Zaprojektuj własny kompaktowy obwód smps 5 V / 3,3 V dla projektów embedded i IoT

Prostym sposobem zasilania obwodów prądu stałego z sieci prądu przemiennego jest użycie transformatora obniżającego napięcie do obniżenia napięcia sieciowego 230 V i dodania kilku diod jako prostownika mostkowego. Ale ze względu na ogromny rozmiar przestrzeni i inne wady nie może być używany do wszystkich celów. Innym najpopularniejszym i najbardziej profesjonalnym sposobem jest użycie obwodów zasilacza impulsowego do konwersji sieci prądu przemiennego na szeroki zakres napięcia stałego, zgodnie z wymaganiami, prawie każda elektronika użytkowa, od zwykłego adaptera 12 V do ładowarki do laptopa, ma obwód SMPS zapewniający wymagany prąd stały moc wyjściowa.

W circuitdigest zbudowaliśmy już kilka popularnych obwodów SMPSdla różnych wartości znamionowych, a mianowicie obwodów 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS i 12V 1A SMPS, z których każdy może być używany do różnych zastosowań. Tym razem zbudujemy SMPS, który może być używany do ogólnych celów i ma prosty kształt modułu do wykorzystania w sytuacjach związanych z przestrzenią. W dzisiejszych czasach Internet Rzeczy wykorzystuje różne procesory oparte na Wi-Fi, takie jak NodeMCU, ESP32 i ESP12E itp., Które działają na 5 V lub 3,3 V. Moduły te są bardzo kompaktowe i dlatego do zasilania tych płyt sensowne jest stosowanie mniejszych obwodów SMPS, które mogą znajdować się na tej samej płycie, zamiast używania oddzielnego obwodu SMPS. Dlatego w tym artykule nauczymy się, jak zbudować obwód SMPS, który może wyprowadzać 5 V lub 3,3 V (konfigurowalny sprzętowo za pomocą zworki), dostarczony jest również projekt obwodu i układ PCB, dzięki czemu można po prostu przenieść to do istniejącego projektu.Tutaj nasze płytki PCB są produkowane przez PCBGoGo, niskokosztową, wysokiej jakości firmę zajmującą się prototypowaniem PCB i montażem PCB.

Wartość znamionowa SMPS to 5 V lub 3,3 V 1,5 A, ponieważ większość płyt rozwojowych wykorzystuje napięcia na poziomie logicznym 5 V lub 3,3 V, a 1,5 A powinno wystarczyć dla większości aplikacji opartych na IoT. Należy jednak pamiętać, że ten SMPS nie ma żadnych filtrów w sekcji wejściowej, aby zmniejszyć rozmiar i koszt. Dlatego ten SMPS może być używany tylko do zasilania płytek mikrokontrolera lub do celów ładowania. Upewnij się, że będzie on zasłonięty przed zasięgiem użytkownika podczas pracy.

Ostrzeżenie: Praca z obwodami SMPS może być niebezpieczna, ponieważ wiąże się z napięciem sieciowym AC, które jest potencjalnie śmiertelne. Nie próbuj go budować, jeśli nie masz doświadczenia w pracy z siecią prądu przemiennego. Zawsze zachowuj ostrożność w przypadku przewodów pod napięciem i naładowanych kondensatorów, używaj narzędzi ochronnych i nadzoru, jeśli to konieczne. Zostałeś ostrzeżony!!

Specyfikacje płyty SMPS 5V / 3,3V

SMPS będzie miał następujące specyfikacje.

1. Wejście 85VAC do 230VAC.
2. Wyjście 2A do wyboru 5 V lub 3,3 V.
3. Otwarta konstrukcja ramy
4. Ochrona przed zwarciem i przepięciem
5. Mały rozmiar i niedrogie funkcje.

Materiały wymagane dla obwodu SMPS (BOM)

1. Bezpiecznik 1A 250VAC, zwłoczny
2. Mostek diodowy DB107
3. 10uF / 400V
4. Dioda P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 szt. - opakowanie 0805
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. Pakiet 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. 1k - pakiet 0805
12. 22R - 2szt - opakowanie 0805
13. 100 nF - pakiet 0805
14. TL431
15. SR360
16. Pakiet 470pF 100V - 0805
17. 1000 uF 16 V.
18. 3,3uH - rdzeń bębna
19. 2.2nF 250VAC

Uwaga: wszystkie części zostały wybrane tak, aby były łatwo dostępne dla projektantów. Transformator SMPS musi być zbudowany na zamówienie przy użyciu tego arkusza danych. Możesz skorzystać z usług dostawcy, aby go zbudować lub zaprojektować i nawinąć transformator SMPS za pomocą łącza.

