Designa din egen kompakta 5v / 3.3v smps-krets för inbäddade och iot-projekt

Ett grovt sätt att driva dina likströmskretsar med växelström är att använda en nedtransformator för att trappa ner 230V nätspänning och lägga till ett par dioder som en brygglikriktare. Men på grund av den enorma rymdstorleken och andra nackdelar kan den inte användas för alla ändamål. Ett annat mest populärt och professionellt sätt är att använda Switch Mode Strömförsörjningskretsar för att konvertera ditt nätuttag till ett brett spektrum av likspänning efter behov, nästan varje konsumentelektronik från normal 12V-adapter till en bärbar laddare har en SMPS-krets för att tillhandahålla den nödvändiga DC uteffekt.

På circuitdigest har vi redan byggt några populära SMPS-kretsarför olika betyg, nämligen 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS och 12V 1A SMPS-krets som var och en kan användas för olika applikationer. Den här gången bygger vi en SMPS som kan användas för allmänna ändamål och har en enkel modulform som kan användas i rymdrelaterade situationer. Numera använder Internet of Things olika wifi-baserade processorer som NodeMCU, ESP32 och ESP12E, etc. som fungerar på 5V eller 3.3V. Dessa moduler är mycket kompakta och därför är det vettigt att använda mindre SMPS-kretsar som kan gå på samma kort istället för att använda en separat SMPS-krets. Därför kommer vi i den här artikeln att lära oss hur man bygger en SMPS-krets som antingen kan mata ut 5V eller 3,3V (hårdvara som kan konfigureras med bygel), kretsdesignen och PCB-layouten tillhandahålls också, så att du helt enkelt kan porta detta till din befintliga design.Här tillverkas våra PCB-kort av PCBGoGo, en porslinbaserad högkvalitativ högkvalitativ PCB-prototyp och PCB-monteringsföretag.

Betyget för SMPS är 5V eller 3,3V 1,5A eftersom de flesta av utvecklingskortet använder 5V eller 3,3V logiska spänningar och 1,5A borde vara tillräckligt bra för de flesta IoT-baserade applikationer. Men observera att den här SMPS inte har några filter i ingångssektionen för att minska storlek och kostnad. Därför kan denna SMPS endast användas för att driva mikrokontrollkort eller ladda. Se till att den täcks från användarens räckvidd när den används.

Varning: Att arbeta med SMPS-kretsar kan vara farligt eftersom det handlar om växelspänning som är potentiellt dödlig. Försök inte bygga detta om du inte har erfarenhet av att arbeta med nätström. Var alltid försiktig med strömförande ledningar och laddade kondensatorer, använd skyddsverktyg och övervakning vid behov. Du har blivit varnad!!

5V / 3.3V SMPS-kortspecifikationer

SMPS kommer att ha följande specifikationer.

1. 85VAC till 230VAC ingång.
2. 5V eller 3.3V valbar 2A-utgång.
3. Öppen ramkonstruktion
4. Kortslutnings- och överspänningsskydd
5. Liten storlek med billiga funktioner.

Material som krävs för SMPS Circuit (BOM)

1. Säkring 1A 250VAC långsam slag
2. Diode Bridge DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE-diod
5. UF4007
6. 2Meg - 2 st - 0805-paket
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - 0805-paket
10. PC817
11. 1k - 0805-paket
12. 22R - 2st - 0805-paket
13. 100 nF - 0805-paket
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - 0805-paket
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Trumkärna
19. 2.2nF 250VAC

Obs: Alla delar valdes för att vara lätt tillgängliga för designers. SMPS-transformatorn måste anpassas med hjälp av detta datablad. Du kan antingen använda en leverantör för att bygga en eller designa och linda din SMPS-transformator med länken.

Denna SMPS är designad med hjälp av kraftintegration IC TNY284DG. Denna SMPS Diver IC är bäst lämpad för denna SMPS eftersom IC finns i SMD-paket såväl som wattvärdet är lämpligt för ändamålet. Bilden nedan visar specifikationen för wattstyrka för TNY284DG.

Som vi kan se är TNY284DG perfekt för vårt alternativ. Eftersom konstruktionen är en öppen ram, kommer den att matcha uteffekten på 8,5 W. Det betyder att det enkelt kan ge 1,5A vid 5V.

