设计一个5V 2A SMPS电路

电源单元 （PSU）是任何电子产品设计中的重要组成部分。大多数家用电子产品，如移动充电器、蓝牙扬声器、移动电源、智能手表等，都需要一个电源电路，可以将交流电源转换为 5V 直流电源来运行它们。在这个项目中，我们将构建一个类似的交流到直流电源电路，额定功率为 10W。也就是说，我们的电路会将 220V 交流电源转换为 5V，并提供高达 2A 的最大输出电流。这个额定功率应该足以为大多数在 5V 上运行的电子产品供电。5V 2A SMPS 电路在电子产品中也很受欢迎，因为有很多微控制器在 5V 上运行。

该项目的想法是使构建尽可能简单，因此我们将在虚线板（穿孔板）上设计完整的电路，还将构建我们自己的变压器，以便任何人都可以复制此设计或构建类似的设计。

5V 2A SMPS 电路 – 设计规范

不同种类的电源在不同的环境中表现不同。此外，SMPS 在特定的输入输出边界中工作。在进行实际设计之前，需要进行适当的规格分析。

输入规格：

这将是AC 到 DC 转换域中的 SMPS。因此，输入将是交流电。对于输入电压值，最好使用 SMPS 的通用输入额定值。因此，交流电压将为 85-265VAC，额定频率为 50Hz。这样，SMPS 可以在任何国家/地区使用，无论其交流电源电压值如何。

输出规格：

输出电压选择为 5V，额定电流为 2A。因此，它将是10W 输出。由于此 SMPS 将提供恒定电压而与负载电流无关，因此它将在 CV（恒定电压）模式下工作。即使在输出端的最大负载 （2A） 期间最低输入电压下，这个 5V 的输出电压也应该是恒定和稳定的。

非常希望好的电源单元具有小于 30mV pk-pk 的纹波电压。该 SMPS 的目标纹波电压小于 30mV 峰峰值纹波。由于此 SMPS 将使用手工制作的开关变压器内置在 veroboard 中，因此我们可以预期纹波值会略高一些。这个问题可以通过使用 PCB 来避免。

保护功能：

有多种保护电路可用于 SMPS 以实现安全可靠的运行。保护电路保护 SMPS 以及相关的负载。根据类型，保护电路可以跨输入或跨输出连接。

对于此 SMPS，将使用输入浪涌保护，最大工作输入电压为 275VAC。此外，为了处理 EMI 问题，将使用共模滤波器来消除产生的 EMI。在输出端，我们将包括短路保护、过压保护和过流保护。

电源管理IC的选择

每个 SMPS 电路都需要一个电源管理 IC，也称为开关 IC 或 SMPS IC 或干燥器 IC。让我们总结一下设计注意事项，以选择适合我们设计的理想电源管理 IC。我们的设计要求是

10W输出。5V 2A 满载。

通用输入额定值。85-265VAC，50Hz

输入浪涌保护。最大输入电压 275VAC。

输出短路、过压、过流保护。

恒压操作。

根据上述要求，可供选择的 IC 范围很广，但对于这个项目，我们选择了 Power integration。Power integration 是一家半导体公司，拥有各种功率输出范围内的各种功率驱动器 IC。根据要求和可用性，我们决定使用 微型开关 II 系列的 TNY268PN。我们之前曾使用此 IC 在 PCB 上构建12V SMPS 电路。

在上图中，显示了最大功率 15W。但是，我们将在开放式框架中制作 SMPS，并用于通用输入额定值。在这样的细分市场中，TNY268PN 可以提供 15W 的输出。让我们看看引脚图。

设计 5v 2Amp SMPS 电路

构建5V 2A SMPS 原理图的最佳方法是使用 Power integration 的 PI 专家软件。下载 PI 专家软件并使用 8.6 版。是一款优秀的电源设计软件。下面显示的电路是使用 Power Integration 的 PI 专家软件构建的。如果您不熟悉此软件，您可以参考此12V SMPS 电路的设计部分以了解如何使用该软件。

在直接开始构建原型部件之前，让我们先了解一下 5v 2A SMPS 电路图 及其操作。

该电路具有以下部分-

输入浪涌和 SMPS 故障保护

AC-DC 转换

PI 过滤器

驱动电路或开关电路

欠压锁定保护。

钳位电路。

磁性和电流隔离。

EMI滤波器

次级整流器和缓冲电路

过滤器部分

反馈部分。

输入浪涌和开关电源故障保护：

本节由 F1 和 RV1 两个组件组成。F1 是 1A 250VAC 慢 熔保险丝 ，RV1 是 7mm 275V MOV（金属氧化物压敏电阻）。在高压浪涌（超过 275VAC）期间，MOV 短路并烧断输入保险丝。然而，由于慢熔特性，保险丝可以承受 通过 SMPS 的浪涌电流。

