如何设计5V 2A开关电源电路

电源设备单元（PSU）是任何电子产品设计中至关重要的一部分。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，都需要电源电路其可以将AC干线电源转换为5V DC以操作它们。在这个项目中，我们将建造一个类似的交流到直流电源电路额定功率为10W。这就是我们的电路将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运行5V的电子产品供电。而且5V 2A开关电源电路在电子产品中相当流行，因为有很多在5V下工作的微控制器。

 

该项目的理念是保持构建尽可能简单，因此我们将在虚线板（perf board）上设计完整的电路，并将构建我们自己的变压器，以便任何人都可以复制这种设计或构建类似的变压器。兴奋的右侧！所以让我们开始吧。之前我们还建造了12V 15W开关电源电路使用PCB，所以对如何为PSU项目（电源单元）设计PCB感兴趣的人也可以检查一下。

 

5V 2A开关电源电路——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。适当的规格分析需要在进行实际设计之前进行。

 

输入规格：

这将是一个SMPS交流到直流转换领域因此，输入将是AC。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。通过这种方式，SMPS可以在任何国家使用，而与它们的AC干线电压值无关。

 

输出规格：

输出电压选择为5V，额定电流为2A。因此10W输出由于该SMPS将提供恒定电压无论负载电流如何，它都将在CV（恒压）模式下工作。即使在输出端的最大负载（2A）期间处于最低输入电压，5V的输出电压也应该是恒定和稳定的。

非常希望一个好的电源单元具有纹波电压小于30mV pk-pk该SMPS的目标纹波电压小于30mV峰值-峰值纹波。由于此SMPS将使用手工开关变压器我们可以预期波纹值会稍高一些。这个问题可以通过使用PCB来避免。

 

保护功能： 

有各种各样的保护电路其可以在SMPS中用于安全和可靠的操作。保护电路保护SMPS以及相关联的负载。根据类型的不同，保护电路可以跨接输入或跨接输出。

对于该SMPS，输入浪涌保护将与275VAC的最大操作输入电压一起使用。此外，为了处理EMI问题共模滤波器将用于消隐所产生的EMI。在输出端，我们将包括短路保护,过电压保护和过电流保护.

 

电源管理IC的选择

每个SMPS电路都需要电源管理IC，也称为开关IC或SMPS IC或Drier IC。让我们总结一下设计注意事项，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. 10W输出。满负荷时为5V 2A。
2. 通用输入额定值。85-265伏交流电，50赫兹
3. 输入浪涌保护。最大输入电压275VAC。
4. 输出短路、过电压、过电流保护。
5. 恒压操作。

 

从上述要求中可以选择各种IC，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功率驱动器IC。根据需求和可用性，我们决定使用来自小型交换机II系列的TNY268PN。我们之前曾使用此IC构建12V开关电源电路在PCB上。

 

在上面的图像中，显示了最大功率15W。然而，我们将在开放框架中制作SMPS，并用于通用输入额定值。在这样的段中，TNY268PN可以提供15W的输出。让我们看看引脚图。

 

5v 2Amp开关电源电路的设计

构建5V 2A开关电源示意图是使用Power integration的PI专家软件。下载PI专家软件并使用版本8.6。这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。如果你是这个软件的新手，你可以参考这个软件的设计部分12V开关电源电路了解如何使用该软件。

 

在直接构建原型部件之前，让我们先探讨5v 2A开关电源电路图及其操作。

电路有以下部分-

1. 输入浪涌和开关电源故障保护
2. 交直流转换
3. PI滤波器
4. 驱动器电路或开关电路
5. 欠压锁定保护。
6. 箝位电路。
7. 磁性和电流隔离。
8. EMI滤波器
9. 次级整流器和缓冲电路
10. 过滤器部分
11. 反馈部分。

 

输入浪涌和开关电源故障保护:

本节由F1和RV1两个部件组成。F1为1A 250VAC慢速熔断保险丝RV1是一个7mm 275V MOV(金属氧化物可变电阻). 在高电压浪涌（超过275VAC）期间，MOV发生短路并熔断输入保险丝。然而，由于熔断缓慢，保险丝可以承受浪涌电流通过SMPS。

 

交直流转换:

此部分由二极管电桥控制。这四个二极管（DB107内部）构成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所取代。

 

PI滤波器:

不同的州有不同的EMI抑制标准。此设计证实EN61000 3级标准并且以这样的方式设计PI滤波器，以减少共模EMI抑制。此部分是使用C1、C2和L1创建的。C1和C2为400V 18uF电容器。这是一个奇数值，因此选择22uF 400V用于此应用。L1是一个共模扼流器，它采用差分EMI信号来抵消两者。

 

驱动器电路或开关电路:

它是SMPS的核心。这个变压器的初级侧由开关电路TNY268PN控制。开关频率为120-132khz。因此高开关频率，可以使用较小的变压器。开关电路有两个部件，U1和C3。U1是主驱动器IC TNY268PN。C3是旁路电容器这是我们的驱动器IC工作所需要的。

 

欠压闭锁保护:

欠电压锁定保护由感测电阻器R1和R2完成。当SMPS进入自动重启模式并感测线路电压时使用。R1和R2的值通过PI专家工具二串联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，在串联中使用了两个1M的电阻器，而不是2M。

 

箝位电路:

D1和D2是箝位电路。D1是暂态电压抑制二极体并且D2是一种超快速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，在关断循环期间，变压器产生高电压尖峰由于漏电感变压器。这些高频电压尖峰由二极管箝位变压器两端。UF4007因其超快速恢复而被选中，P6KE200A被选中用于TVS操作。根据设计，目标箝位电压（VCLAMP）为200V。因此，选择P6KE200A，对于超快阻塞相关问题，选择UF4007作为D2。

