Navrhněte si svůj vlastní kompaktní 5V / 3,3V SMPS obvod pro vestavěné a IOT projekty

Surovým způsobem, jak napájet vaše stejnosměrné obvody střídavým proudem, je použít transformátor pro snižování síťového napětí 230 V a přidání několika diod jako můstkového usměrňovače. Ale vzhledem k obrovské velikosti prostoru a dalším nevýhodám jej nelze použít pro všechny účely. Dalším nejpopulárnějším a nejprofesionálnějším způsobem je použití spínaných napájecích obvodů pro převod vaší střídavé sítě na širokou škálu stejnosměrného napětí podle potřeby, téměř každá spotřební elektronika od běžného 12V adaptéru po nabíječku notebooku má obvod SMPS, který zajišťuje požadovaný výstupní výkon.

Na CircuitDigest jsme již postavili několik populárních obvodů SMPSpro různá hodnocení, jmenovitě 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS a 12V 1A SMPS obvod, z nichž každý může být použit pro různé aplikace. Tentokrát postavíme SMPS, který lze použít pro obecné účely a má jednoduchý tvar modulu pro použití v situacích souvisejících s vesmírem. V dnešní době používá internet věcí různé procesory založené na wifi, jako jsou NodeMCU, ESP32 a ESP12E atd., Které fungují na 5V nebo 3,3V. Tyto moduly jsou vysoce kompaktní, a proto pro napájení těchto desek má smysl používat menší obvody SMPS, které mohou jít na stejnou desku, namísto použití samostatného obvodu SMPS. Z tohoto důvodu se v tomto článku naučíme, jak vytvořit obvod SMPS, který může generovat buď 5 V, nebo 3,3 V (hardware konfigurovatelný pomocí propojky), je také k dispozici návrh obvodu a rozložení desek plošných spojů, takže je můžete jednoduše přenést do svého stávajícího návrhu.Zde naše desky PCB vyrábí společnost PCBGoGo, čínský nízkonákladový vysoce kvalitní prototyp desky plošných spojů a společnost poskytující montážní služby PCB.

Hodnocení SMPS je 5V nebo 3,3V 1,5A, protože většina vývojové desky používá napětí na logické úrovni 5V nebo 3,3V a 1,5A by mělo být dost dobré pro většinu aplikací založených na IoT. Všimněte si však, že tento SMPS nemá ve vstupní sekci žádné filtry, aby se snížila velikost a cena. Proto lze tento SMPS použít pouze k napájení desek mikrokontroléru nebo k nabíjení. Ujistěte se, že bude během provozu zakrytý z dosahu uživatele.

Varování: Práce s obvody SMPS může být nebezpečná, protože zahrnuje síťové napětí, které je potenciálně smrtelné. Nepokoušejte se to sestavit, pokud nemáte zkušenosti s prací se síťovým napájením. S vodiči pod napětím a nabitými kondenzátory buďte vždy opatrní, v případě potřeby používejte ochranné nástroje a dohled. Byl jsi varován!!

Specifikace desky SMPS 5V / 3,3V

SMPS bude mít následující specifikace.

1. Vstup 85VAC až 230VAC.
2. 5V nebo 3,3V volitelný výstup 2A.
3. Otevřená konstrukce rámu
4. Ochrana proti zkratu a přepětí
5. Malá velikost s nízkonákladovými funkcemi.

Materiály potřebné pro SMPS Circuit (BOM)

1. Pojistka 1A 250VAC pomalá
2. Diodový most DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE dioda
5. UF4007
6. 2Meg - 2 ks - balíček 0805
7. 2,2 nF 250 V stř
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - 0805 balení
10. PC817
11. Balíček 1k - 0805
12. 22R - 2ks - balíček 0805
13. 100 nF - 0805 balení
14. TL431
15. SR360
16. Balení 470pF 100V - 0805
17. 1000uF 16V
18. 3,3uH - jádro bubnu
19. 2,2 nF 250 V stř

Poznámka: Všechny součásti byly vybrány, aby byly snadno dostupné pro návrháře. Transformátor SMPS musí být vytvořen na míru pomocí tohoto datového listu. K sestavení můžete buď použít dodavatele, nebo navrhnout a vyvést transformátor SMPS pomocí odkazu.

