設(shè)計(jì)一個(gè)5V 2A SMPS電路

電源單元 （PSU）是任何電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要組成部分。大多數(shù)家用電子產(chǎn)品，如移動充電器、藍(lán)牙揚(yáng)聲器、移動電源、智能手表等，都需要一個(gè)電源電路，可以將交流電源轉(zhuǎn)換為 5V 直流電源來運(yùn)行它們。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將構(gòu)建一個(gè)類似的交流到直流電源電路，額定功率為 10W。也就是說，我們的電路會將 220V 交流電源轉(zhuǎn)換為 5V，并提供高達(dá) 2A 的最大輸出電流。這個(gè)額定功率應(yīng)該足以為大多數(shù)在 5V 上運(yùn)行的電子產(chǎn)品供電。5V 2A SMPS 電路在電子產(chǎn)品中也很受歡迎，因?yàn)橛泻芏?a target="_blank">微控制器在 5V 上運(yùn)行。

該項(xiàng)目的想法是使構(gòu)建盡可能簡單，因此我們將在虛線板（穿孔板）上設(shè)計(jì)完整的電路，還將構(gòu)建我們自己的變壓器，以便任何人都可以復(fù)制此設(shè)計(jì)或構(gòu)建類似的設(shè)計(jì)。

5V 2A SMPS 電路 – 設(shè)計(jì)規(guī)范

不同種類的電源在不同的環(huán)境中表現(xiàn)不同。此外，SMPS 在特定的輸入輸出邊界中工作。在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)之前，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)?a target="_blank">規(guī)格分析。

輸入規(guī)格：

這將是AC 到 DC 轉(zhuǎn)換域中的 SMPS。因此，輸入將是交流電。對于輸入電壓值，最好使用 SMPS 的通用輸入額定值。因此，交流電壓將為 85-265VAC，額定頻率為 50Hz。這樣，SMPS 可以在任何國家/地區(qū)使用，無論其交流電源電壓值如何。

輸出規(guī)格：

輸出電壓選擇為 5V，額定電流為 2A。因此，它將是10W 輸出。由于此 SMPS 將提供恒定電壓而與負(fù)載電流無關(guān)，因此它將在 CV（恒定電壓）模式下工作。即使在輸出端的最大負(fù)載 （2A） 期間最低輸入電壓下，這個(gè) 5V 的輸出電壓也應(yīng)該是恒定和穩(wěn)定的。

非常希望好的電源單元具有小于 30mV pk-pk 的紋波電壓。該 SMPS 的目標(biāo)紋波電壓小于 30mV 峰峰值紋波。由于此 SMPS 將使用手工制作的開關(guān)變壓器內(nèi)置在 veroboard 中，因此我們可以預(yù)期紋波值會略高一些。這個(gè)問題可以通過使用 PCB 來避免。

保護(hù)功能：

有多種保護(hù)電路可用于 SMPS 以實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行。保護(hù)電路保護(hù) SMPS 以及相關(guān)的負(fù)載。根據(jù)類型，保護(hù)電路可以跨輸入或跨輸出連接。

對于此 SMPS，將使用輸入浪涌保護(hù)，最大工作輸入電壓為 275VAC。此外，為了處理 EMI 問題，將使用共模濾波器來消除產(chǎn)生的 EMI。在輸出端，我們將包括短路保護(hù)、過壓保護(hù)和過流保護(hù)。

電源管理IC的選擇

每個(gè) SMPS 電路都需要一個(gè)電源管理 IC，也稱為開關(guān) IC 或 SMPS IC 或干燥器 IC。讓我們總結(jié)一下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以選擇適合我們設(shè)計(jì)的理想電源管理 IC。我們的設(shè)計(jì)要求是

10W輸出。5V 2A 滿載。

通用輸入額定值。85-265VAC，50Hz

輸入浪涌保護(hù)。最大輸入電壓 275VAC。

輸出短路、過壓、過流保護(hù)。

恒壓操作。

根據(jù)上述要求，可供選擇的 IC 范圍很廣，但對于這個(gè)項(xiàng)目，我們選擇了 Power integration。Power integration 是一家半導(dǎo)體公司，擁有各種功率輸出范圍內(nèi)的各種功率驅(qū)動器 IC。根據(jù)要求和可用性，我們決定使用 微型開關(guān) II 系列的 TNY268PN。我們之前曾使用此 IC 在 PCB 上構(gòu)建12V SMPS 電路。

