Створіть свою власну компактну схему 5v / 3.3v smps для вбудованих та iot проектів

Грубий спосіб живити ваші ланцюги постійного струму від мережі змінного струму - використовувати понижуючий трансформатор для зниження напруги мережі 230 В і додавання пари діодів як випрямляча мосту. Але через величезний розмір простору та інші недоліки його не можна використовувати для всіх цілей. Іншим найбільш популярним і професійним способом є використання схем живлення в режимі перемикання для перетворення мережі змінного струму в широкий діапазон напруги постійного струму, як потрібно, майже кожна побутова електроніка від звичайного адаптера 12 В до зарядного пристрою для ноутбука має схему SMPS для забезпечення необхідного постійного струму вихідна потужність.

У circuitdigest ми вже побудували кілька популярних SMPS-схемдля різних номіналів, а саме 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS та 12V 1A SMPS, кожна з яких може бути використана для різних застосувань. Цього разу ми створимо SMPS, який може бути використаний для загальних цілей і має просту форму модуля для використання у ситуаціях, пов’язаних з космосом. В наш час Інтернет речей використовує різні процесори на базі wifi, такі як NodeMCU, ESP32 та ESP12E тощо, які працюють від напруги 5 В або 3,3 В. Ці модулі дуже компактні, і тому для живлення цих плат має сенс використовувати менші схеми SMPS, які можуть йти на одній платі, замість того, щоб використовувати окрему схему SMPS. Отже, у цій статті ми дізнаємось, як побудувати схему SMPS, яка може виводити 5 В або 3,3 В (апаратно конфігурується за допомогою перемички), також пропонується дизайн схеми та компонування друкованої плати, так що ви можете просто перенести це у свою існуючу конструкцію.Тут наші друковані плати виробляються компанією PCBGoGo, китайською компанією, яка пропонує низьку вартість високоякісних прототипів друкованих плат та сервісної компанії, що займається складанням друкованих плат.

Рейтинг SMPS становить 5 В або 3,3 В 1,5 А, оскільки більшість плат розробки використовують напруги логічного рівня 5 В або 3,3 В, а 1,5 А має бути достатньо хорошим для більшості додатків на основі IoT. Але зверніть увагу, що цей SMPS не має фільтрів у розділі введення для зменшення розміру та вартості. Таким чином, цей SMPS можна використовувати лише для живлення мікроконтролерних плат або для зарядки. Переконайтеся, що під час роботи він буде захищений від досяжності користувача.

Попередження: робота з ланцюгами SMPS може бути небезпечною, оскільки вона включає напругу мережі змінного струму, яка може бути смертельною. Не намагайтеся побудувати це, якщо у вас немає досвіду роботи з мережею змінного струму. Завжди будьте обережні з дротами під напругою та зарядженими конденсаторами, використовуйте захисні інструменти та нагляд, якщо потрібно. Вас попередили !!

Технічні характеристики плати SMPS 5V / 3.3V

SMPS матиме такі специфікації.

1. Вхід від 85 до 230 В змінного струму.
2. 5В або 3.3В на вибір 2А вихід.
3. Відкрито-каркасна конструкція
4. Захист від короткого замикання та перенапруги
5. Невеликий розмір з недорогими функціями.

Матеріали, необхідні для схеми SMPS (BOM)

1. Запобіжник 1А 250 В змінного струму повільний
2. Діодний міст DB107
3. 10 мкФ / 400 В
4. Діод P6KE
5. UF4007
6. 2 мг - 2 шт - упаковка 0805
7. 2,2 нФ 250 В змінного струму
8. TNY284DG
9. 10 мкФ / 16 В - пакет 0805
10. ПК817
11. 1к - 0805 упаковка
12. 22R - 2шт - 0805 упаковка
13. 100 нФ - пакет 0805
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100В - 0805 упаковка
17. 1000 мкФ 16 В
18. 3,3 мкГн - сердечник барабана
19. 2,2 нФ 250 В змінного струму

Примітка: Усі деталі були обрані, щоб бути легко доступними для дизайнерів. Трансформатор SMPS повинен бути виконаний на замовлення, використовуючи цю таблицю даних. Ви можете або використати постачальника для його побудови, або спроектувати та намотати ваш SMPS трансформатор за посиланням.

Цей SMPS розроблений з використанням інтегральної схеми живлення TNY284DG. Цей мікросхемний датчик SMPS найкраще підходить для цього SMPS, оскільки мікросхема доступна в комплекті SMD, а також потужність підходить для цієї мети. На зображенні нижче показано специфікацію потужності TNY284DG.

Як ми бачимо, TNY284DG ідеально підходить для нашого варіанту. Оскільки конструкція являє собою відкриту раму, вона буде відповідати вихідній потужності 8,5 Вт. Це означає, що він може легко забезпечити 1,5 А при 5 В.