Ten SMPS został zaprojektowany przy użyciu układu scalonego integracji zasilania TNY284DG. Ten układ scalony nurka SMPS najlepiej nadaje się do tego SMPS, ponieważ układ scalony jest dostępny w pakiecie SMD, a moc jest odpowiednia do tego celu. Poniższy obraz przedstawia specyfikację mocy TNY284DG.

Jak widać, TNY284DG jest idealny do naszej opcji. Ponieważ konstrukcja jest otwartą ramą, będzie pasować do mocy wyjściowej 8,5 W. Oznacza to, że może z łatwością zapewnić 1,5 A przy 5 V.

Schemat obwodu 5V / 3,3V SMPS

Budowa tego SMPS jest dość prosta i prosta. Ten projekt wykorzystuje chipset Power Integration jako układ scalony sterownika SMPS. Schemat obwodu można zobaczyć na poniższym obrazku-

Budowa i praca

Zanim przejdziemy bezpośrednio do budowy części prototypowej, przyjrzyjmy się działaniu obwodów elektrycznych. Obwód ma następujące sekcje:

1. Ochrona wejścia
2. Konwersja AC-DC
3. Obwód sterownika lub obwód przełączający
4. Zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową.
5. Obwód zaciskowy
6. Magnetyczność i izolacja galwaniczna
7. Filtrowanie EMI
8. Wtórny prostownik i obwód tłumika
9. Sekcja filtrów
10. Sekcja opinii.

Ochrona wejścia

F1 to bezpiecznik zwłoczny, który chroni SMPS przed wysokim obciążeniem i stanami awarii. W sekcji wejścia SMPS nie uwzględniono żadnych uwag dotyczących filtrów EMI. Jest to bezpiecznik zwłoczny 1 A 250 VAC, który chroni zasilacz SMPS w warunkach awarii. Jednak ten bezpiecznik można zmienić na bezpiecznik szklany. Możesz również zapoznać się z artykułem na temat różnych typów bezpieczników.

Konwersja AC-DC

B1 to prostownik mostka diodowego. To jest DB107, mostek diodowy 1A 700V. Spowoduje to zamianę wejścia AC na napięcie DC. Dodatkowo kondensator 10uF 400V będzie niezbędny do prostowania tętnień DC i zapewni płynne wyjście DC do obwodu sterownika, a także transformatora.

Obwód sterownika lub obwód przełączający

Jest to główny składnik tego SMPS. Strona pierwotna transformatora jest odpowiednio sterowana przez obwód przełączający TNY284DG. Częstotliwość przełączania wynosi 120-132 kHz. Ze względu na tę wysoką częstotliwość przełączania można stosować mniejsze transformatory.

Powyższy schemat wyprowadzeń pokazuje wyprowadzenia TNY284DG. Sterownik przełączający IC1, którym jest TNY284DG, wykorzystuje kondensator C2 10uF 16V. Ten kondensator zapewnia płynne wyjście DC do wewnętrznego obwodu TNY284DG.

Ochrona przed blokadą podnapięciową

Transformator działa jak ogromny induktor. Dlatego w każdym cyklu przełączania transformator indukuje skoki wysokiego napięcia ze względu na cewkę upływową transformatora. Dioda Zenera D1, która jest diodą P6KE160, zaciska obwód napięcia wyjściowego, a dioda D2, która jest UF4007, dioda ultraszybka blokuje te skoki wysokiego napięcia i tłumi je do bezpiecznej wartości, co jest korzystne dla oszczędzenia styku DRAIN TNY284DG.

Magnetyczność i izolacja galwaniczna

Transformator jest ferromagnetyczny i nie tylko przekształca prąd zmienny o wysokim napięciu w prąd zmienny o niskim napięciu, ale także zapewnia izolację galwaniczną. Transformator to transformator EE16. Szczegółową specyfikację transformatora można znaleźć w arkuszu danych transformatora udostępnionym wcześniej w sekcji dotyczącej wymaganych materiałów.