Tento SMPS je navržen s využitím integrace napájení IC TNY284DG. Tento SMPS Diver IC je nejvhodnější pro tento SMPS, protože IC je k dispozici v balíčku SMD a výkon je vhodný pro tento účel. Níže uvedený obrázek ukazuje specifikaci příkonu TNY284DG.

Jak vidíme, TNY284DG je pro naši volbu ideální. Protože konstrukce je otevřený rám, bude odpovídat výstupnímu příkonu 8,5 W. To znamená, že může snadno poskytnout 1,5 A při 5 V.

Schéma zapojení 5V / 3,3V SMPS

Konstrukce tohoto SMPS je velmi jednoduchá a přímočará. Tento design využívá čipovou sadu Power Integration jako IC ovladače SMPS. Schéma obvodu je vidět na následujícím obrázku -

Konstrukce a práce

Než se pustíme přímo do stavby prototypové části, pojďme prozkoumat obvodovou operaci. Okruh má následující části -

1. Ochrana vstupu
2. Převod AC-DC
3. Obvody řidiče nebo spínací obvod
4. Ochrana proti podpětí.
5. Upínací obvod
6. Magnetické a galvanické oddělení
7. Filtrování EMI
8. Sekundární usměrňovač a tlumicí obvod
9. Sekce filtru
10. Sekce zpětné vazby.

Ochrana vstupu

F1 je pomalá pojistka, která chrání SMPS před vysokým zatížením a poruchovými stavy. Sekce vstupu SMPS nepoužívá žádné úvahy o filtru EMI. Jedná se o pomalou pojistku 1A 250VAC, která chrání SMPS v poruchových podmínkách. Tuto pojistku však lze změnit na skleněnou. Můžete se také podívat na článek o různých typech pojistek.

Převod AC-DC

B1 je usměrňovací diodový můstek. Toto je DB107, diodový můstek 1A 700V. Tím se převede střídavý vstup na stejnosměrné napětí. Kromě toho bude kondenzátor 10uF 400V nezbytný pro usměrnění zvlnění stejnosměrného proudu a bude poskytovat hladký stejnosměrný výstup budicímu obvodu i transformátoru.

Obvod řidiče nebo spínací obvod

Je to hlavní součást tohoto SMPS. Primární strana transformátoru je řádně řízena spínacím obvodem TNY284DG. Spínací frekvence je 120-132 kHz. Díky této vysoké spínací frekvenci lze použít menší transformátory.

Výše uvedený pinout diagram ukazuje TNY284DG pinouts. Přepínací ovladač IC1, kterým je TNY284DG, používá kondenzátor C2 a 10uF 16V. Tento kondenzátor poskytuje hladký stejnosměrný výstup do vnitřního obvodu TNY284DG.

Ochrana proti podpětí pod napětím

Transformátor funguje jako obrovský induktor. Proto v každém spínacím cyklu transformátor indukuje vysokonapěťové špičky v důsledku únikového induktoru transformátoru. Zenerova dioda D1, která je diodou P6KE160, sepne obvod výstupního napětí a D2, která je UF4007, ultrarychlá dioda blokuje tyto vysokonapěťové hroty a tlumí ji na bezpečnou hodnotu, což je výhodné pro záchranu DRAIN pinu TNY284DG.

Magnetika a galvanická izolace

Transformátor je feromagnetický a nejen převádí vysokonapěťový střídavý proud na nízkonapěťový střídavý proud, ale také zajišťuje galvanické oddělení. Transformátor je transformátor EE16. Podrobnou specifikaci transformátoru najdete v datovém listu transformátoru, který byl dříve sdílen v části s požadovanými materiály.