Електрична схема 5V / 3.3V SMPS

Побудова цього СМПС досить проста і зрозуміла. Ця конструкція використовує набір мікросхем Power Integration як мікросхему драйвера SMPS. Схему схеми можна побачити на зображенні нижче -

Будівництво та робота

Перш ніж переходити безпосередньо до побудови прототипу, давайте дослідимо роботу схеми. Схема має такі розділи -

1. Захист вхідних даних
2. Перетворення змінного та постійного струму
3. Схема драйвера або схема перемикання
4. Захист від блокування під напругою.
5. Схема затиску
6. Магнетика та гальванічна ізоляція
7. Фільтрування EMI
8. Вторинний випрямляч і глушник
9. Розділ фільтра
10. Розділ зворотного зв’язку.

Захист вхідних даних

F1 - запобіжник повільного розряджання, який захистить SMPS від високих навантажень та несправностей. Розділ введення SMPS не використовує жодних міркувань щодо фільтру EMI. Це запобіжник з повільним розрядженням 1А на 250 В, який захищатиме ДЗП в умовах несправності. Однак цей запобіжник можна змінити на скляний. Ви також можете переглянути статтю про різні типи запобіжників.

Перетворення змінного та постійного струму

B1 - випрямляч діодного моста. Це DB107, діодний міст 1А 700В. Це перетворить вхід змінного струму в напругу постійного струму. Крім того, конденсатор 10 мкФ 400 В буде важливим для виправлення пульсацій постійного струму, і він забезпечить плавний вихід постійного струму на схему драйвера, а також на трансформатор.

Схема драйвера або комутаційна схема

Це головний компонент цього СМПС. Первинна сторона трансформатора належним чином управляється комутаційною ланцюгом TNY284DG. Частота комутації становить 120-132 кГц. Завдяки цій високій частоті комутації можна використовувати менші трансформатори.

На наведеній вище схемі розписування показано розпінації TNY284DG. Драйвер IC1 комутації, який є TNY284DG, використовує C2 конденсатор 16 мкФ 10 мкФ. Цей конденсатор забезпечує плавний вихід постійного струму до внутрішньої схеми TNY284DG.

Захист від блокування під напругою

Трансформатор діє як величезна індуктивність. Тому в кожному циклі комутації трансформатор індукує стрибки високої напруги через індуктивність витоку трансформатора. Стабілітрон D1, який є діодом P6KE160, затискає ланцюг вихідної напруги і D2, який є UF4007, надшвидкий діод блокує ці високовольтні стрибки і змочує його до безпечного значення, що корисно для збереження DRAIN штифта TNY284DG.

Магнетика та гальванічна ізоляція

Трансформатор є феромагнітним, і він не тільки перетворює високовольтний змінний струм на низьковольтний, але також забезпечує гальванічну розв'язку. Трансформатор є трансформатором EE16. Детальну специфікацію трансформатора можна переглянути в технічному паспорті трансформатора, який був представлений раніше в розділі необхідних матеріалів.

EMI-фільтр

Фільтрація ЕМІ здійснюється конденсатором С3. Конденсатор С3 - це конденсатор високої напруги 2,2 нФ 250 В змінного струму, який підвищує імунітет ланцюга та зменшує високі перешкоди ЕМІ.

Вторинний випрямляч і снубер-схема

Вихід трансформатора випрямляється за допомогою діода Шотткі SR360. Це діод 60В 3А. Цей діод Шотткі D3 забезпечує вихід постійного струму від трансформатора, який додатково виправляється великим конденсатором C6 на 1000 мкФ.

На виході трансформатора забезпечується дзвінка пульсація, яка пригнічується ланцюгом глушника, який створюється малоцінним резистором і конденсатором у послідовному з'єднанні, паралельно вихідному випрямлячу. Малоцінний резистор - 22R, а малоцінний - 470 пФ. Ці два компоненти R8 і C5 створюють принудительну ланцюг у вихідній секції постійного струму.

Розділ фільтра

Розділ фільтра створюється за допомогою конфігурації LC. C - конденсатор фільтра C6. Це конденсатор з низьким коефіцієнтом ESR для кращого відхилення пульсацій зі значенням 100 мкФ 16 В, а індуктор L1 становить 3,3 мкГн індуктивності серцевини барабана.

Розділ зворотного зв’язку

Вихідна напруга визначається U1 TL431 дільником напруги. Отже, щоразу, коли дільник напруги видає ідеальну напругу, TL431 вмикає оптичну муфту, яка є PC817, позначену як OK1.

Оскільки існує два режими напруги, що вибираються, 3,3 В і 5 В, є два дільники напруги, створені з використанням трьох резисторів R3, R4 і R5. R5 є загальним для всіх двох дільників, але R3 і R4 можна змінювати за допомогою перемички. Після зондування лінії U1 управляється оптроном, який додатково спрацьовує TNY284DG і гальванічно ізолює вторинну частину зондування зворотного зв'язку первинним бічним контролером.

Під час першого включення, оскільки це конфігурація зворотного зв'язку, драйвер вмикає перемикання і чекає відповіді оптопари. Якщо все нормально, водій продовжує перемикання, інакше пропустіть цикли перемикання, якщо все не стане нормальним.

Розробка нашої плати SMPS

Після того, як схема буде доопрацьована, ви можете протестувати її на платі для перфорації, а потім розпочати з дизайну друкованої плати. Ми використовували орел для проектування нашої друкованої плати, ви можете переглянути зображення макета нижче. Ви також можете завантажити дизайнерські файли за посиланням нижче.