Filtr EMI

Filtrowanie EMI jest wykonywane przez kondensator C3. Kondensator C3 to wysokonapięciowy kondensator 2,2nF 250VAC, który zwiększa odporność obwodu i redukuje wysokie zakłócenia EMI.

Wtórny prostownik i obwód tłumika

Wyjście z transformatora jest prostowane za pomocą diody Schottky'ego SR360. To jest dioda 60V 3A. Ta dioda Schottky'ego D3 zapewnia wyjście DC z transformatora, które jest dodatkowo prostowane przez duży kondensator C6 1000 uF 16 V.

Wyjście transformatora zapewnia tętnienie dzwonienia, które jest tłumione przez obwód tłumiący, który jest tworzony przez rezystor o niskiej wartości i kondensator w połączeniu szeregowym, które jest równoległe z prostownikiem wyjściowym. Rezystor o niskiej wartości to 22R, a kondensator o niskiej wartości to 470 pF. Te dwa komponenty R8 i C5 tworzą obwód tłumiący w sekcji wyjściowej DC.

Sekcja filtrów

Sekcja filtra jest tworzona przy użyciu konfiguracji LC. C to kondensator filtra C6. Jest to kondensator o niskiej ESR zapewniający lepsze tłumienie tętnień o wartości 100 uF 16 V, a cewka indukcyjna L1 to cewka rdzeniowa bębna 3,3uH.

Sekcja opinii

Napięcie wyjściowe jest wykrywane przez U1 TL431 za pomocą dzielnika napięcia. Dlatego zawsze, gdy dzielnik napięcia wytwarza idealne napięcie, TL431 włącza sprzęgacz optyczny, którym jest PC817, oznaczony jako OK1.

Ponieważ istnieją dwa wybieralne napięcia 3,3 V i 5 V, istnieją dwa dzielniki napięcia utworzone za pomocą trzech rezystorów R3, R4 i R5. R5 jest wspólny dla wszystkich dwóch rozdzielaczy, ale R3 i R4 można zmieniać za pomocą zworki. Po wykryciu linii U1, transoptor jest sterowany, co dodatkowo wyzwala TNY284DG i galwanicznie izoluje wtórną część wykrywającą sprzężenie zwrotne ze sterownikiem po stronie pierwotnej.

Podczas pierwszego uruchomienia, ponieważ jest to konfiguracja flyback, sterownik włącza przełączanie i czeka na odpowiedź z transoptora. Jeśli wszystko jest w porządku, sterownik kontynuuje przełączanie, w przeciwnym razie pomija cykle przełączania, chyba że wszystko stało się normalne.

Projektowanie naszej płytki drukowanej SMPS

Gdy obwód zostanie ukończony, możesz przetestować go na płycie perf, a następnie rozpocząć projektowanie PCB. Do zaprojektowania naszej płytki drukowanej użyliśmy programu Eagle, możesz sprawdzić poniższy obraz układu. Możesz również pobrać pliki projektu, korzystając z poniższego łącza.

• Schemat Eagle i projekt PCB dla SMPS 5V / 3.3V

Jak widać rozmiar płytki to 63 mm na 32 mm, co jest przyzwoicie małym rozmiarem. Komponenty są umieszczone w bezpiecznej odległości, aby zapewnić bezpieczną pracę. Górną i dolną stronę naszej płytki drukowanej pokazano na poniższym obrazku. Jest to dwuwarstwowa płytka PCB o planowanej grubości 35um miedzi. Dioda wyjściowa i układ scalony sterownika wymagają specjalnego uwzględnienia termicznego w celach związanych z rozpraszaniem ciepła. Również po stronie wtórnej przez szwy są wykonane dla lepszej łączności z masą.

Można również zauważyć, że kilka elementów SMD jest umieszczonych z tyłu płytki, aby zachować rozmiar modułu w niewielkich wymiarach. Projektując PCB SMPS, należy wziąć pod uwagę kilka kwestii projektowych, zapoznaj się z tym artykułem na temat Przewodnika po układach PCB SMPS, aby dowiedzieć się więcej.

