如何设计5V 2A SMPS电源电路

电源单元(PSU)是任何电子产品设计的重要组成部分。大多数家用电子产品，如移动充电器、蓝牙扬声器、充电宝、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直流电源电路，额定功率为10W。也就是说，我们的电路将把220V的交流电源转换为5V，并提供最大输出电流达2A。这个额定功率应该足以为大多数以5V电压运行的电子产品供电。此外，5V 2A SMPS电路在电子产品中非常受欢迎，因为有很多微控制器在5V上运行。

该项目的想法是保持尽可能简单的构建，因此我们将在一个点状板(穿孔板)上设计完整的电路，并且还将构建我们自己的变压器，以便任何人都可以复制这个设计或构建类似的。兴奋吧!让我们开始吧。以前我们还使用PCB构建了一个12V 15W SMPS电路，因此对如何为PSU项目(电源单元)设计PCB感兴趣的人也可以检查。

5V 2A SMPS电路-设计规范

不同种类的电源在不同的环境下表现不同。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，需要执行适当的规范分析。

输入规格:

这将是一个交流到直流转换域的SMPS。因此，输入将是交流的。对于输入电压值，最好使用SMPS的通用输入额定值。因此，交流电压为85-265VAC，额定50Hz。这样，SMPS可以在任何国家使用，而不管他们的交流电源电压值。

输出规范:

输出电压选择5V，额定电流2A。因此，它将是10W输出。由于无论负载电流如何，该SMPS都将提供恒定电压，因此它将在CV(恒定电压)模式下工作。即使在输出端最大负载(2A)期间的最低输入电压下，5V的输出电压也应该是恒定和稳定的。

人们非常希望一个好的电源单元的纹波电压小于30mV pk-pk。该SMPS的目标纹波电压峰值纹波小于30mV。由于该SMPS将使用手工开关变压器在veroboard中构建，我们可以预期波纹值略高。这个问题可以通过使用PCB来避免。

保护功能:

SMPS中有各种各样的保护电路，可以用于安全可靠的操作。保护电路保护SMPS以及相关负载。根据类型的不同，保护电路可以跨输入或跨输出连接。

对于该SMPS，输入浪涌保护将在最大工作输入电压为275VAC时使用。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或德里亚IC。让我们总结设计考虑因素，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

1.10 w的输出。5V 2A满载时。

2.通用输入额定。85-265VAC, 50Hz

3.输入防雷保护。最大输入电压275VAC。

4.输出短路、过压、过流保护。

5.恒压操作。

从上述要求中有广泛的ic可供选择，但对于这个项目，我们选择了电源集成。功率集成是一家半导体公司，拥有各种功率输出范围的各种功率驱动ic。根据需求和可用性，我们决定使用微型开关II系列的TNY268PN。我们以前曾使用此IC在PCB上构建12V SMPS电路。

在上图中，最大功率为15W。然而，我们将使SMPS在开放帧和通用输入额定值。在此段中，TNY268PN可提供15W输出。让我们看看引脚图。

5v 2Amp SMPS电路的设计

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，使用8.6版本。是一款优秀的电源设计软件。下面所示的电路是使用Power Integration的PI专家软件构建的。如果您是这个软件的新手，您可以参考这个12V SMPS电路的设计部分来了解如何使用该软件。

在直接构建原型部分之前，让我们探索5v 2A SMPS电道图及其操作。

电路有以下几个部分-

•输入浪涌和SMPS故障保护

•交直流转换

•π过滤器

•驱动电路或开关电路

•欠压闭锁保护。

•钳位电路。

•磁学和电流隔离。

•EMI滤波器

•二次整流器和缓冲电路

•过滤部分

•反馈部分。

输入浪涌和SMPS故障保护：

本节由F1和RV1两部分组成。F1是1A 250VAC慢熔保险丝，RV1是7mm 275V MOV(金属氧化物压敏电阻)。在高压浪涌期间(超过275VAC)， MOV变得死短并击穿输入保险丝。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:

这部分由二极管桥控制。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。

π过滤器:

不同的州有不同的电磁干扰抑制标准。本设计符合en61000 3类标准，PI滤波器设计以降低共模EMI抑制。本节是使用C1、C2和L1创建的。C1和C2是400V 18uF电容器。这是一个奇数值，所以22uF 400V选择用于此应用。L1是一个共模扼流圈，需要差分EMI信号来抵消两者。

驱动电路或开关电路：

它是SMPS的核心。变压器一次侧由开关电路TNY268PN控制。开关频率为120-132khz。由于这种高开关频率，可以使用较小的变压器。开关电路由U1和C3两部分组成。U1是主要驱动IC TNY268PN。C3是我们的驱动IC工作所需的旁路电容器。

欠压闭锁保护：

欠压闭锁保护由感测电阻R1和R2完成。当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。两个电阻串联是一种安全措施，也是避免电阻失效问题的良好做法。因此，在串联中使用两个1M电阻而不是2M电阻。

钳位电路:

D1和D2为箝位电路。D1是TVS二极管，D2是超快速恢复二极管。变压器在功率驱动IC TNY268PN上充当巨大的电感器。因此，在开断周期期间，由于变压器的漏感，变压器会产生高电压尖峰。这些高频电压尖峰被变压器上的二极管钳位抑制。由于恢复速度超快，选择了UF4007，电视机操作选择了P6KE200A。根据设计，目标箝位电压(VCLAMP)为200V。因此，我们选择P6KE200A，对于超快速阻塞的相关问题，我们选择UF4007作为D2。

