Ontwerp uw eigen compacte 5v / 3.3v smps-circuit voor embedded en IoT-projecten

Een grove manier om uw DC-circuits van stroom te voorzien, is door een step-down transformator te gebruiken om de 230V-netspanning te verlagen en een paar diodes toe te voegen als bruggelijkrichter. Maar vanwege de enorme grootte van de ruimte en andere nadelen, kan het niet voor alle doeleinden worden gebruikt. Een andere meest populaire en professionele manier is om Switch Mode Power Supply Circuits te gebruiken om uw AC-netspanning naar behoefte om te zetten in een breed scala aan DC-spanning, bijna elke consumentenelektronica, van een normale 12V-adapter tot een laptopoplader, heeft een SMPS-circuit om de vereiste gelijkstroom te leveren. uitgangsvermogen.

Bij circuitdigest hebben we al enkele populaire SMPS-circuits gebouwdvoor verschillende waarden, namelijk de 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS en 12V 1A SMPS-schakeling die elk voor verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. Deze keer zullen we een SMPS bouwen die voor algemene doeleinden kan worden gebruikt en een eenvoudige modulevorm heeft om te gebruiken in ruimtegerelateerde situaties. Tegenwoordig gebruikt het internet der dingen verschillende op wifi gebaseerde processors zoals NodeMCU, ESP32 en ESP12E, enz. Die werken op 5V of 3.3V. Deze modules zijn zeer compact en om deze kaarten van stroom te voorzien, is het logisch om kleinere SMPS-circuits te gebruiken die op hetzelfde bord kunnen worden aangesloten, in plaats van een afzonderlijk SMPS-circuit te gebruiken. Daarom zullen we in dit artikel leren hoe we een SMPS-circuit kunnen bouwen dat 5V of 3.3V kan uitvoeren (hardware configureerbaar met behulp van jumper), het circuitontwerp en de PCB-lay-out worden ook geleverd, zodat u dit eenvoudig in uw bestaande ontwerp kunt overbrengen.Hier worden onze printplaten vervaardigd door PCBGoGo, een in China gevestigd goedkoop hoogwaardig PCB-prototype en PCB-assemblagedienst.

De classificatie van de SMPS is 5 V of 3,3 V 1,5 A, aangezien de meeste ontwikkelborden 5 V of 3,3 V spanningen op logisch niveau gebruiken en 1,5 A goed genoeg zou moeten zijn voor de meeste op IoT gebaseerde toepassingen. Houd er echter rekening mee dat deze SMPS geen filters heeft in het invoergedeelte om de grootte en kosten te verminderen. Daarom kan deze SMPS alleen worden gebruikt voor het voeden van microcontroller-kaarten of voor oplaaddoeleinden. Zorg ervoor dat het tijdens het gebruik wordt afgedekt buiten het bereik van de gebruiker.

Waarschuwing: Werken met SMPS-circuits kan gevaarlijk zijn omdat het wisselstroomspanning betreft die mogelijk dodelijk is. Probeer dit niet te bouwen als u geen ervaring heeft met het werken met wisselstroom. Wees altijd voorzichtig met spanningvoerende draden en geladen condensatoren, gebruik indien nodig beschermend gereedschap en toezicht. Je bent gewaarschuwd!!

5V / 3.3V SMPS-bordspecificaties

De SMPS heeft de volgende specificaties.

1. 85VAC tot 230VAC ingang.
2. 5V of 3.3V selecteerbare 2A-uitgang.
3. Open frame constructie
4. Kortsluiting en overspanningsbeveiliging
5. Klein formaat met goedkope functies.

Benodigde materialen voor SMPS-circuit (BOM)

1. Zekering 1A 250VAC Traag doorbranden
2. Diodebrug DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE-diode
5. UF4007
6. 2Meg - 2 stuks - 0805-verpakking
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - 0805-pakket
10. PC817
11. 1k - 0805 pakket
12. 22R - 2 stuks - 0805 verpakking
13. 100 nF - 0805 pakket
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - 0805 pakket
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Drumkern
19. 2.2nF 250VAC

Opmerking: alle onderdelen zijn geselecteerd om gemakkelijk beschikbaar te zijn voor ontwerpers. De SMPS-transformator moet op maat worden gebouwd met behulp van dit gegevensblad. U kunt een leverancier gebruiken om er een te bouwen of uw SMPS-transformator ontwerpen en opwinden met behulp van de link.