交直流转换：

该部分由二极管电桥控制。这四个二极管（DB107 内部）构成一个 全桥整流器。二极管是 1N4006，但标准的 1N4007 可以完美地完成这项工作。在这个项目中，这四个二极管被一个全桥整流器 DB107 取代。

PI过滤器：

不同的州有不同的 EMI 抑制标准。该设计 符合 EN61000-Class 3 标准 ，并且 PI 滤波器的设计方式可降低 共模 EMI 抑制。此部分是使用 C1、C2 和 L1 创建的。C1和C2是400V 18uF电容。这是一个奇数值，因此为此应用选择了 22uF 400V。L1 是一个共模扼流圈，它采用差分 EMI 信号来抵消两者。

驱动电路或开关电路：

它是 SMPS 的核心。变压器的初级 侧由开关电路 TNY268PN 控制。开关频率为120-132khz。由于这种 高开关频率，可以使用更小的变压器。开关电路有两个元件，U1和C3。U1是主驱动IC TNY268PN。C3是 我们驱动IC工作所需的旁路电容。

欠压锁定保护：

欠压锁定保护由检测电阻 R1 和 R2 完成。它在 SMPS 进入自动重启模式并检测线路电压时使用。R1 和 R2 的值是通过PI Expert 工具生成的。串联两个电阻器是一种安全措施，也是避免电阻器故障问题的良好做法。因此，串联使用两个 1M 电阻而不是 2M。

钳位电路：

D1和D2是钳位电路。D1 是 TVS 二极管 ，D2 是 超快恢复二极管。变压器在功率驱动器 IC TNY268PN 上充当一个巨大的电感器。因此，在开关关闭周期期间，变压器会 由于变压器的 漏感而产生高压尖峰 。这些高频电压尖峰被变压器两端的 二极管钳位抑制 。选择 UF4007 是因为其恢复速度超快，而选择 P6KE200A 进行 TVS 操作。根据设计，目标钳位电压 （VCLAMP） 为 200V。因此，选择了P6KE200A，针对超快阻塞相关问题，选择了UF4007作为D2。

磁性和电流隔离：

该变压器是一种铁磁变压器，它不仅将高压交流电转换为低压交流电，还提供电流隔离。

EMI滤波器：

EMI 滤波由 C4 电容完成。它增加了电路的抗扰度以减少高EMI干扰。它是Y级电容器，额定电压为2kV。

次级整流器和缓冲电路：

变压器的输出通过肖特基整流二极管D6 进行整流并转换为直流电 。D6 上的 缓冲电路 可抑制开关操作期间的电压瞬变。缓冲电路由一个电阻和一个电容、R3和C5组成。

过滤器部分：

滤波部分由滤波电容C6组成。它是一种低 ESR 电容器，可提供更好的纹波抑制。此外，使用 L2 和 C7 的 LC 滤波器可提供更好的输出纹波抑制。

反馈部分：

输出电压由 U3 TL431 和 R6 和 R7 感测。在感测线路 U2 后， 光耦合器 受到控制，并将次级反馈感测部分与初级侧控制器电流隔离。光耦合器内部有一个晶体管和一个 LED。通过控制LED，控制晶体管。由于通信是通过光进行的，它没有直接的电气连接，因此也满足了反馈电路上的电流隔离。

现在，由于 LED 直接控制晶体管，通过在光耦 LED 上提供足够的偏置，可以控制光耦晶体管，更具体地说是驱动电路。该控制系统由 TL431 采用。分流稳压器。由于分流稳压器在其参考引脚上有一个电阻分压器，因此它可以控制连接在其上的光耦合器 LED。反馈引脚的参考电压为 2.5V。因此，只有当分压器两端的电压足够时，TL431 才能激活。在我们的例子中，分压器设置为 5V 的值。因此，当输出达到 5V 时，TL431 在参考引脚上获得 2.5V，从而激活光耦合器的 LED，该 LED 控制光耦合器的晶体管并间接控制 TNY268PN。如果输出两端的电压不足，则开关周期立即暂停。

首先，TNY268PN 激活第一个开关周期，然后检测其 EN 引脚。如果一切正常，它会继续切换，如果没有，它会过一段时间再试一次。这个循环一直持续到一切正常，从而防止短路或过压问题。这就是它被称为反激拓扑的原因，因为输出电压会流回驱动器以进行相关操作。此外，尝试循环被称为故障条件下的打嗝操作模式。

