Dissenyeu el vostre propi circuit compacte de 5v / 3,3v per a projectes incrustats i iot

Una manera crua d’alimentar els vostres circuits de corrent continu amb la xarxa de corrent altern és utilitzar un transformador reductor per reduir la tensió de xarxa de 230 V i afegir un parell de díodes com a rectificador de pont. Però, a causa de l’enorme mida de l’espai i altres inconvenients, no es pot utilitzar per a tots els efectes. Una altra forma més popular i professional és utilitzar circuits de subministrament d’alimentació en mode commutador per convertir la xarxa elèctrica de CA en una àmplia gamma de voltatge continu segons sigui necessari, gairebé tots els aparells electrònics de consum, des d’un adaptador normal de 12 V fins a un carregador de portàtils, tenen un circuit SMPS per proporcionar el corrent continu necessari. potència de sortida.

A circuitdigest, ja hem creat pocs circuits SMPS popularsper a diferents qualificacions, és a dir, el circuit VPS 22A SMPS de 12V 1A, SMPS de 5V 2A i el circuit SMPS de 12V 1A, cadascun dels quals es pot utilitzar per a diferents aplicacions. Aquesta vegada, crearem un SMPS que es pot utilitzar per a usos generals i que té una forma senzilla de mòdul per utilitzar-lo en situacions relacionades amb l’espai. Actualment, Internet of Things utilitza diversos processadors basats en wifi com NodeMCU, ESP32 i ESP12E, etc., que funcionen en 5V o 3.3V. Aquests mòduls són molt compactes i, per tant, per alimentar aquestes plaques, té sentit utilitzar circuits SMPS més petits que puguin anar a la mateixa placa, en lloc d’utilitzar un circuit SMPS separat. Per tant, en aquest article, aprendrem a construir un circuit SMPS que pugui generar 5V o 3,3V (maquinari configurable mitjançant jumper), també es proporciona el disseny del circuit i el disseny de PCB, de manera que podeu portar-lo simplement al vostre disseny existent.Aquí les nostres plaques de PCB són fabricades per PCBGoGo, una empresa de serveis de muntatge i prototip de PCB d'alta qualitat de baix cost basada en Xina

La classificació del SMPS és de 5 V o 3,3 V 1,5 A, ja que la majoria de la placa de desenvolupament utilitza tensions de nivell lògic de 5 V o 3,3 V i 1,5 A hauria de ser prou bona per a la majoria de les aplicacions basades en IoT. Però tingueu en compte que aquest SMPS no té filtres a la secció d’entrada per reduir la mida i el cost. Per tant, aquest SMPS només es pot utilitzar per alimentar plaques de microcontroladors o per carregar-los. Assegureu-vos que estarà cobert a l'abast de l'usuari quan estigui en funcionament.

Advertència: treballar amb circuits SMPS pot ser perillós, ja que implica una tensió de xarxa de CA que és potencialment letal. No intenteu crear-ho si no teniu experiència en treballar amb corrent altern. Mantingueu sempre precaució amb els cables actius i els condensadors carregats, utilitzeu eines de protecció i supervisió si cal. Has estat avisat!!

Especificacions de la placa SMPS de 5V / 3,3V

El SMPS tindrà les següents especificacions.

1. Entrada de 85VAC a 230VAC.
2. Sortida 2A seleccionable de 5V o 3,3V.
3. Construcció de marc obert
4. Protecció contra curtcircuits i sobretensions
5. Mida petita amb funcions de baix cost.

Materials necessaris per al circuit SMPS (BOM)

1. Fusible 1A 250VAC Lent cop
2. Diode Bridge DB107
3. 10uF / 400V
4. Diodo P6KE
5. UF4007
6. Paquet 2Meg - 2 Pcs - 0805
7. 2,2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. Paquet 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. Paquet 1k - 0805
12. Paquet 22R - 2pcs - 0805
13. Paquet 100 nF - 0805
14. TL431
15. SR360
16. Paquet 470pF 100V - 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH: nucli del tambor
19. 2,2nF 250VAC

Nota: totes les peces es van seleccionar per estar fàcilment disponibles per als dissenyadors. El transformador SMPS ha de ser una versió personalitzada mitjançant aquest full de dades. Podeu utilitzar un proveïdor per crear-ne un o dissenyar i enrolar el transformador SMPS mitjançant l'enllaç.

Aquest SMPS està dissenyat mitjançant l'IC IC integració TNY284DG. Aquest IC SMPS Diver és el més adequat per a aquest SMPS, ja que el CI està disponible en un paquet SMD i la potència és adequada per a aquest propòsit. La imatge següent mostra l'especificació de potència del TNY284DG.

Com podem veure, TNY284DG és perfecte per a la nostra opció. Com que la construcció és un marc obert, coincidirà amb la potència de sortida de 8,5W. El que significa que pot proporcionar fàcilment 1,5 A a 5 V.