在上圖中，顯示了最大功率 15W。但是，我們將在開放式框架中制作 SMPS，并用于通用輸入額定值。在這樣的細(xì)分市場中，TNY268PN 可以提供 15W 的輸出。讓我們看看引腳圖。

設(shè)計(jì) 5v 2Amp SMPS 電路

構(gòu)建5V 2A SMPS 原理圖的最佳方法是使用 Power integration 的 PI 專家軟件。下載 PI 專家軟件并使用 8.6 版。是一款優(yōu)秀的電源設(shè)計(jì)軟件。下面顯示的電路是使用 Power Integration 的 PI 專家軟件構(gòu)建的。如果您不熟悉此軟件，您可以參考此12V SMPS 電路的設(shè)計(jì)部分以了解如何使用該軟件。

在直接開始構(gòu)建原型部件之前，讓我們先了解一下 5v 2A SMPS 電路圖 及其操作。

該電路具有以下部分-

輸入浪涌和 SMPS 故障保護(hù)

AC-DC 轉(zhuǎn)換

PI 過濾器

驅(qū)動電路或開關(guān)電路

欠壓鎖定保護(hù)。

鉗位電路。

磁性和電流隔離。

EMI濾波器

次級整流器和緩沖電路

過濾器部分

反饋部分。

輸入浪涌和開關(guān)電源故障保護(hù)：

本節(jié)由 F1 和 RV1 兩個(gè)組件組成。F1 是 1A 250VAC 慢 熔保險(xiǎn)絲 ，RV1 是 7mm 275V MOV（金屬氧化物壓敏電阻）。在高壓浪涌（超過 275VAC）期間，MOV 短路并燒斷輸入保險(xiǎn)絲。然而，由于慢熔特性，保險(xiǎn)絲可以承受 通過 SMPS 的浪涌電流。

交直流轉(zhuǎn)換：

該部分由二極管電橋控制。這四個(gè)二極管（DB107 內(nèi)部）構(gòu)成一個(gè) 全橋整流器。二極管是 1N4006，但標(biāo)準(zhǔn)的 1N4007 可以完美地完成這項(xiàng)工作。在這個(gè)項(xiàng)目中，這四個(gè)二極管被一個(gè)全橋整流器 DB107 取代。

PI過濾器：

不同的州有不同的 EMI 抑制標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì) 符合 EN61000-Class 3 標(biāo)準(zhǔn) ，并且 PI 濾波器的設(shè)計(jì)方式可降低 共模 EMI 抑制。此部分是使用 C1、C2 和 L1 創(chuàng)建的。C1和C2是400V 18uF電容。這是一個(gè)奇數(shù)值，因此為此應(yīng)用選擇了 22uF 400V。L1 是一個(gè)共模扼流圈，它采用差分 EMI 信號來抵消兩者。

驅(qū)動電路或開關(guān)電路：

它是 SMPS 的核心。變壓器的初級 側(cè)由開關(guān)電路 TNY268PN 控制。開關(guān)頻率為120-132khz。由于這種 高開關(guān)頻率，可以使用更小的變壓器。開關(guān)電路有兩個(gè)元件，U1和C3。U1是主驅(qū)動IC TNY268PN。C3是 我們驅(qū)動IC工作所需的旁路電容。

欠壓鎖定保護(hù)：

欠壓鎖定保護(hù)由檢測電阻 R1 和 R2 完成。它在 SMPS 進(jìn)入自動重啟模式并檢測線路電壓時(shí)使用。R1 和 R2 的值是通過PI Expert 工具生成的。串聯(lián)兩個(gè)電阻器是一種安全措施，也是避免電阻器故障問題的良好做法。因此，串聯(lián)使用兩個(gè) 1M 電阻而不是 2M。

鉗位電路：

D1和D2是鉗位電路。D1 是 TVS 二極管 ，D2 是 超快恢復(fù)二極管。變壓器在功率驅(qū)動器 IC TNY268PN 上充當(dāng)一個(gè)巨大的電感器。因此，在開關(guān)關(guān)閉周期期間，變壓器會 由于變壓器的 漏感而產(chǎn)生高壓尖峰 。這些高頻電壓尖峰被變壓器兩端的 二極管鉗位抑制 。選擇 UF4007 是因?yàn)槠浠謴?fù)速度超快，而選擇 P6KE200A 進(jìn)行 TVS 操作。根據(jù)設(shè)計(jì)，目標(biāo)鉗位電壓 （VCLAMP） 為 200V。因此，選擇了P6KE200A，針對超快阻塞相關(guān)問題，選擇了UF4007作為D2。