 

磁性和电流隔离:

变压器是铁磁变压器，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:

EMI滤波由C4电容器完成。它增加了电路的抗扰度，以减少高EMI干扰。这是一个Y级电容器额定电压为2kV。

 

次级整流器和缓冲电路:

变压器的输出被整流，并使用D6肖特基整流二极管这个缓冲电路D6两端提供了对开关操作期间的电压瞬态的抑制。缓冲电路由一个电阻器和一个电容器R3和C5组成。

 

过滤器部分:

滤波器部分由滤波电容器C6组成。它是一种低ESR电容器，可更好地抑制纹波。此外，使用L2和C7的LC滤波器在输出端提供了更好的纹波抑制。

 

反馈部分:

输出电压由U3 TL431以及R6和R7感测。在感测到线路U2之后光耦合器并将次级反馈感测部分与初级侧控制器电隔离。光电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方式完成的，因此它没有直接的电连接，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，可以控制光耦晶体管，更具体地说是驱动器电路。TL431采用了这种控制系统。并联调节器。由于并联调节器的参考引脚两端有一个电阻分压器，因此它可以控制连接在其两端的光耦led。反馈引脚有一个参考电压2.5V因此，只有当分压器两端的电压足够时，TL431才能被激活。在我们的案例中分压器被设置为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够，则立即暂停开关循环。

 

首先，TNY268PN激活第一个开关周期，然后感测其EN引脚。如果一切正常，它将继续切换，如果不正常，它会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，因为输出电压被流回驱动器用于感测相关操作。此外，在故障条件下，尝试循环被称为打嗝操作模式。

 

D3是一个肖特基势垒二极管该二极管将高频AC输出转换为DC。选择3A 60V肖特基二极管以实现可靠的工作。R4和R5由PI专家进行选择和计算。它创建了一个分压器并且将电流从TL431传递到光耦合器LED。

R6和R7是通过公式TL431计算的简单分压器REF电压=（Vout x R7）/R6+R7参考电压为2.5V，而Vout为12V。通过选择R6 23.7k的值，R7大约变为9.09k。

 

为SMPS电路构建开关变压器

通常，SMPS电路需要开关变压器，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，如果你学习建造原型的东西，你就无法从货架上找到适合你设计的确切变压器。所以我们会学习如何制作开关变压器基于我们的PI专家软件给出的设计要求。

 

让我们看看生成的变压器结构图。

如上图所示，我们需要在初级侧执行103圈单32 AWG导线，在次级侧执行5圈两条25 AWG导线。

 

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-

1. EE19核心，NC-2H或同等规格，并为ALG 79 nH/T提供间隙^2.
2. 一次侧和二次侧有5个引脚的Bobbin。
3. 1密耳厚度的阻隔胶带。需要9mm宽的胶带。
4. 32 AWG可焊接涂层漆包铜线。
5. 25AWG可焊接涂层漆包铜线。
6. LCR仪表。

 

EE19芯需要具有79nH/T2的带隙芯的NC-2H；一般来说，它是成对提供的。线轴是一种普通的线轴，有4个初级引脚和5个次级引脚。然而，这里使用的是两侧各有5个引脚的线轴。

 

对于屏障胶带，使用基底厚度大于1密耳（通常为2密耳）的标准管道胶带。在与敲击相关的活动中，剪刀被用来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。我正在使用的机芯和线轴如下所示

 

步骤1：在初级侧的第1个和第5个引脚中添加焊料。将32 AWG导线焊接在引脚5上，缠绕方向为顺时针方向。如下图所示，继续到103圈

 

 

这形成了我们变压器的初级侧，一旦103匝绕组完成，我的变压器如下所示。

 

 

第2步：使用胶带进行绝缘，需要3圈胶带。这也有助于保持线圈的位置。

 

 

步骤3：从引脚9和10启动次级绕组。二次侧采用两股25AWG漆包铜线制成。将一根铜线焊接到引脚9上，将另一根铜线焊到引脚10上。缠绕方向再次为顺时针方向。继续旋转5圈，然后焊接引脚5和6上的末端。通过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都完成了，并且使用了胶带，我的变压器看起来如下所示

 

步骤4：现在我们可以用胶带将两个磁芯紧紧固定。完成后，完成的变压器应该如下所示。

 

步骤5：还要确保将风管胶带并排缠绕。这将减少高密度通量传输过程中的振动。

 

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

 

构建SMPS电路：

一旦变压器准备好，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以下材料清单中找到

• 5V 2A SMPS电路的BOM零件详细信息

一旦组件被焊接好，我的电路板看起来就像这样。

 

测试5V 2A SMPS电路

为了测试电路，我通过VARIAC将输入侧连接到市电电源，以控制输入交流市电电压。85VAC和230VAC的输出电压如下所示-

 

正如您在这两种情况下看到的那样，输出电压都保持在5V。但随后我将输出连接到我的示波器，并检查是否有波纹。波纹测量值如下所示

 

输出纹波相当高，显示出150mV的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-

1. PCB设计不当。
2. 地面弹跳问题。
3. PCB散热器不正确。
4. 噪音较大的电源线上没有断路器。
5. 手动绕组增加了变压器的公差。变压器制造商在机器绕组上涂上浸漆，以提高变压器的稳定性。

 

如果电路被转换为合适的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不是在交流到直流域中制造开关模式电源的安全选择，因此不断有人建议，在实际应用高压电路之前，必须建立适当的PCB。您可以查看视频在本页末尾，检查电路在负载条件下的性能。

 

希望您理解本教程，并学会如何用手工制作的变压器构建自己的SMPS电路。如果您有任何问题，请在下面的评论部分留言，或使用我们的论坛了解更多问题。