Diagrama de circuits SMPS de 5V / 3,3V

La construcció d’aquest SMPS és bastant senzilla i directa. Aquest disseny utilitza el chipset Power Integration com a IC de controlador SMPS. L’esquema del circuit es pot veure a la imatge següent:

Construcció i Treball

Abans d’entrar directament a construir la part prototip, explorem l’operació de circuits. El circuit té les seccions següents:

1. Protecció d'entrada
2. Conversió AC-DC
3. Circuit de controladors o circuit de commutació
4. Protecció contra bloqueig de baixa tensió.
5. Circuit de pinça
6. Magnètica i aïllament galvànic
7. Filtratge EMI
8. Circuit secundari de rectificador i canalla
9. Secció de filtres
10. Secció de comentaris.

Protecció d'entrada

F1 és un fusible de bufat lent que protegirà l’SMPS de càrregues i defectes elevats. La secció d’entrada SMPS no utilitza cap consideració sobre el filtre EMI. Es tracta d’un fusible de bufat lent de 1A 250VAC i que protegirà l’SMPS en condicions de fallada. Tanmateix, aquest fusible es pot canviar per un fusible de vidre. També podeu consultar l'article sobre diferents tipus de fusibles.

Conversió AC-DC

B1 és el rectificador de pont de díodes. Es tracta del DB107, un pont de díodes 1A 700V. Això convertirà l’entrada de CA a la tensió de corrent continu. A més, el condensador de 10uF 400V serà essencial per rectificar l’ondulació de CC i proporcionarà una sortida CC suau al circuit del controlador i al transformador.

Circuit de controlador o circuit de commutació

És el component principal d’aquest SMPS. El costat principal del transformador està correctament controlat pel circuit de commutació TNY284DG. La freqüència de commutació és de 120-132 kHz. A causa d'aquesta elevada freqüència de commutació, es poden utilitzar transformadors més petits.

El diagrama de pinout anterior mostra els pinouts TNY284DG. El controlador de commutació IC1 que és TNY284DG utilitza C2 un condensador de 10uF 16V. Aquest condensador proporciona una sortida CC suau al circuit intern de TNY284DG.

Protecció contra bloqueig de baixa tensió

El transformador actua com un enorme inductor. Per tant, en cada cicle de commutació, el transformador indueix pics d’alta tensió a causa de l’inductor de fuites del transformador. El díode Zener D1, que és un díode P6KE160, fixa el circuit de tensió de sortida i el D2, que és UF4007, un díode ultra-ràpid que bloqueja aquests pics d’alta tensió i l’humiteja fins a obtenir un valor segur que és beneficiós per estalviar el pin DRAIN del TNY284DG..

Magnètica i aïllament galvànic

El transformador és ferromagnètic i no només converteix l’alta tensió CA en una baixa tensió sinó que també proporciona aïllament galvànic. El transformador és un transformador EE16. L'especificació detallada del transformador es pot veure al full de dades del transformador que es va compartir anteriorment a la secció de materials requerits.

Filtre EMI

El filtratge EMI es realitza mitjançant el condensador C3. El condensador C3 és un condensador d’alta tensió de 2,2nF 250VAC, que augmenta la immunitat del circuit i redueix l’alta interferència EMI.

Circuit secundari de rectificador i snubber

La sortida del transformador es corregeix mitjançant un díode Schottky SR360. Es tracta d’un díode de 60V 3A. Aquest díode Schottky D3 proporciona una sortida de CC del transformador que es rectifica encara més amb el gran condensador C6 de 1000uF 16V.

La sortida del transformador proporciona una ondulació sonora que és suprimida pel circuit snubber que és creat per la resistència de baix valor i el condensador en connexió en sèrie que és paral·lela al rectificador de sortida. La resistència de baix valor és 22R i el condensador de baix valor és de 470 pF. Aquests dos components R8 i C5 creen el circuit snubber a la secció de sortida de CC.

Secció de filtres

La secció de filtre es crea mitjançant una configuració LC. El C és el condensador de filtre C6. És un condensador de baixa ESR per a un millor rebuig d’ondulació amb un valor de 100uF 16V i l’inductor L1 és un inductor de nucli de tambor de 3,3uH.

Secció de comentaris

El voltatge de sortida és detectat per l’U1 TL431 mitjançant un divisor de tensió. Per tant, sempre que el divisor de tensió produeix un voltatge perfecte, el TL431 engega un acoblador opt que és PC817, denominat OK1.

Com que hi ha dues operacions de tensió seleccionables de 3,3 V i 5 V, hi ha dos divisors de tensió creats amb tres resistències R3, R4 i R5. R5 és comú per als dos divisors, però R3 i R4 es poden canviar mitjançant un pont. Després de detectar la línia, U1, es controla l’optocoplador, cosa que activa el TNY284DG i aïlla galvànicament la part de detecció de retroalimentació secundària amb el controlador lateral primari.

Durant la primera engegada, ja que es tracta d’una configuració de flyback, el controlador activa el commutador i espera la resposta de l’optocoplador. Si tot és normal, el conductor continua canviant; en cas contrari, ometeu els cicles de commutació a menys que tot esdevingui normal.

Dissenyant el nostre PCB SMPS

Un cop finalitzat el circuit, podeu provar-lo en una placa de perfecció i començar amb el disseny del vostre PCB. Hem utilitzat l'àguila per dissenyar el nostre PCB. Podeu consultar la imatge següent. També podeu descarregar els fitxers de disseny des de l’enllaç següent.

