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。
adm2587e引脚功能介绍_adm2587e外围电路分析
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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。
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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
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输出短路、过压、过流保护。
恒压操作。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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 -
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地弹问题。
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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。
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