磁性和電流隔離：

該變壓器是一種鐵磁變壓器，它不僅將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電，還提供電流隔離。

EMI濾波器：

EMI 濾波由 C4 電容完成。它增加了電路的抗擾度以減少高EMI干擾。它是Y級電容器，額定電壓為2kV。

次級整流器和緩沖電路：

變壓器的輸出通過肖特基整流二極管D6 進(jìn)行整流并轉(zhuǎn)換為直流電 。D6 上的 緩沖電路 可抑制開關(guān)操作期間的電壓瞬變。緩沖電路由一個(gè)電阻和一個(gè)電容、R3和C5組成。

過濾器部分：

濾波部分由濾波電容C6組成。它是一種低 ESR 電容器，可提供更好的紋波抑制。此外，使用 L2 和 C7 的 LC 濾波器可提供更好的輸出紋波抑制。

反饋部分：

輸出電壓由 U3 TL431 和 R6 和 R7 感測。在感測線路 U2 后， 光耦合器 受到控制，并將次級反饋感測部分與初級側(cè)控制器電流隔離。光耦合器內(nèi)部有一個(gè)晶體管和一個(gè) LED。通過控制LED，控制晶體管。由于通信是通過光進(jìn)行的，它沒有直接的電氣連接，因此也滿足了反饋電路上的電流隔離。

現(xiàn)在，由于 LED 直接控制晶體管，通過在光耦 LED 上提供足夠的偏置，可以控制光耦晶體管，更具體地說是驅(qū)動電路。該控制系統(tǒng)由 TL431 采用。分流穩(wěn)壓器。由于分流穩(wěn)壓器在其參考引腳上有一個(gè)電阻分壓器，因此它可以控制連接在其上的光耦合器 LED。反饋引腳的參考電壓為 2.5V。因此，只有當(dāng)分壓器兩端的電壓足夠時(shí)，TL431 才能激活。在我們的例子中，分壓器設(shè)置為 5V 的值。因此，當(dāng)輸出達(dá)到 5V 時(shí)，TL431 在參考引腳上獲得 2.5V，從而激活光耦合器的 LED，該 LED 控制光耦合器的晶體管并間接控制 TNY268PN。如果輸出兩端的電壓不足，則開關(guān)周期立即暫停。

首先，TNY268PN 激活第一個(gè)開關(guān)周期，然后檢測其 EN 引腳。如果一切正常，它會繼續(xù)切換，如果沒有，它會過一段時(shí)間再試一次。這個(gè)循環(huán)一直持續(xù)到一切正常，從而防止短路或過壓問題。這就是它被稱為反激拓?fù)涞脑?，因?yàn)檩敵鲭妷簳骰仳?qū)動器以進(jìn)行相關(guān)操作。此外，嘗試循環(huán)被稱為故障條件下的打嗝操作模式。

D3 是 肖特基勢壘二極管。該二極管將高頻交流輸出轉(zhuǎn)換為直流。選擇 3A 60V 肖特基二極管以確?？煽窟\(yùn)行。R4 和 R5 由 PI 專家選擇和計(jì)算。它創(chuàng)建一個(gè) 分壓器 并將電流從 TL431 傳遞到光耦合器 LED。

R6 和 R7 是一個(gè)簡單的分壓器，由公式 TL431 REF 電壓 = （Vout x R7） / R6 + R7計(jì)算得出。參考電壓為 2.5V，Vout 為 12V。通過選擇 R6 23.7k 的值，R7 大約變?yōu)?9.09k。

為我們的 SMPS 電路構(gòu)建開關(guān)變壓器

通常對于 SMPS 電路，需要一個(gè)開關(guān)變壓器，這些變壓器可以根據(jù)您的設(shè)計(jì)要求從變壓器制造商處采購。但這里的問題是，如果您學(xué)習(xí)構(gòu)建原型的知識，您將無法找到適合您設(shè)計(jì)的現(xiàn)成變壓器。因此，我們將學(xué)習(xí)如何根據(jù)我們的 PI 專家軟件給出的設(shè)計(jì)要求來構(gòu)建開關(guān)變壓器。