磁学和电流隔离：

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，而且还提供电流隔离。

EMI滤波器:

电磁干扰滤波是由C4电容完成的。提高了电路的抗扰度，降低了高电磁干扰。y级电容器，额定电压为2kV。

二次整流和缓冲电路：

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。横跨D6的缓冲电路在开关操作期间提供电压瞬态抑制。缓冲电路由一个电阻和一个电容、R3和C5组成。

过滤部分:

所述滤波部分包括滤波电容器C6。它是一个低ESR电容更好的纹波抑制。此外，使用L2和C7的LC滤波器在输出端提供更好的纹波抑制。

反馈部分:

输出电压由U3 TL431和R6、R7检测。在感应到线路U2后，对光耦合器进行控制，并将次级反馈感应部分与主侧控制器进行电隔离。光耦合器内部有一个晶体管和一个LED。通过控制LED，可以控制晶体管。由于通信是通过光学进行的，因此没有直接的电连接，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，通过在光电耦合器LED上提供足够的偏置，可以控制光电耦合器晶体管，更具体地说是驱动电路。该控制系统采用TL431单片机。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，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，TL431只有在分压器上的电压足够时才能被激活。在我们的例子中，分压器被设置为5V的值。因此，当输出达到5V时，TL431通过参考引脚获得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。如果输出端的电压不足，则开关周期立即中止。

首先，TNY268PN激活开关的第一个周期，然后检测其EN引脚。如果一切正常，它将继续切换，如果不正常，它将在一段时间后再次尝试。这个循环一直持续到一切正常，从而防止短路或过电压问题。这就是为什么它被称为反激拓扑，因为输出电压被飞回驱动器的传感相关操作。同样，尝试循环也被称为故障条件下的hiccup操作模式。

D3是一个肖特基势垒二极管。这个二极管将高频交流输出转换成直流输出。选用3A 60V肖特基二极管，工作可靠。R4和R5由PI Expert选择和计算。它创建了一个分压器，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，计算公式TL431 REF电压= (Vout x R7) / R6 + R7。参考电压为2.5V， Vout为12V。选取R6的值为23.7k，则R7约为9.09k。

为我们的SMPS电路构建开关变压器

对于SMPS电路，通常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，如果你学习制作原型的知识，你就找不到适合你设计的现成变压器。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构建开关变压器。

让我们看看生成的变压器结构图。

如上图所示，我们需要在主侧使用单个32 AWG线103圈，在次侧使用两个25 AWG线5圈。

在上图中，绕组的起点和绕组的方向被描述为一个力学图。要制造这个变压器，需要下列东西

•EE19核心，NC-2H或同等规格，ALG 79 nH/T2的间隙

•在主侧和次侧用5个针筒子。

•阻隔带厚度为1密耳。需要9mm宽的胶带。

•32 AWG可焊包漆铜线。

•25AWG可焊包漆铜线。

•电感电容电阻测量计。

要求具有NC-2H的EE19芯，间隙芯为79nH/T2;一般来说，它是成对的。筒子是一个通用的一个有4个主要针和5个次要针。然而，这里线轴与5针在两侧使用。

对于屏障胶带，使用标准管道胶带，其基础厚度超过1mil(通常为2mil)。在敲击相关活动中，使用剪刀将胶带剪断以达到完美的宽度。铜线是从旧变压器采购的，也可以从当地商店购买。我正在使用的芯和线轴如下所示

第一步：在主侧的第1和第5引脚添加焊料。焊接32 AWG线在引脚5和绕线方向是顺时针。继续到103转，如下图所示

这形成了我们变压器的初级侧，一旦103匝绕组完成，我的变压器看起来像下面这样。

第二步：使用管道胶带绝缘，需要3圈管道胶带。它也有助于保持线圈的位置

第三步：从引脚9和引脚10启动次级绕组。二次侧使用两股25AWG漆包铜线制成。焊接一个铜线引脚9和另一个引脚10。绕线方向还是顺时针。继续到5转，焊接引脚5和6的结尾。使用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完成和管道胶带被使用，我的变压器看起来像如下所示

第四步：现在我们可以用管道胶带牢牢地固定两个核心。完成后，完成的变压器应该如下所示。

第五步：还要确保把管道胶带并排包裹起来。这将减少高密度通量传递过程中的振动。

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。

SMPS电路的构建：

一旦变压器准备好了，我们就可以继续在虚线板上组装其他组件。电路所需的零件详细信息可在下面的材料清单中找到

一旦组件焊接我的板看起来像这样。

测试5V 2A SMPS电路

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

正如您在这两个实例中看到的，输出电压保持在5V。但后来我把输出连接到我的瞄准镜上，检查是否有波纹。纹波测量如下所示

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

•PCB设计不当。

•地面弹跳问题。

•PCB散热器不正常。

•没有切断嘈杂的供电线路。

由于手动绕组，增加了变压器的公差。变压器制造商在机器绕组期间使用浸渍清漆，以提高变压器的稳定性。

如果将电路转换为适当的PCB，我们可以期望电源的纹波输出在50mV pk-pk内，即使使用手动绕组变压器。然而，由于veroboard并不是一个安全的选择，使开关模式电源在交直流域，它不断地被建议，在实际应用高压电路之前，必须建立适当的PCB。

本文编译自circuitdigest