如何通过PC ATX电源构建SMPS电路

chencui 2022-08-10 1105

电源/新能源

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描述

　　开关模式电源（ SMPS ）是任何电子设计中不可或缺的一部分。它用于将市电高压交流电转换为低压直流电，它首先将市电交流电转换为高压直流电，然后切换高压直流电以产生所需的电压。我们之前已经制作了一些SMPS 电路，例如这个5V 2A SMPS 电路和12V 1A TNY268 SMPS 电路。我们甚至构建了自己的 SMPS 变压器，可以与驱动器 IC 一起用于我们的 SMPS 设计。

　　您可能没有注意到，但大多数家用产品（如移动充电器、笔记本电脑充电器、Wi-Fi 路由器）都需要开关模式电源才能运行，其中大多数是 5V 电源。因此，考虑到这一点，在本文中，我们将向您展示如何通过从旧的一次性 PC ATX 电源中回收零件来构建 5V、1A SMPS 电路。

　　5V 1A 电源的设计考虑

　　在我们继续之前，让我们先弄清楚一些基本的设计考虑和保护功能。

　　为什么要从计算机电源构建 SMPS 电路？

　　对我来说它很便宜，那么便宜又是一个非常昂贵的词，它实际上是免费的。你可能会问怎么会这样？只需与您当地的 PC 服务商店交谈，他们会免费提供给您，至少对我来说是这样。另外，问问你的朋友，他们周围是否有那些坏掉的。

　　为电路制造/采购变压器是任何SMPS 设计中最关键的部分，但这种方法通过抢救变压器完全避免了这一步，如果你像我这样的电子迷，它也带来了很好的学习体验。我的ATX电源在打捞所需零件后如下图所示。

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　　通过这种设计，您可以添加一个电位器并稍微改变输出电压。这在某些情况下可能会派上用场，并且该电路最有趣的是它是由非常通用的零件制成的，因此如果发生故障，查找和更换它们是一项非常容易的任务。

　　SMPS 电路在不同条件下的功能不同，如果您正在构建此电路，了解实际输入输出特性可以帮助您在发现任何问题时调试电路。

　　输入电压：

　　由于标准 PC PSU 的输入电压为 220V，因此我们的备用电路也在该电压下工作。但是使用我当前的表格设置，我也会尝试使用 85V 输入电压来操作电路。

　　输出电压：

　　该电路的输出电压为5V，额定电流为1A，这意味着该电路可以处理5W的功率。该电路在恒压模式下工作，因此无论负载电流如何，输出电压都应保持几乎相同。

　　输出纹波：

　　该电路中的变压器由专业制造商制造，因此我们可以期待低纹波。由于它是在虚线板上构建的，我们可以期待比平时更多的涟漪。

　　保护功能：

　　一般来说，SMPS 设计有许多保护电路，但我们的电路是由旧的 PC PSU 制成的，因此我们可以根据最终应用的要求添加或减少保护功能。

　　我将使用这个电路为我的物联网项目供电。所以我决定采用最小保护功能，即输入端的熔断电阻和输出部分的过压保护电路。

　　因此，总而言之，我们电源的交流电源电压为 220V AC，输出电压为 5V DC，最大输出电流为 1A。我们将尝试使输出纹波电压尽可能低，并且我们有一个带有输出过压保护电路的输入熔断电阻。

　　5V 1A SMPS 电路所需的组件

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　　5V 1A SMPS电路图

　　下图显示了我们将在本教程中构建的 5V 1A SMPS 电源的原理图。

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　　我在面包板上搭建了电路，完成后看起来像这样。

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　　让我们通过将电路分解为许多功能块来了解电路，然后了解每个块。

　　熔断电阻器：

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　　首先，我们有R1，它有两个用途。首先，它充当熔断电阻器。其次，它起到限流电阻的作用。

　　桥式整流器和滤波器：

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　　接下来，我们有1N4007二极管，D2，D3，D4，D5，其中四个组成桥式整流器，还有一个10uF的滤波电容将交流转换为直流。

　　请注意，我已卸下PI 滤波器，因为除了给电池充电外，我不会使用此电源，如果您打算以其他方式使用，则必须使用 EMI 滤波器，您可以随时将其拔出电源。如果您不确定什么是 PI 过滤器或它是如何工作的，您可以查看链接的文章。您还可以查看其他设计以降低我们之前讨论过的 SMPS 电路中的 EMI 。