EMI filtr

Filtrování EMI se provádí kondenzátorem C3. Kondenzátor C3 je vysokonapěťový kondenzátor 2,2nF 250VAC, který zvyšuje imunitu obvodu a snižuje vysoké rušení EMI.

Sekundární usměrňovač a obvod Snubber

Výstup z transformátoru je usměrňován pomocí Schottkyho diody SR360. Toto je 60V 3A dioda. Tato Schottkyho dioda D3 poskytuje stejnosměrný výstup z transformátoru, který je dále usměrňován velkým kondenzátorem C6 1000uF 16V.

Výstup transformátoru poskytuje zvlnění zvlnění, které je potlačeno tlumicím obvodem, který je vytvořen rezistorem a kondenzátorem nízké hodnoty v sériovém zapojení, které je paralelně s výstupním usměrňovačem. Rezistor s nízkou hodnotou je 22R a kondenzátor s nízkou hodnotou je 470 pF. Tyto dvě komponenty R8 a C5 vytvářejí tlumící obvod ve výstupní sekci DC.

Sekce filtru

Sekce filtru je vytvořena pomocí konfigurace LC. C je filtrační kondenzátor C6. Jedná se o kondenzátor Low ESR pro lepší potlačení zvlnění s hodnotou 100uF 16V a induktor L1 je 3,3uH bubnový induktor.

Sekce zpětné vazby

Výstupní napětí je snímáno U1 TL431 děličem napětí. Proto kdykoli dělič napětí produkuje dokonalé napětí, zapne TL431 optický vazební člen, kterým je PC817, označený jako OK1.

Protože existují dva volitelné napěťové operace 3,3 V a 5 V, existují dva děliče napětí vytvořené pomocí tří rezistorů R3, R4 a R5. R5 je společný pro všechny dva děliče, ale R3 a R4 lze měnit pomocí propojky. Po snímání vedení U1 je řízen optočlen, který dále spouští TNY284DG a galvanicky izoluje část snímání sekundární zpětné vazby od primárního ovladače.

Během prvního zapnutí, protože se jedná o konfiguraci zpětného letu, ovladač zapne přepínání a čeká na odezvu od optočlenu. Pokud je vše v pořádku, řidič pokračuje v přepínání, jinak přeskočte spínací cykly, pokud se vše nestane normálním.

Navrhování našich SMPS PCB

Jakmile je obvod dokončen, můžete jej otestovat na desce perf a poté začít s návrhem desky plošných spojů. K návrhu naší desky plošných spojů jsme použili orla, můžete si prohlédnout obrázek rozložení níže. Soubory návrhů si můžete také stáhnout z níže uvedeného odkazu.

• Eagle Schematics and PCB Design for 5V / 3.3V SMPS

Jak vidíte, velikost desky je 63 mm pro 32 mm, což je slušně malá velikost. Komponenty jsou umístěny v bezpečné vzdálenosti, aby byl zajištěn bezpečný provoz. Horní a spodní strana našich desek plošných spojů jsou zobrazeny na následujícím obrázku. Jedná se o dvouvrstvou desku plošných spojů s plánovanou tloušťkou mědi 35 um. Výstupní dioda a integrovaný obvod budiče vyžadují speciální tepelné úvahy pro účely související s odvodem tepla. Také na sekundární straně je šití provedeno pro lepší připojení k zemi.

Můžete si také všimnout, že na zadní straně desky je umístěno několik SMD komponent pro udržení velikosti modulu v malém rozměru. Pokud navrhujete desku plošných spojů SMPS, musíte dodržovat několik návrhových úvah. Další informace najdete v tomto článku v příručce Layout Guide pro návrh desek plošných spojů SMPS.

Výroba PCB pro 12v 1A SMPS obvod

Nyní chápeme, jak schémata fungují, můžeme pokračovat v budování desky plošných spojů pro naše SMPS. Jelikož se jedná o obvod SMPS, doporučuje se deska plošných spojů, protože by se mohla vypořádat s problémy se šumem a izolací. Uspořádání desek plošných spojů pro výše uvedený obvod je také k dispozici ke stažení jako Gerber z odkazu.

