LT1076的增补,内容更广泛LT1766LT3430
的数据表更像 LT,有近 20 页的应用信息,包括计算和电路板布局。阅读并学习!:-)

好的,这是关于 LT 的。是的,我是一个粉丝(也非常支持,至少对专业人士来说是这样),但当然还有其他人。National 有其Simple Switcher系列,并有一个 Webench 设计器,可为您提供完整的 BOM 原理图。也比LT便宜很多。

听起来您已经在 24 VAC 300mA 壁式疣中拥有了所需的东西。

您的 5V 系统的 500mA 要求足够高,这确实需要切换器。您仍然可以按预期从 24 VAC 运行螺线管,但也可以对其进行纠正,然后将其降压至 5V 以运行处理器。24 VAC 正弦波的峰值为 34V,因此您应该将系统设计为可在高达 40V 的电压下工作。

应该有许多现成的芯片可以在 5V 时输入高达 40V 并输出 500mA 的电流。这些东西往往非常昂贵(每个几美元),但与单个阀门的成本相比可能很小。否则处理热量也不是免费的。可以推出自己的降压转换器并节省几美元,但如果您必须在这里提出基本问题,这将花费更多时间并且可能不是一个好主意。

中心抽头变压器不是一个好主意。12V交流会是17V峰值,15.5后全波桥。即使说在下垂和阻抗下降后平均只有 13V,但仍然需要处理 4 瓦的热量。螺线管的可用功率也减少了 4W。

绝对使用开关稳压器。我使用 34063,一种常见的廉价开关稳压器。说到水阀控制器,我的网站上有一个开源设计: