電源單元(PSU)是任何電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要組成部分。大多數(shù)家用電子產(chǎn)品，如移動(dòng)充電器、藍(lán)牙揚(yáng)聲器、充電寶、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)類似的交流直流電源電路，額定功率為10W。也就是說，我們的電路將把220V的交流電源轉(zhuǎn)換為5V，并提供最大輸出電流達(dá)2A。這個(gè)額定功率應(yīng)該足以為大多數(shù)以5V電壓運(yùn)行的電子產(chǎn)品供電。此外，5V 2A SMPS電路在電子產(chǎn)品中非常受歡迎，因?yàn)橛泻芏辔⒖刂破髟?V上運(yùn)行。

該項(xiàng)目的想法是保持盡可能簡(jiǎn)單的構(gòu)建，因此我們將在一個(gè)點(diǎn)狀板(穿孔板)上設(shè)計(jì)完整的電路，并且還將構(gòu)建我們自己的變壓器，以便任何人都可以復(fù)制這個(gè)設(shè)計(jì)或構(gòu)建類似的。興奮吧!讓我們開始吧。以前我們還使用PCB構(gòu)建了一個(gè)12V 15W SMPS電路，因此對(duì)如何為PSU項(xiàng)目(電源單元)設(shè)計(jì)PCB感興趣的人也可以檢查。

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)境下表現(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，需要執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊?guī)范分析。

輸入規(guī)格:

這將是一個(gè)交流到直流轉(zhuǎn)換域的SMPS。因此，輸入將是交流的。對(duì)于輸入電壓值，最好使用SMPS的通用輸入額定值。因此，交流電壓為85-265VAC，額定50Hz。這樣，SMPS可以在任何國家使用，而不管他們的交流電源電壓值。

輸出規(guī)范:

輸出電壓選擇5V，額定電流2A。因此，它將是10W輸出。由于無論負(fù)載電流如何，該SMPS都將提供恒定電壓，因此它將在CV(恒定電壓)模式下工作。即使在輸出端最大負(fù)載(2A)期間的最低輸入電壓下，5V的輸出電壓也應(yīng)該是恒定和穩(wěn)定的。

人們非常希望一個(gè)好的電源單元的紋波電壓小于30mV pk-pk。該SMPS的目標(biāo)紋波電壓峰值紋波小于30mV。由于該SMPS將使用手工開關(guān)變壓器在veroboard中構(gòu)建，我們可以預(yù)期波紋值略高。這個(gè)問題可以通過使用PCB來避免。

保護(hù)功能:

SMPS中有各種各樣的保護(hù)電路，可以用于安全可靠的操作。保護(hù)電路保護(hù)SMPS以及相關(guān)負(fù)載。根據(jù)類型的不同，保護(hù)電路可以跨輸入或跨輸出連接。

對(duì)于該SMPS，輸入浪涌保護(hù)將在最大工作輸入電壓為275VAC時(shí)使用。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或德里亞IC。讓我們總結(jié)設(shè)計(jì)考慮因素，以選擇適合我們?cè)O(shè)計(jì)的理想電源管理IC。我們的設(shè)計(jì)要求是

1.10 w的輸出。5V 2A滿載時(shí)。

2.通用輸入額定。85-265VAC, 50Hz

3.輸入防雷保護(hù)。最大輸入電壓275VAC。

4.輸出短路、過壓、過流保護(hù)。

5.恒壓操作。

從上述要求中有廣泛的ic可供選擇，但對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們選擇了電源集成。功率集成是一家半導(dǎo)體公司，擁有各種功率輸出范圍的各種功率驅(qū)動(dòng)ic。根據(jù)需求和可用性，我們決定使用微型開關(guān)II系列的TNY268PN。我們以前曾使用此IC在PCB上構(gòu)建12V SMPS電路。

在上圖中，最大功率為15W。然而，我們將使SMPS在開放幀和通用輸入額定值。在此段中，TNY268PN可提供15W輸出。讓我們看看引腳圖。

5v 2Amp SMPS電路的設(shè)計(jì)

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，使用8.6版本。是一款優(yōu)秀的電源設(shè)計(jì)軟件。下面所示的電路是使用Power Integration的PI專家軟件構(gòu)建的。如果您是這個(gè)軟件的新手，您可以參考這個(gè)12V SMPS電路的設(shè)計(jì)部分來了解如何使用該軟件。

在直接構(gòu)建原型部分之前，讓我們探索5v 2A SMPS電道圖及其操作。

電路有以下幾個(gè)部分-

?輸入浪涌和SMPS故障保護(hù)

?交直流轉(zhuǎn)換

?π過濾器

?驅(qū)動(dòng)電路或開關(guān)電路

?欠壓閉鎖保護(hù)。

?鉗位電路。

?磁學(xué)和電流隔離。

?EMI濾波器

?二次整流器和緩沖電路

?過濾部分

?反饋部分。

輸入浪涌和SMPS故障保護(hù)：

本節(jié)由F1和RV1兩部分組成。F1是1A 250VAC慢熔保險(xiǎn)絲，RV1是7mm 275V MOV(金屬氧化物壓敏電阻)。在高壓浪涌期間(超過275VAC)， MOV變得死短并擊穿輸入保險(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:

這部分由二極管橋控制。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。

π過濾器:

不同的州有不同的電磁干擾抑制標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)符合en61000 3類標(biāo)準(zhǔn)，PI濾波器設(shè)計(jì)以降低共模EMI抑制。本節(jié)是使用C1、C2和L1創(chuàng)建的。C1和C2是400V 18uF電容器。這是一個(gè)奇數(shù)值，所以22uF 400V選擇用于此應(yīng)用。L1是一個(gè)共模扼流圈，需要差分EMI信號(hào)來抵消兩者。

驅(qū)動(dòng)電路或開關(guān)電路：

它是SMPS的核心。變壓器一次側(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，可以使用較小的變壓器。開關(guān)電路由U1和C3兩部分組成。U1是主要驅(qū)動(dòng)IC TNY268PN。C3是我們的驅(qū)動(dòng)IC工作所需的旁路電容器。

欠壓閉鎖保護(hù)：

欠壓閉鎖保護(hù)由感測(cè)電阻R1和R2完成。當(dāng)SMPS進(jìn)入自動(dòng)重啟模式并檢測(cè)線路電壓時(shí)使用。R1和R2的值是通過PI Expert工具生成的。兩個(gè)電阻串聯(lián)是一種安全措施，也是避免電阻失效問題的良好做法。因此，在串聯(lián)中使用兩個(gè)1M電阻而不是2M電阻。

鉗位電路:

D1和D2為箝位電路。D1是TVS二極管，D2是超快速恢復(fù)二極管。變壓器在功率驅(qū)動(dòng)IC TNY268PN上充當(dāng)巨大的電感器。因此，在開斷周期期間，由于變壓器的漏感，變壓器會(huì)產(chǎn)生高電壓尖峰。這些高頻電壓尖峰被變壓器上的二極管鉗位抑制。由于恢復(fù)速度超快，選擇了UF4007，電視機(jī)操作選擇了P6KE200A。根據(jù)設(shè)計(jì)，目標(biāo)箝位電壓(VCLAMP)為200V。因此，我們選擇P6KE200A，對(duì)于超快速阻塞的相關(guān)問題，我們選擇UF4007作為D2。

磁學(xué)和電流隔離：

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，而且還提供電流隔離。

EMI濾波器:

電磁干擾濾波是由C4電容完成的。提高了電路的抗擾度，降低了高電磁干擾。y級(jí)電容器，額定電壓為2kV。

二次整流和緩沖電路：

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。橫跨D6的緩沖電路在開關(guān)操作期間提供電壓瞬態(tài)抑制。緩沖電路由一個(gè)電阻和一個(gè)電容、R3和C5組成。

過濾部分:

所述濾波部分包括濾波電容器C6。它是一個(gè)低ESR電容更好的紋波抑制。此外，使用L2和C7的LC濾波器在輸出端提供更好的紋波抑制。

反饋部分:

輸出電壓由U3 TL431和R6、R7檢測(cè)。在感應(yīng)到線路U2后，對(duì)光耦合器進(jìn)行控制，并將次級(jí)反饋感應(yīng)部分與主側(cè)控制器進(jìn)行電隔離。光耦合器內(nèi)部有一個(gè)晶體管和一個(gè)LED。通過控制LED，可以控制晶體管。由于通信是通過光學(xué)進(jìn)行的，因此沒有直接的電連接，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，通過在光電耦合器LED上提供足夠的偏置，可以控制光電耦合器晶體管，更具體地說是驅(qū)動(dòng)電路。該控制系統(tǒng)采用TL431單片機(jī)。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，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，TL431只有在分壓器上的電壓足夠時(shí)才能被激活。在我們的例子中，分壓器被設(shè)置為5V的值。因此，當(dāng)輸出達(dá)到5V時(shí)，TL431通過參考引腳獲得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。如果輸出端的電壓不足，則開關(guān)周期立即中止。

首先，TNY268PN激活開關(guān)的第一個(gè)周期，然后檢測(cè)其EN引腳。如果一切正常，它將繼續(xù)切換，如果不正常，它將在一段時(shí)間后再次嘗試。這個(gè)循環(huán)一直持續(xù)到一切正常，從而防止短路或過電壓?jiǎn)栴}。這就是為什么它被稱為反激拓?fù)?，因?yàn)檩敵鲭妷罕伙w回驅(qū)動(dòng)器的傳感相關(guān)操作。同樣，嘗試循環(huán)也被稱為故障條件下的hiccup操作模式。