Deze SMPS is ontworpen met behulp van stroomintegratie IC TNY284DG. Deze SMPS Diver IC is het meest geschikt voor deze SMPS aangezien de IC zowel in SMD-verpakking verkrijgbaar is als het wattage voor het doel geschikt is. De onderstaande afbeelding toont de wattage-specificatie van TNY284DG.

Zoals we kunnen zien, is TNY284DG perfect voor onze optie. Omdat de constructie een open frame is, komt deze overeen met het uitgangsvermogen van 8,5W. Dit betekent dat het gemakkelijk 1,5A bij 5V kan leveren.

5V / 3.3V SMPS-schakelschema

De constructie van deze SMPS is vrij eenvoudig en ongecompliceerd. Dit ontwerp gebruikt de Power Integration-chipset als een SMPS-stuurprogramma-IC. Het schema van het circuit is te zien in de onderstaande afbeelding-

Bouw en werken

Laten we, voordat we direct beginnen met het bouwen van het prototypedeel, de werking van de schakelingen bekijken. Het circuit heeft de volgende secties-

1. Invoerbeveiliging
2. AC-DC-conversie
3. Stuurcircuit of schakelcircuit
4. Bescherming tegen te lage spanning.
5. Klem circuit
6. Magnetics en galvanische isolatie
7. EMI-filtering
8. Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit
9. Filter sectie
10. Feedback sectie.

Invoerbeveiliging

F1 is een trage zekering die de SMPS beschermt tegen hoge belasting en foutcondities. Het SMPS-invoergedeelte maakt geen gebruik van overwegingen met betrekking tot EMI-filters. Dit is een 1A 250VAC trage zekering en die beschermt de SMPS bij storingen. Deze zekering kan echter worden vervangen door een glaszekering. Je kunt ook het artikel over verschillende soorten zekeringen lezen.

AC-DC-conversie

B1 is de diodebruggelijkrichter. Dit is DB107, een 1A 700V diodebrug. Dit converteert de AC-ingang naar de DC-spanning. Bovendien is de condensator van 10uF 400V essentieel voor het corrigeren van de DC-rimpel en zorgt hij voor een gelijkmatige DC-uitvoer naar zowel het stuurcircuit als de transformator.

Driver Circuitry of Switching Circuit

Het is het belangrijkste onderdeel van deze SMPS. De primaire kant van de transformator wordt correct bestuurd door het schakelcircuit TNY284DG. De schakelfrequentie is 120-132 kHz. Door deze hoge schakelfrequentie kunnen kleinere transformatoren worden gebruikt.

Het bovenstaande pinout-diagram toont TNY284DG-pinouts. De schakelende driver IC1 die TNY284DG is, gebruikt C2 een 10uF 16V condensator. Deze condensator zorgt voor een gelijkmatige gelijkstroom naar het interne circuit van TNY284DG.

Bescherming tegen te lage spanning

De transformator fungeert als een enorme inductor. Daarom induceert de transformator in elke schakelcyclus hoge spanningspieken vanwege de lekinductor van de transformator. De zenerdiode D1 die een P6KE160- diode is, klemt het uitgangsspanningscircuit vast en de D2 die UF4007 is, een ultrasnelle diode blokkeert deze hoogspanningspieken en dempt deze tot een veilige waarde die gunstig is om de DRAIN-pin van de TNY284DG op te slaan.

Magnetics en galvanische isolatie

De transformator is ferromagnetisch en zet niet alleen de hoogspanning wisselstroom om naar een laagspanning wisselstroom, maar zorgt ook voor galvanische isolatie. De transformator is een EE16-transformator. De gedetailleerde specificatie van de transformator is te zien in het gegevensblad van de transformator dat eerder werd gedeeld in de sectie met vereiste materialen.