• Eagle Schematics i disseny de PCB per a SMPS de 5V / 3,3V

Com podeu veure, la mida del tauler és de 63 mm per a 32 mm, que és una mida decentment petita. Els components es situen a una distància segura per garantir un funcionament segur. La part superior i la part inferior del nostre PCB es mostren a la imatge següent. Es tracta d’una placa PCB de doble capa amb un gruix previst de 35um de coure. El díode de sortida i el controlador IC necessiten una consideració tèrmica especial per a propòsits relacionats amb la dissipació de calor. A més, al costat secundari es fa la costura per millorar la connectivitat a terra.

També podeu notar que hi ha pocs components SMD a la part posterior de la placa per mantenir la mida del mòdul en una dimensió petita. Hi ha poques consideracions de disseny que heu de seguir si esteu dissenyant el vostre PCB SMPS, consulteu aquest article sobre la Guia de disseny del disseny de PCB SMPS per obtenir més informació.

Fabricació de PCB per a circuit SMPS de 12v 1A

Ara entenem com funcionen els esquemes i podem procedir a la construcció del PCB per al nostre SMPS. Com que es tracta d’un circuit SMPS, es recomana un PCB ja que podria fer front a problemes d’aïllament i soroll. El disseny de PCB del circuit anterior també es pot descarregar com a Gerber des de l'enllaç.

• Descarregueu el fitxer Gerber per al circuit SMPS de 5V / 3,3V

Ara el nostre disseny està llest, és hora de fabricar-los mitjançant el fitxer Gerber. Per fer el PCB des de PCBGOGO és molt fàcil, només cal que seguiu els passos següents:

Pas 1: accediu a www.pcbgogo.com, inscriviu-vos si és la primera vegada. A continuació, a la pestanya Prototip de PCB, introduïu les dimensions del PCB, el nombre de capes i el nombre de PCB que necessiteu. Suposant que el PCB fa 80 cm × 80 cm, podeu establir les dimensions tal com es mostra a continuació.

Pas 2: continueu fent clic al botó Cita ara . Se us dirigirà a una pàgina on definiu uns quants paràmetres addicionals si cal, com ara el material utilitzat entre espais, etc. Però la majoria dels valors per defecte funcionaran bé. L’únic que hem de tenir en compte aquí és el preu i el temps. Com podeu veure, el temps de construcció és de només 2-3 dies i només costa 5 dòlars per al nostre PCB. A continuació, podeu seleccionar un mètode d’enviament preferit en funció del vostre requisit.

Pas 3: l'últim pas és carregar el fitxer Gerber i procedir al pagament. Per assegurar-se que el procés és fluix, PCBGOGO verifica si el fitxer Gerber és vàlid abans de procedir al pagament. D'aquesta manera, podeu assegurar-vos que el vostre PCB sigui amigable amb la fabricació i us arribi com a compromès.

Muntatge del PCB

Després d’ordenar el tauler, em va arribar després d’uns dies per missatgeria en una caixa ben empaquetada i ben etiquetada, i com sempre, la qualitat del PCB era impressionant. El PCB que he rebut es mostra a continuació. Com veieu, tant la capa superior com la inferior han resultat com s’esperava.

Les vies i els coixinets tenien la mida adequada. Vaig trigar uns 15 minuts a muntar la placa PCB en un circuit de treball. El tauler muntat es mostra a continuació.

Provant el nostre circuit SMPS de 5V / 3,3V

Iquesters Solutions va proporcionar els components i la infraestructura de proves. Tot i això, el transformador està fet a mà, també podeu crear el vostre propi transformador SMPS. Aquí, a efectes de proves, el transformador està fabricat per a 1A. Es pot utilitzar la relació de girs adequada per al transformador de 1,5 A segons les especificacions del transformador donades. La nostra placa SMPS té aquest aspecte quan es realitza el muntatge.

Ara per provar la nostra placa SMPS, la faré servir mitjançant un Variac i faré servir una càrrega electrònica de CC per ajustar el corrent de sortida. La imatge següent mostra la meva antiga configuració de càrrega DC ajustable connectada a la nostra placa SMPS. Podeu provar-lo amb qualsevol càrrega que vulgueu, però si utilitzeu una càrrega de CC ajustable, us ajudarà a avaluar les plaques de subministrament elèctric. També podeu crear fàcilment la vostra pròpia càrrega de CC electrònica ajustable basada en Arduino seguint aquest enllaç.

Com podeu veure a la imatge següent, he provat el nostre circuit SMPS tant per 5V com per 3,3V canviant el pin del pont. El corrent de sortida es va provar fins a 850 mA, però també podeu arribar a 1,5 A segons el disseny del transformador.

Per obtenir més informació sobre les proves i la construcció, consulteu l'enllaç del vídeo següent. Espero que us hagi agradat l'article i hàgiu après alguna cosa útil. Si teniu cap pregunta, deixeu-les a la secció de comentaris o utilitzeu els nostres fòrums.