电源单元（PSU）在任何电子产品设计中都是至关重要的部分。大多数家用电子产品（例如移动充电器，蓝牙扬声器，移动电源，智能手表等）都需要电源电路，该电路可以将交流市电转换为5V直流电以进行操作。在此项目中，我们将构建额定功率为10W的类似AC到DC电源电路。也就是说，我们的电路会将220V交流电源转换为5V，并提供最大2A的最大输出电流。此额定功率应足以为大多数以5V运行的电子产品供电。此外5V 2A开关电源电路，因为有很多这对5V操作的微控制器在电子产品很受欢迎。
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，还将构建自己的变压器，以便任何人都可以复制该设计或构建类似的设计。兴奋的权利！因此，让我们开始吧。以前，我们还使用PCB构建了12V 15W SMPS电路，因此对如何为PSU项目（电源单元）设计PCB感兴趣的人也可以进行检查。
5V 2A SMPS电路–设计规范
不同种类的电源在不同环境中的行为也不同。同样，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：
这将是交流到直流转换域中的SMPS。因此，输入将为交流电。对于输入电压值，最好对SMPS使用通用输入额定值。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不管负载电流如何都将提供恒定电压，因此它将在CV（恒定电压）模式下工作。即使在输出两端最大负载（2A）期间的最低输入电压下，该5V输出电压也应保持恒定且稳定。
高度希望好的电源单元的纹波电压小于30mV pk-pk。该SMPS的目标纹波电压小于30mV峰峰值纹波。由于此SMPS将使用手工开关变压器在veroboard中构建，因此我们可以预期会有更高的纹波值。通过使用PCB可以避免此问题。
保护功能：
为了安全可靠地运行，SMPS中可以使用各种保护电路。该保护电路可保护SMPS以及相关的负载。根据类型的不同，保护电路可以跨输入或跨输出连接。
对于此SMPS，将使用最大工作输入电压为275VAC的输入电涌保护。同样，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Drier 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。50Hz时为85-265VAC
- 输入电涌保护。最大输入电压275VAC。
- 输出短路，过压和过流保护。
- 恒定电压操作。
根据上述要求，可以选择各种各样的IC，但是对于该项目，我们选择了 Power Integration。电源集成是一家半导体公司，在各种功率输出范围内具有广泛的电源驱动器IC。根据需求和可用性，我们决定使用纤巧型开关II系列的 TNY268PN。我们之前曾使用该IC在PCB上构建12V SMPS电路。
在上图中，显示了最大功率15W。但是，我们将在开放框架中为通用输入额定值制造SMPS。在这种情况下，TNY268PN可以提供15W的输出。让我们看一下引脚图。
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 Expert软件并使用8.6版。它是出色的电源设计软件。下面显示的电路是使用Power Integrations的PI Expert软件构建的。如果您不熟悉此软件，则可以参考此12V SMPS电路的设计部分以了解如何使用该软件。
在直接构建原型部分之前，让我们探索 5v 2A SMPS电路图 及其操作。
该电路包括以下部分：
- 输入浪涌和SMPS故障保护
- AC-DC转换
- PI过滤器
- 驱动器电路或开关电路
- 欠压锁定保护。
- 钳位电路。
- 电磁和电流隔离。
- EMI滤波器
- 次级整流器和缓冲电路
- 过滤部分
- 反馈部分。
输入浪涌和SMPS故障保护：
此部分由两个组件F1和RV1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）。在高电压浪涌（超过275VAC）下，MOV短路并烧毁了输入保险丝。但是，由于具有慢速熔断功能，保险丝可以承受通过SMPS的浪涌电流。
AC-DC转换：
此部分由二极管电桥控制。这四个二极管（在DB107内部）构成一个全桥式整流器。二极管是1N4006，但是标准的1N4007可以完美地完成工作。在该项目中，这四个二极管被全桥式整流器DB107取代。
PI过滤器：
不同的状态具有不同的EMI抑制标准。该设计 符合EN61000-Class 3标准 ，并且PI滤波器的设计旨在降低 共模EMI抑制。本部分是使用C1，C2和L1创建的。C1和C2是400V 18uF电容器。这是一个奇数值，因此为此应用选择了22uF 400V。L1是共模扼流圈，采用差分EMI信号消除两者。
驱动电路或开关电路：
这是SMPS的心脏。变压器的初级侧由开关电路TNY268PN控制。开关频率为120-132khz。由于 开关频率高，因此可以使用较小的变压器。开关电路具有两个组件：U1和C3。U1是TNY268PN主驱动器IC。C3是 驱动器IC工作所需的 旁路电容器。
欠压锁定保护：
欠压锁定保护由检测电阻R1和R2完成。当SMPS进入自动重启动模式并检测线电压时使用。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电阻代替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。变压器在电源驱动器IC TNY268PN上起着巨大的电感作用。因此，在关断周期中，由于变压器 的 漏感 ，变压器会产生 高压尖峰。变压器两端的二极管钳位抑制了这些高频电压尖峰。选择UF4007是因为它具有超快的恢复能力，并且选择了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，对于与超快速阻塞有关的问题，选择UF4007作为D2。
电磁隔离：
该变压器是铁磁变压器，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性，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：