　　启动电阻：

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　　R3和R4组成启动电阻，通电时，启动电阻负责为初级开关晶体管的基极供电，我将在本文后面详细讨论电阻。

　　集电极限压钳：

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　　为了限制初级开关晶体管 Q1的集电极电压， C3、R2 和 D6形成钳位电路，这是使用缓冲网络降低关断时的峰值电压并抑制振铃的一个很好的例子。在大多数情况下，可以使用一种非常简单的设计技术来确定缓冲元件（Rs 和 Cs）的合适值。在需要更优化设计的情况下，使用稍微复杂一些的程序。

　　初级和辅助开关晶体管：

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　　晶体管Q1、C5353为主开关管，T1为电路中的辅助开关管。C4和R5构成产生主开关信号的主振荡器。

　　反馈和控制电路：

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　　PC817 光耦合器 OK1与电压参考 VR1和二极管4148一起形成反馈和控制电路，此部分中的其他电阻器仅用作分压器、限流电阻器和滤波电容器。除此之外，我还添加了电位器 R11 以根据要求调整电压。

　　变压器、输出整流器和滤波器：

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　　变压器 T1 由铁磁材料制成，不仅将高压交流电转换为低压交流电，还提供电流隔离。变压器T1有4个绕组，1、2、3脚为次级绕组，4、5脚为辅助绕组，6、7脚为初级绕组。

　　二极管 D1 和 D9 是电路的整流二极管。电容 C8 负责对 12V 进行滤波，电容 C6 和 C7 与 L2 一起构成输出部分的 PI 滤波器。

　　过压保护电路：

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　　可以添加一个额外的过压保护电路来保护您的应用设备免受损坏，这是一个非常简单的电路，由保险丝和齐纳二极管组成，如上图所示。如果发生过压情况，齐纳二极管会爆炸，因此用它炸断快速熔断器。

　　5V-1A SMPS 电路工作

　　现在，已经清除了，让我们了解电路是如何工作的，当电路通电时，市电交流电通过整流二极管和电容器进行整流和滤波。之后，两个启动电阻 R3、R4 将电流限制到晶体管的基极，这就是初级晶体管略微导通的原因，现在有一点电流流过变压器的初级绕组，即晶体管的引脚 6 和 7 。

　　这少量电流为辅助绕组通电，该辅助绕组开始通过 220 欧姆电阻器 R5 为 103pF 电容器 C4 充电。辅助侧的电压再次通过 1N4148 整流二极管连接到光耦的集电极，该电压从光耦的发射极出来，并通过分压器进行分压。现在C5 222PF电容开始充电当这个电容充电到一定水平时，辅助晶体管T1导通，主晶体管关断，电容C5放电

　　并且循环再次开始重复，从而产生开关信号。一旦开关过程开始，电压从次级感应到变压器次级，借助 VR1 的 Tl431 参考电压，形成一个反馈电路，通过调整参考电压，我们可以设置开启和关闭时间辅助晶体管，因此我们可以控制输出电压。

　　构建 SMPS 电路

　　在此演示中，电路在原理图的帮助下构建在一个虚板上；请注意，我正在我的工作台上测试电路以进行演示，因此我没有包含许多保护功能，例如过压保护和短路保护。如果你用它来给别的东西供电，建议把那些保护和滤波电路打开。

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　　上述测试设置用于测试电路，使用电位器将电源的输出电压调整为 5.1V，它是 1A 电源，因此它可以在峰值条件下拉 1A 电流。

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　　正如您在上图中看到的，为了测试负载，我使用了一些电阻器作为负载，在 5V 时从我们的 SMPS 电路消耗了大约 1.157A。完整的测试视频可以在本文底部找到。

　　5V-1A SMPS 电路设计改进

　　在这个电路中有很多可以改进的地方，比如可以在输入端添加一个 EMI 滤波器来改善这个电路的 EMI 响应。然后可以添加输出过流和短路保护以提高电路的整体性能。此外，可以添加输入过压和浪涌保护以保护其免受输入浪涌的影响。最后，如果电路是在 PCB 板上构建的，则 EMI 响应可以大大改善。

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