讓我們看看生成的變壓器構(gòu)造圖。

如上圖所示，我們需要在初級側(cè)執(zhí)行 103 匝單根 32 AWG 線，在次級側(cè)執(zhí)行 5 匝 25 AWG 線。

在上圖中，繞組的起點(diǎn)和繞組的方向被描述為機(jī)械圖。要制作這個(gè)變壓器，需要以下東西 -

EE19 芯，NC-2H 或同等規(guī)格，間隙用于 ALG 79 nH/T 2

初級側(cè)和次級側(cè)有 5 個(gè)引腳的骨架。

厚度為 1 mil 的阻隔膠帶。需要 9 毫米寬的膠帶。

32 AWG 可焊接涂層漆包銅線。

25AWG 可焊接涂層漆包銅線。

LCR 儀表。

需要 EE19 磁芯，NC-2H，磁芯間隙為 79nH/T2；通常，它是成對使用的。線軸是具有 4 個(gè)初級和 5 個(gè)次級引腳的通用線軸。但是，這里使用的是兩側(cè)有 5 個(gè)針腳的線軸。

對于阻隔膠帶，使用基部厚度超過 1 mil（通常為 2 mil）的標(biāo)準(zhǔn)管道膠帶。在與攻絲相關(guān)的活動中，使用剪刀將膠帶切割成完美的寬度。銅線是從舊變壓器中采購的，也可以從當(dāng)?shù)厣痰曩徺I。我正在使用的芯線和線軸如下所示

步驟 1：在初級側(cè)的第 1 和第 5 引腳添加焊料。在引腳 5 處焊接 32 AWG 線，繞線方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。一直到103轉(zhuǎn)如下圖

這形成了我們變壓器的初級側(cè)，一旦完成 103 匝繞組，我的變壓器如下所示。

第2步：使用膠帶進(jìn)行絕緣，需要3圈膠帶。它還有助于將線圈保持在適當(dāng)位置。

第 3 步：從引腳 9 和 10 開始次級繞組。次級側(cè)使用兩股 25AWG 漆包銅線制成。將一根銅線焊接到管腳 9 上，另一根銅線焊接到管腳 10 上。繞線方向再次為順時(shí)針方向。繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 5 圈并將末端焊接在引腳 5 和 6 上。通過與之前相同的管道膠帶添加絕緣膠帶。

一旦初級和次級繞組都完成并使用膠帶，我的變壓器如下圖所示

第 4 步：現(xiàn)在我們可以使用膠帶將兩個(gè)鐵芯緊緊固定。完成后，完成的變壓器應(yīng)如下所示。

第5步：還要確保并排纏繞膠帶。這將減少高密度磁通傳輸過程中的振動。

完成上述步驟后，使用 LCR 表對變壓器進(jìn)行測試，如下圖所示。儀表顯示 1.125 mH 或 1125 uh 電感。

構(gòu)建 SMPS 電路：

變壓器準(zhǔn)備好后，我們可以繼續(xù)在虛板上組裝其他組件。一旦組件被焊接，我的電路板看起來像這樣。

測試 5V 2A SMPS 電路

為了測試電路，我通過 VARIAC 將輸入側(cè)連接到電源，以控制輸入交流電源電壓。85VAC 和 230VAC 的輸出電壓如下圖所示 -

正如您在這兩種情況下看到的，輸出電壓都保持在 5V。但后來我將輸出連接到我的示波器并檢查波紋。紋波測量如下所示

輸出紋波相當(dāng)高，顯示150mV pk-pk紋波輸出。這對于電源電路來說是完全不利的。根據(jù)分析，高紋波是由于以下因素造成的 -

PCB設(shè)計(jì)不當(dāng)。

地彈問題。

PCB散熱片不當(dāng)。

在嘈雜的電源線上沒有切斷。

由于手動纏繞，變壓器的公差增加。變壓器制造商在機(jī)器繞組期間涂上浸漆，以提高變壓器的穩(wěn)定性。

如果將電路轉(zhuǎn)換為合適的 PCB，即使使用手動繞組變壓器，我們也可以預(yù)期電源的紋波輸出在 50mV pk-pk 以內(nèi)。然而，由于 veroboard 不是在 AC 到 DC 域中制作開關(guān)模式電源的安全選擇，因此不斷建議在實(shí)際場景中應(yīng)用高壓電路之前必須建立適當(dāng)?shù)?PCB。