变压器的输出经过整流，并使用肖特基整流二极管D6转换为DC 。D6两端的缓冲电路可抑制开关操作期间的瞬态电压。缓冲电路由一个电阻和一个电容器R3和C5组成。
过滤部分：
滤波部分包括一个滤波电容器C6。它是低ESR电容器，具有更好的纹波抑制能力。同样，使用L2和C7的LC滤波器可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和R7感测。在检测到线路U2之后，对 光耦合器 进行控制，并将次级反馈检测部分与初级侧控制器电气隔离。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方式完成的，因此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通过在光耦合器LED上提供足够的偏压来直接控制晶体管，因此人们可以控制光耦合器晶体管，尤其是驱动器电路。该控制系统由TL431使用。并联稳压器。由于并联稳压器的参考引脚上有一个电阻分压器，因此它可以控制跨接在其上的光耦合器LED。反馈引脚的参考电压为2.5V。因此，仅在分压器两端的电压足够时，TL431才可以激活。在本例中，分压器设置为5V。因此，当输出达到5V时，TL431在基准引脚上获得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，则立即暂停开关周期。
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，它将继续进行切换，否则，将在一段时间后再次尝试。该循环将一直持续到一切恢复正常为止，从而防止出现短路或过压问题。这就是为什么将其称为反激式拓扑的原因，因为输出电压会流回驱动器以感应相关操作。同样，将尝试循环称为故障条件下的打ic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肖特基二极管可确保可靠的操作。R4和R5由PI Expert选择和计算。它创建一个分压器，并将电流从TL431传递到光电耦合器LED。
R6和R7是一个简单的分压器，其计算公式为TL431 REF voltage =（Vout x R7）/ R6 + R7。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电路构建一个开关变压器
通常对于SMPS电路，将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那里购买。但是这里的问题是，如果您学习了构建原型的知识，就无法找到适合您的设计的确切变压器。因此，我们将学习如何根据PI Expert软件给出的设计要求来构建开关变压器。
让我们看一下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导线，在次级侧执行5匝两根25 AWG导线。
在上图中，将绕组的起点和绕组的方向描述为机械图。要制造此变压器，需要做以下事情-
- EE19核，NC-2H或同等规格，并且针对ALG 79 nH / T 2有间隙
- 线轴在初级和次级具有5个引脚。
- 厚度为1密耳的隔离带。需要9mm宽的胶带。
- 32 AWG可焊漆包铜线。
- 25AWG可焊漆包铜线。
- LCR表。
需要具有NC-2H的EE19磁芯和79nH / T2的带隙磁芯；通常，它可以成对使用。梭芯是一种普通的梭芯，带有4个主销和5个辅助销。但是，这里使用两侧都有5针的梭芯。
对于屏障胶带，使用标准管道胶带，其基础厚度大于1密耳（通常为2密耳）。在攻丝相关的活动中，使用剪刀将胶带切割成理想的宽度。铜线是从旧的变压器中购买的，也可以从当地商店购买。我正在使用的芯线轴如下所示
步骤1：在初级侧的第1和第5引脚中添加焊料。将32 AWG导线焊接在引脚5上，并且绕线方向为顺时针方向。继续直到103匝，如下所示
这构成了我们变压器的初级侧，完成103匝绕组后，我的变压器如下图所示。
步骤2：敷上胶带以进行绝缘，需要缠绕3圈。它还有助于将线圈保持在适当位置。
步骤3：从引脚9和10启动次级绕组。次级侧使用两股25AWG漆包铜线制成。将一根铜线焊接到引脚9上，将另一根铜线焊接到引脚10上。绕线方向还是顺时针方向。继续旋转5圈，然后将引脚5和6上的末端焊接起来。使用与以前相同的胶带粘贴绝缘胶带。
一旦完成了初级和次级绕组并使用了胶带，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密固定，完成后，变压器如下图所示。
步骤5：还要确保并排缠绕胶带。这将减少高密度磁通传递过程中的振动。
完成上述步骤并使用LCR表测试变压器后，如下所示。仪表显示出1.125 mH或1125 uh的电感。
建立SMPS电路：
变压器准备好后，我们可以继续在虚线板上组装其他组件。电路所需的零件细节可在下面的物料清单中找到
- 5V 2A SMPS电路的BOM零件详细信息
元件焊接好后，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AC电源电压。下图显示了85VAC和230VAC时的输出电压-
在两种情况下都可以看到，输出电压保持在5V。但随后，我将输出连接到示波器并检查纹波。纹波测量如下所示
输出纹波非常高，显示出150mV pk-pk纹波输出。这对于电源电路完全不好。根据分析，高纹波是由于以下因素造成的：
- PCB设计不当。
- 地面弹跳问题。
- PCB散热器不正确。
- 嘈杂的供应线上没有断路。
- 由于手工绕组，变压器的公差增加。变压器制造商在电机绕组期间涂上浸漆，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之内。然而，由于veroboard并不是在AC到DC域中提供开关模式电源的安全选择，因此始终建议在实际情况下在应用高压电路之前必须建立适当的PCB。您可以在本页末尾查看视频，以检查电路在负载条件下的性能。
希望您理解了该教程，并学习了如何使用手工变压器构建自己的SMPS电路。如果您有任何问题，请在下面的评论部分中保留，或使用我们的论坛来解决其他问题。