EMI-filter

EMI-filtering wordt gedaan door de C3-condensator. C3-condensator is een hoogspannings-condensator van 2.2nF 250VAC, die de circuitimmuniteit verhoogt en de hoge EMI-interferentie vermindert.

Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit

De uitvoer van de transformator wordt gelijkgericht met behulp van een Schottky-diode SR360. Dit is een 60V 3A diode. Deze Schottky-diode D3 levert gelijkstroom van de transformator die verder wordt gelijkgericht door de grote 1000uF 16V condensator C6.

De uitgang van de transformator zorgt voor een piepende rimpel die wordt onderdrukt door de snubber-schakeling die wordt gecreëerd door de laagwaardige weerstand en condensator in serieschakeling die parallel staat met de uitgangsgelijkrichter. De lage weerstand is 22R en de lage condensator is 470 pF. Deze twee componenten R8 en C5 vormen het snubbercircuit in het DC-uitgangsgedeelte.

Filter sectie

De filtersectie wordt gemaakt met behulp van een LC-configuratie. De C is de filtercondensator C6. Het is een lage ESR-condensator voor een betere rimpelonderdrukking met een waarde van 100uF 16V en de inductor L1 is een 3,3uH drumkerninductor.

Feedback-sectie

De uitgangsspanning wordt gedetecteerd door de U1 TL431 door een spanningsdeler. Daarom, wanneer de spanningsdeler een perfecte spanning produceert, schakelt de TL431 een opt-koppelaar in die PC817 is, aangeduid als OK1.

Omdat er twee selecteerbare spanningsbewerkingen van 3,3 V en 5 V zijn, zijn er twee spanningsdelers gemaakt met behulp van drie weerstanden R3, R4 en R5. R5 is gebruikelijk voor alle twee verdelers, maar de R3 en R4 kunnen worden gewijzigd met behulp van een jumper. Na het detecteren van de lijn, U1, wordt de optocoupler bestuurd die de TNY284DG verder triggert en galvanisch het secundaire feedback-detectiegedeelte isoleert met de primaire zijcontroller.

Aangezien dit een flyback-configuratie is, schakelt de bestuurder tijdens de eerste keer opstarten het schakelen in en wacht op de reactie van de optocoupler. Als alles normaal is, gaat de bestuurder door met schakelen, anders slaat hij de schakelcycli over, tenzij alles normaal werd.

Het ontwerpen van onze SMPS-printplaat

Zodra het circuit is voltooid, kunt u het testen op een perfboard en vervolgens beginnen met uw PCB-ontwerp. We hebben eagle gebruikt om onze PCB te ontwerpen, u kunt de lay-outafbeelding hieronder bekijken. U kunt de ontwerpbestanden ook downloaden via de onderstaande link.

• Eagle-schema's en PCB-ontwerp voor 5V / 3.3V SMPS

Zoals je kunt zien, is het bordformaat 63 mm voor 32 mm, wat een redelijk klein formaat is. De componenten zijn op een veilige afstand geplaatst om een ​​veilige werking te garanderen. De boven- en onderkant van onze printplaat worden weergegeven in de onderstaande afbeelding. Het is een dubbellaagse printplaat met een geplande dikte van 35um koper. De uitgangsdiode en de driver-IC hebben speciale thermische overwegingen nodig voor doeleinden die verband houden met warmtedissipatie. Ook wordt aan de secundaire zijde via stiksels gedaan voor een betere verbinding met de grond.

U kunt ook opmerken dat er weinig SMD-componenten in de achterkant van het bord zijn geplaatst om de modulegrootte klein te houden. Er zijn enkele ontwerpoverwegingen die u moet volgen als u uw SMPS-printplaat ontwerpt, bekijk dit artikel over de SMPS PCB-ontwerplay-outgids voor meer informatie.