Wykonanie PCB dla obwodu SMPS 12v 1A

Teraz, gdy rozumiemy, jak działają schematy, możemy przystąpić do tworzenia PCB dla naszego SMPS. Ponieważ jest to obwód SMPS, zalecana jest płytka drukowana, ponieważ może ona rozwiązać problemy z szumami i izolacją. Układ PCB dla powyższego obwodu jest również dostępny do pobrania jako Gerber z linku.

• Pobierz plik Gerber dla obwodu SMPS 5V / 3.3V

Teraz nasz projekt jest gotowy, nadszedł czas, aby wykonać je za pomocą pliku Gerber. Wykonanie PCB z PCBGOGO jest dość łatwe, po prostu wykonaj poniższe czynności:

Krok 1: Wejdź na www.pcbgogo.com, zarejestruj się, jeśli to Twój pierwszy raz. Następnie w zakładce Prototyp PCB wprowadź wymiary swojej płytki PCB, liczbę warstw i liczbę potrzebnych PCB. Zakładając, że PCB ma wymiary 80 cm × 80 cm, możesz ustawić wymiary tak, jak pokazano poniżej.

Krok 2: Kontynuuj, klikając przycisk Cytuj teraz . Zostaniesz przeniesiony na stronę, na której możesz ustawić kilka dodatkowych parametrów, jeśli jest to wymagane, takich jak zastosowany materiał, rozstaw ścieżek itp. Ale głównie wartości domyślne będą działać dobrze. Jedyne, co musimy tutaj wziąć pod uwagę, to cena i czas. Jak widać, czas budowy wynosi tylko 2-3 dni i kosztuje tylko 5 USD za naszą płytkę PCB. Następnie możesz wybrać preferowaną metodę wysyłki w oparciu o swoje wymagania.

Krok 3: Ostatnim krokiem jest załadowanie pliku Gerber i kontynuacja płatności. Aby upewnić się, że proces przebiega bezproblemowo, PCBGOGO sprawdza, czy plik Gerber jest ważny przed przystąpieniem do płatności. W ten sposób możesz mieć pewność, że Twoja płytka drukowana jest przyjazna dla produkcji i dotrze do Ciebie zgodnie z zobowiązaniem.

Montaż PCB

Po zamówieniu płytka dotarła do mnie po kilku dniach kurierem w ładnie oznaczonym, dobrze zapakowanym pudełku i jak zawsze jakość PCB była niesamowita. Otrzymaną przeze mnie płytkę PCB pokazano poniżej. Jak widać, zarówno górna, jak i dolna warstwa okazały się zgodne z oczekiwaniami.

Wszystkie przelotki i podkładki miały odpowiedni rozmiar. Montaż płytki PCB do działającego obwodu zajęło mi około 15 minut. Zmontowaną płytkę pokazano poniżej.

Testowanie naszego obwodu SMPS 5 V / 3,3 V.

Komponenty i infrastruktura testowa zostały dostarczone przez Iquesters Solutions. Jednak Transformer jest wykonany ręcznie, możesz również zbudować własny transformator SMPS. Tutaj do celów testowych transformator jest wykonany dla 1A. Można zastosować odpowiednią przekładnię zwojów dla transformatora 1,5 A zgodnie z podanymi specyfikacjami transformatora. Nasza tablica SMPS wygląda tak po zakończeniu montażu.

Teraz, aby przetestować naszą płytkę SMPS, będę ją zasilać za pomocą Variac i używać elektronicznego obciążenia DC do regulacji prądu wyjściowego. Poniższy obraz przedstawia moją starą konfigurację regulowanego obciążenia DC podłączoną do naszej płyty SMPS. Możesz go przetestować z dowolnym wybranym obciążeniem, ale użycie regulowanego obciążenia DC pomoże ci ocenić płyty zasilające. Możesz również łatwo zbudować własne regulowane elektroniczne obciążenie DC oparte na Arduino, korzystając z tego linku.

Jak widać na poniższym obrazku, przetestowałem nasz obwód SMPS zarówno dla 5 V, jak i 3,3 V, zmieniając zworkę. Prąd wyjściowy został przetestowany do 850 mA, ale możesz również osiągnąć 1,5 A w zależności od projektu transformatora.

Aby uzyskać więcej informacji na temat testów i konstrukcji, sprawdź poniższy link wideo. Mam nadzieję, że podobał Ci się artykuł i dowiedziałeś się czegoś pożytecznego. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy poniżej lub skorzystaj z naszych forów.