D3 是 肖特基势垒二极管。该二极管将高频交流输出转换为直流。选择 3A 60V 肖特基二极管以确保可靠运行。R4 和 R5 由 PI 专家选择和计算。它创建一个 分压器 并将电流从 TL431 传递到光耦合器 LED。

R6 和 R7 是一个简单的分压器，由公式 TL431 REF 电压 = （Vout x R7） / R6 + R7计算得出。参考电压为 2.5V，Vout 为 12V。通过选择 R6 23.7k 的值，R7 大约变为 9.09k。

为我们的 SMPS 电路构建开关变压器

通常对于 SMPS 电路，需要一个开关变压器，这些变压器可以根据您的设计要求从变压器制造商处采购。但这里的问题是，如果您学习构建原型的知识，您将无法找到适合您设计的现成变压器。因此，我们将学习如何根据我们的 PI 专家软件给出的设计要求来构建开关变压器。

让我们看看生成的变压器构造图。

如上图所示，我们需要在初级侧执行 103 匝单根 32 AWG 线，在次级侧执行 5 匝 25 AWG 线。

在上图中，绕组的起点和绕组的方向被描述为机械图。要制作这个变压器，需要以下东西 -

EE19 芯，NC-2H 或同等规格，间隙用于 ALG 79 nH/T 2

初级侧和次级侧有 5 个引脚的骨架。

厚度为 1 mil 的阻隔胶带。需要 9 毫米宽的胶带。

32 AWG 可焊接涂层漆包铜线。

25AWG 可焊接涂层漆包铜线。

LCR 仪表。

需要 EE19 磁芯，NC-2H，磁芯间隙为 79nH/T2；通常，它是成对使用的。线轴是具有 4 个初级和 5 个次级引脚的通用线轴。但是，这里使用的是两侧有 5 个针脚的线轴。

对于阻隔胶带，使用基部厚度超过 1 mil（通常为 2 mil）的标准管道胶带。在与攻丝相关的活动中，使用剪刀将胶带切割成完美的宽度。铜线是从旧变压器中采购的，也可以从当地商店购买。我正在使用的芯线和线轴如下所示

步骤 1：在初级侧的第 1 和第 5 引脚添加焊料。在引脚 5 处焊接 32 AWG 线，绕线方向为顺时针方向。一直到103转如下图

这形成了我们变压器的初级侧，一旦完成 103 匝绕组，我的变压器如下所示。

第2步：使用胶带进行绝缘，需要3圈胶带。它还有助于将线圈保持在适当位置。

第 3 步：从引脚 9 和 10 开始次级绕组。次级侧使用两股 25AWG 漆包铜线制成。将一根铜线焊接到管脚 9 上，另一根铜线焊接到管脚 10 上。绕线方向再次为顺时针方向。继续旋转 5 圈并将末端焊接在引脚 5 和 6 上。通过与之前相同的管道胶带添加绝缘胶带。

一旦初级和次级绕组都完成并使用胶带，我的变压器如下图所示

第 4 步：现在我们可以使用胶带将两个铁芯紧紧固定。完成后，完成的变压器应如下所示。

第5步：还要确保并排缠绕胶带。这将减少高密度磁通传输过程中的振动。

完成上述步骤后，使用 LCR 表对变压器进行测试，如下图所示。仪表显示 1.125 mH 或 1125 uh 电感。

构建 SMPS 电路：

变压器准备好后，我们可以继续在虚板上组装其他组件。一旦组件被焊接，我的电路板看起来像这样。

测试 5V 2A SMPS 电路

为了测试电路，我通过 VARIAC 将输入侧连接到电源，以控制输入交流电源电压。85VAC 和 230VAC 的输出电压如下图所示 -

正如您在这两种情况下看到的，输出电压都保持在 5V。但后来我将输出连接到我的示波器并检查波纹。纹波测量如下所示

输出纹波相当高，显示150mV pk-pk纹波输出。这对于电源电路来说是完全不利的。根据分析，高纹波是由于以下因素造成的 -

PCB设计不当。

地弹问题。

PCB散热片不当。

在嘈杂的电源线上没有切断。

由于手动缠绕，变压器的公差增加。变压器制造商在机器绕组期间涂上浸漆，以提高变压器的稳定性。

如果将电路转换为合适的 PCB，即使使用手动绕组变压器，我们也可以预期电源的纹波输出在 50mV pk-pk 以内。然而，由于 veroboard 不是在 AC 到 DC 域中制作开关模式电源的安全选择，因此不断建议在实际场景中应用高压电路之前必须建立适当的 PCB。