Fabricage PCB voor 12v 1A SMPS-circuit

Nu we begrijpen hoe de schema's werken, kunnen we doorgaan met het bouwen van de PCB voor onze SMPS. Aangezien dit een SMPS-circuit is, wordt een PCB aanbevolen, omdat deze problemen met ruis en isolatie kan oplossen. De PCB-layout voor het bovenstaande circuit is ook beschikbaar om te downloaden als Gerber via de link.

• Download Gerber-bestand voor 5V / 3.3V SMPS-circuit

Nu ons ontwerp klaar is, is het tijd om ze te laten fabriceren met behulp van het Gerber-bestand. Om de PCB van PCBGOGO af te krijgen is vrij eenvoudig, volg gewoon de onderstaande stappen-

Stap 1: Ga naar www.pcbgogo.com, meld u aan als dit de eerste keer is. Voer vervolgens op het tabblad PCB-prototype de afmetingen van uw PCB, het aantal lagen en het aantal PCB's dat u nodig heeft in. Ervan uitgaande dat de printplaat 80 cm × 80 cm is, kunt u de afmetingen instellen zoals hieronder weergegeven.

Stap 2: Ga verder door op de knop Nu citeren te klikken. U wordt naar een pagina geleid waar u indien nodig een paar aanvullende parameters kunt instellen, zoals het gebruikte materiaal voor de spoorafstand, enz. Maar meestal werken de standaardwaarden prima. Het enige waar we hier rekening mee moeten houden, is de prijs en tijd. Zoals je kunt zien is de bouwtijd slechts 2-3 dagen en kost het slechts $ 5 voor onze printplaat. U kunt vervolgens een gewenste verzendmethode selecteren op basis van uw vereisten.

Stap 3: De laatste stap is om het Gerber-bestand te uploaden en door te gaan met de betaling. Om ervoor te zorgen dat het proces soepel verloopt, controleert PCBGOGO of uw Gerber-bestand geldig is voordat u doorgaat met de betaling. Zo weet u zeker dat uw printplaat fabricagevriendelijk is en u als toegewijd zult bereiken.

De printplaat in elkaar zetten

Nadat het bord was besteld, bereikte het me na enkele dagen via een koerier in een keurig gelabelde, goed verpakte doos, en zoals altijd was de kwaliteit van de printplaat geweldig. Hieronder zie je de print die ik heb ontvangen. Zoals je ziet, is zowel de bovenste als de onderste laag uitgekomen zoals verwacht.

De via's en pads hadden allemaal de juiste maat. Het kostte me ongeveer 15 minuten om de printplaat in een werkend circuit te monteren. Het samengestelde bord wordt hieronder weergegeven.

Ons 5V / 3.3V SMPS-circuit testen

Componenten en de testinfrastructuur werden geleverd door Iquesters Solutions. De Transformer is echter handgemaakt, u kunt ook uw eigen SMPS-transformator bouwen. Hier voor testdoeleinden is de transformator gemaakt voor 1A. Men kan de juiste windingsverhouding gebruiken voor een 1,5A-transformator volgens de gegeven transformatorspecificaties. Ons SMPS-bord ziet er zo uit als de montage is voltooid.

Om ons SMPS-bord te testen, zal ik het voeden met een Variac en een elektronische DC-belasting gebruiken om de uitgangsstroom aan te passen. De onderstaande afbeelding toont mijn oude instelbare DC-belastingsopstelling die is aangesloten op ons SMPS-bord. U kunt het testen met elke gewenste belasting, maar het gebruik van een instelbare DC-belasting helpt u bij het evalueren van uw voedingsborden. U kunt ook eenvoudig uw eigen Arduino-gebaseerde verstelbare elektronische DC-belasting bouwen door deze link te volgen.

Zoals je in de onderstaande afbeelding kunt zien, heb ik ons ​​SMPS-circuit getest voor zowel 5V als 3.3V door de jumperpin te veranderen. De uitgangsstroom is getest tot 850mA maar je kunt ook gaan tot 1.5A op basis van je transformatorontwerp.

Bekijk de onderstaande videolink voor meer informatie over het testen en bouwen. Ik hoop dat je het artikel leuk vond en iets nuttigs hebt geleerd. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in de commentaarsectie hieronder of gebruik onze forums.