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

Як бачите, розмір плати становить 63 мм для 32 мм, що є пристойним невеликим розміром. Компоненти розміщені на безпечній відстані для забезпечення безпечної роботи. Верхня та нижня сторони нашої друкованої плати показані на зображенні нижче. Це двошарова друкована плата із запланованою товщиною 35 мкм міді. Вихідний діод і мікросхема драйвера потребують спеціального теплового врахування для цілей, пов'язаних з розсіюванням тепла. Крім того, на вторинній стороні за допомогою зшивання робиться для кращого підключення до землі.

Ви також можете помітити, що на задній панелі плати розміщено мало компонентів SMD, щоб розмір модуля був невеликим. Є декілька міркувань щодо проектування, яких ви повинні дотримуватися, якщо ви розробляєте свою друковану плату SMPS, ознайомтесь із цією статтею в Керівництві з розміщення друкованої плати SMPS, щоб дізнатися більше.

Виготовлення друкованої плати для схеми SMPS 12v 1A

Тепер ми розуміємо, як працюють схеми, і можемо приступити до побудови друкованої плати для нашої SMPS. Оскільки це схема SMPS, рекомендується друкована плата, оскільки вона може мати справу з проблемами шуму та ізоляції. Схема друкованої плати для вищезазначеної схеми також доступна для завантаження як Gerber за посиланням.

• Завантажте файл Gerber для схеми SMPS 5V / 3.3V

Тепер наш дизайн готовий, пора їх виготовити за допомогою файлу Гербера. Отримати друковану плату з PCBGOGO досить просто, просто виконайте наведені нижче дії.

Крок 1: Зайдіть на www.pcbgogo.com, підпишіться, якщо це ваш перший раз. Потім на вкладці «Прототип друкованої плати» введіть розміри вашої друкованої плати, кількість шарів та кількість необхідної вам друкованої плати. Припускаючи, що друкована плата становить 80 см × 80 см, ви можете встановити розміри, як показано нижче.

Крок 2: Продовжуйте, натискаючи кнопку Quote Now . Ви потрапите на сторінку, де за необхідності можна встановити кілька додаткових параметрів, наприклад, використовуваний інтервал між доріжками тощо. Але переважно значення за замовчуванням будуть працювати нормально. Єдине, що ми маємо тут врахувати, це ціна та час. Як бачите, час збірки складає лише 2-3 дні, а на нашу друковану плату вона коштує лише 5 доларів. Потім ви можете вибрати бажаний спосіб доставки відповідно до ваших вимог.

Крок 3: Останнім кроком є ​​завантаження файлу Gerber і продовження платежу. Щоб переконатися, що процес є безперебійним, PCBGOGO перевіряє, чи дійсний ваш файл Gerber, перш ніж продовжувати оплату. Таким чином, ви можете бути впевнені, що ваша друкована плата є зручною для виготовлення та зв’яжеться з вами як докладена.

Складання друкованої плати

Після того, як плату замовили, вона через кілька днів дійшла до мене через кур’єра в акуратно поміченій добре упакованій коробці, і як завжди якість друкованої плати була надзвичайною. Отримана мною друкована плата показана нижче. Як бачите, і верхній, і нижній шар вийшли, як очікувалося.

Віази та прокладки були всіх розмірів. Мені знадобилося близько 15 хвилин, щоб зібрати плату друкованої плати в робочий ланцюг. Зібрана дошка показана нижче.

Тестування нашої схеми SMPS 5 В / 3,3 В

Компоненти та інфраструктуру тестування надала компанія Iquesters Solutions. Однак Трансформатор виготовлений власноруч, ви також можете побудувати власний трансформатор SMPS. Тут для цілей випробувань трансформатор виготовлений на 1А. Можна використовувати належний коефіцієнт витків для трансформатора 1,5А відповідно до заданих характеристик трансформатора. Наша плата СМПС виглядає так, коли монтаж виконується.

Тепер, щоб протестувати нашу плату SMPS, я надую її за допомогою Variac і використаю електронне навантаження постійного струму для регулювання вихідного струму. На зображенні нижче показано моє старе регульоване навантаження постійного струму, підключене до нашої плати SMPS. Ви можете перевірити його з будь-яким навантаженням на ваш вибір, але використання регульованого навантаження постійного струму допоможе вам оцінити ваші плати живлення. Ви також можете легко створити власний регульований електронний навантажувач постійного струму на основі Arduino, перейшовши за цим посиланням.

Як ви можете бачити на зображенні нижче, я протестував нашу схему SMPS як на 5 В, так і на 3.3 В, змінивши штифт перемички. Вихідний струм був протестований до 850 мА, але ви також можете перейти до 1,5 А на основі вашої конструкції трансформатора.

Для отримання додаткової інформації про випробування та будівництво, будь ласка, перегляньте посилання на відео нижче. Сподіваюся, вам сподобалась стаття і ви дізналися щось корисне. Якщо у вас виникли запитання, залиште їх у розділі коментарів нижче або скористайтеся нашими форумами.