• Stáhněte si soubor Gerber pro 5V / 3,3V SMPS obvod

Nyní je náš design připraven, je čas nechat si je vyrobit pomocí souboru Gerber. Chcete-li udělat desku plošných spojů z PCBGOGO, je docela snadné, jednoduše postupujte podle následujících kroků-

Krok 1: Vstupte na www.pcbgogo.com, zaregistrujte se, pokud jste poprvé. Poté na kartě Prototyp desky plošných spojů zadejte rozměry desky plošných spojů, počet vrstev a požadovaný počet desek plošných spojů. Za předpokladu, že PCB je 80 cm × 80 cm, můžete nastavit rozměry, jak je uvedeno níže.

Krok 2: Pokračujte kliknutím na tlačítko Citovat nyní . Budete přesměrováni na stránku, kde můžete v případě potřeby nastavit několik dalších parametrů, jako je rozteč stopy použitého materiálu atd. Ale většinou budou výchozí hodnoty fungovat dobře. Jediná věc, kterou zde musíme vzít v úvahu, je cena a čas. Jak vidíte, doba sestavení je pouze 2–3 dny a stojí jen 5 $ za naši PCB. Poté můžete vybrat preferovaný způsob dopravy na základě vašeho požadavku.

Krok 3: Posledním krokem je nahrání souboru Gerber a pokračování platby. Aby bylo zajištěno, že proces bude hladký, PCBGOGO před pokračováním v platbě ověří, zda je váš soubor Gerber platný. Tímto způsobem si můžete být jisti, že vaše deska plošných spojů je přátelská k výrobě a dostane se k vám jako oddaná.

Montáž desky plošných spojů

Poté, co byla deska objednána, dorazila ke mně po několika dnech kurýrem v úhledně označeném dobře zabaleném boxu a jako vždy byla kvalita desky plošných spojů úžasná. DPS, který jsem obdržel, je uveden níže. Jak vidíte, horní i spodní vrstva se ukázala podle očekávání.

Průchody a podložky byly ve správné velikosti. Sestavení na desce s plošnými spoji do funkčního obvodu mi trvalo asi 15 minut. Sestavená deska je zobrazena níže.

Testování našeho 5V / 3,3V SMPS obvodu

Komponenty a testovací infrastrukturu poskytly Iquesters Solutions. Transformátor je však ručně vyrobený, můžete si také vytvořit vlastní transformátor SMPS. Zde je pro účely testování transformátor vyroben pro 1A. Lze použít správný poměr otáček transformátoru 1,5 A podle daných specifikací transformátoru. Po dokončení montáže naše deska SMPS vypadá takto.

Nyní otestovat naši desku SMPS, budu ji napájet pomocí Variac a pomocí elektronického stejnosměrného zatížení upravím výstupní proud. Níže uvedený obrázek ukazuje mé staré nastavení nastavitelného stejnosměrného zatížení připojené k naší desce SMPS. Můžete to otestovat s jakýmkoli zatížením podle vašeho výběru, ale použití nastavitelného stejnosměrného zatížení vám pomůže vyhodnotit vaše napájecí desky. Můžete také snadno vytvořit své vlastní nastavitelné elektronické stejnosměrné zatížení založené na Arduinu pomocí tohoto odkazu.

Jak můžete vidět na následujícím obrázku, změnil jsem propojovací můstek a testoval náš obvod SMPS pro 5V i 3,3V. Výstupní proud byl testován až na 850 mA, ale můžete také jít do 1,5 A na základě vaší konstrukce transformátoru.

Další informace o testování a konstrukci naleznete v níže uvedeném videu. Doufám, že se vám článek líbil a naučili jste se něco užitečného. Máte-li jakékoli dotazy, nechte je prosím v sekci komentářů níže nebo použijte naše fóra.