D3是一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管。這個(gè)二極管將高頻交流輸出轉(zhuǎn)換成直流輸出。選用3A 60V肖特基二極管，工作可靠。R4和R5由PI Expert選擇和計(jì)算。它創(chuàng)建了一個(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(jiǎn)單的分壓器，計(jì)算公式TL431 REF電壓= (Vout x R7) / R6 + R7。參考電壓為2.5V， Vout為12V。選取R6的值為23.7k，則R7約為9.09k。

為我們的SMPS電路構(gòu)建開關(guān)變壓器

對(duì)于SMPS電路，通常需要一個(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，如果你學(xué)習(xí)制作原型的知識(shí)，你就找不到適合你設(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)要求構(gòu)建開關(guān)變壓器。

讓我們看看生成的變壓器結(jié)構(gòu)圖。

如上圖所示，我們需要在主側(cè)使用單個(gè)32 AWG線103圈，在次側(cè)使用兩個(gè)25 AWG線5圈。

在上圖中，繞組的起點(diǎn)和繞組的方向被描述為一個(gè)力學(xué)圖。要制造這個(gè)變壓器，需要下列東西

?EE19核心，NC-2H或同等規(guī)格，ALG 79 nH/T2的間隙

?在主側(cè)和次側(cè)用5個(gè)針筒子。

?阻隔帶厚度為1密耳。需要9mm寬的膠帶。

?32 AWG可焊包漆銅線。

?25AWG可焊包漆銅線。

?電感電容電阻測(cè)量計(jì)。

要求具有NC-2H的EE19芯，間隙芯為79nH/T2;一般來說，它是成對(duì)的。筒子是一個(gè)通用的一個(gè)有4個(gè)主要針和5個(gè)次要針。然而，這里線軸與5針在兩側(cè)使用。

對(duì)于屏障膠帶，使用標(biāo)準(zhǔn)管道膠帶，其基礎(chǔ)厚度超過1mil(通常為2mil)。在敲擊相關(guān)活動(dòng)中，使用剪刀將膠帶剪斷以達(dá)到完美的寬度。銅線是從舊變壓器采購的，也可以從當(dāng)?shù)厣痰曩徺I。我正在使用的芯和線軸如下所示

第一步：在主側(cè)的第1和第5引腳添加焊料。焊接32 AWG線在引腳5和繞線方向是順時(shí)針。繼續(xù)到103轉(zhuǎn)，如下圖所示

這形成了我們變壓器的初級(jí)側(cè)，一旦103匝繞組完成，我的變壓器看起來像下面這樣。

第二步：使用管道膠帶絕緣，需要3圈管道膠帶。它也有助于保持線圈的位置

第三步：從引腳9和引腳10啟動(dòng)次級(jí)繞組。二次側(cè)使用兩股25AWG漆包銅線制成。焊接一個(gè)銅線引腳9和另一個(gè)引腳10。繞線方向還是順時(shí)針。繼續(xù)到5轉(zhuǎn)，焊接引腳5和6的結(jié)尾。使用與之前相同的管道膠帶添加絕緣膠帶。

一旦初級(jí)和次級(jí)繞組完成和管道膠帶被使用，我的變壓器看起來像如下所示

第四步：現(xiàn)在我們可以用管道膠帶牢牢地固定兩個(gè)核心。完成后，完成的變壓器應(yīng)該如下所示。

第五步：還要確保把管道膠帶并排包裹起來。這將減少高密度通量傳遞過程中的振動(dòng)。

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

SMPS電路的構(gòu)建：

一旦變壓器準(zhǔn)備好了，我們就可以繼續(xù)在虛線板上組裝其他組件。電路所需的零件詳細(xì)信息可在下面的材料清單中找到

一旦組件焊接我的板看起來像這樣。

測(cè)試5V 2A SMPS電路

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

正如您在這兩個(gè)實(shí)例中看到的，輸出電壓保持在5V。但后來我把輸出連接到我的瞄準(zhǔn)鏡上，檢查是否有波紋。紋波測(cè)量如下所示

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

?PCB設(shè)計(jì)不當(dāng)。

?地面彈跳問題。

?PCB散熱器不正常。

?沒有切斷嘈雜的供電線路。

由于手動(dòng)繞組，增加了變壓器的公差。變壓器制造商在機(jī)器繞組期間使用浸漬清漆，以提高變壓器的穩(wěn)定性。

如果將電路轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腜CB，我們可以期望電源的紋波輸出在50mV pk-pk內(nèi)，即使使用手動(dòng)繞組變壓器。然而，由于veroboard并不是一個(gè)安全的選擇，使開關(guān)模式電源在交直流域，它不斷地被建議，在實(shí)際應(yīng)用高壓電路之前，必須建立適當(dāng)?shù)腜CB。

本文編譯自circuitdigest