5V / 3,3V SMPS-kretsschema

Konstruktionen av denna SMPS är ganska enkel och rakt framåt. Denna design använder Power Integration-chipset som en IC för SMPS-drivrutiner. Kretsschemat kan ses i nedanstående bild-

Konstruktion och arbete

Innan vi går direkt in i byggandet av prototypdelen, låt oss utforska kretsfunktionen. Kretsen har följande avsnitt-

1. Ingångsskydd
2. AC-DC-omvandling
3. Drivkrets eller omkopplingskrets
4. Låsskydd under spänning.
5. Klämkrets
6. Magnetik och galvanisk isolering
7. EMI-filtrering
8. Sekundär likriktare och snubberkrets
9. Filtersektion
10. Feedback avsnitt.

Ingångsskydd

F1 är en långsam säkring som skyddar SMPS från hög belastning och fel. SMPS-ingångssektionen använder inga EMI-filteröverväganden. Detta är en 1A 250VAC långsam säkring och som skyddar SMPS i felförhållanden. Denna säkring kan dock ändras till en glassäkring. Du kan också kolla in artikeln om olika typer av säkringar.

AC-DC-omvandling

B1 är diodbrolikriktaren. Detta är DB107, en 1A 700V diodbro. Detta omvandlar AC-ingången till DC-spänningen. Dessutom kommer 10uF 400V kondensatorn att vara avgörande för att rätta till DC-krusningen och det kommer att ge en jämn DC-utgång till drivkretsen såväl som transformatorn.

Driver Circuitry eller Switching Circuit

Det är huvudkomponenten i denna SMPS. Transformatorns primära sida styrs korrekt av omkopplingskretsen TNY284DG. Växelfrekvensen är 120-132 kHz. På grund av denna höga omkopplingsfrekvens kan mindre transformatorer användas.

Ovanstående pinout-diagram visar TNY284DG pinouts. Omkopplingsdrivrutinen IC1, som är TNY284DG, använder C2 en 10uF 16V kondensator. Denna kondensator ger en jämn likströmsutgång till den interna kretsen på TNY284DG.

Låsskydd under spänning

Transformatorn fungerar som en enorm induktor. Därför inducerar transformatorn i varje omkopplingscykel högspänningsspikar på grund av transformatorns läckinduktor. Zener-dioden D1, som är en P6KE160- diod, klämmer utmatningsspänningskretsen och D2 som är UF4007, en ultra-snabb diod blockerar dessa högspänningsspikar och dämpar den till ett säkert värde vilket är fördelaktigt för att spara DRAIN-stiftet på TNY284DG.

Magnetik och galvanisk isolering

Transformatorn är ferromagnetisk och omvandlar inte bara högspänning växelström till lågspänning växelström utan ger också galvanisk isolering. Transformatorn är en EE16-transformator. Den detaljerade transformatorspecifikationen kan ses i transformatorns datablad som delades tidigare i avsnittet om material som krävs.

EMI-filter

EMI-filtrering görs av C3-kondensatorn. C3 kondensator är en högspänning 2.2nF 250VAC kondensator, vilket ökar kretsimmuniteten och minskar den höga EMI-störningen.

Sekundär likriktare och snubberkrets

Utgången från transformatorn korrigeras med en Schottky-diod SR360. Detta är en 60V 3A-diod. Denna Schottky-diod D3 ger likströmsutgång från transformatorn som ytterligare korrigeras av den stora 1000uF 16V kondensatorn C6.

Transformatorns utgång ger en ringkrusning som undertrycks av snubberkretsen som skapas av lågvärdesmotståndet och kondensatorn i seriekoppling som är parallell med utgångsriktaren. Motståndet med lågt värde är 22R och kondensatorn med lågt värde är 470 pF. Dessa två komponenter R8 och C5 skapar snubberkretsen i DC-utgångssektionen.

Filtersektion

Filteravsnittet skapas med en LC-konfiguration. C är filterkondensatorn C6. Det är en låg ESR-kondensator för bättre rippelavstötning med ett värde på 100uF 16V och induktorn L1 är 3,3uH trumkärninduktor.

Feedback avsnitt

Utspänningen känns av U1 TL431 av en spänningsdelare. Därför, när spänningsdelaren producerar en perfekt spänning, slår TL431 på en opt-koppling som är PC817, betecknad som OK1.

Eftersom det finns två valbara spänningsoperationer 3.3V och 5V, finns det två spänningsdelare skapade med tre motstånd R3, R4 och R5. R5 är vanligt för alla två avdelare men R3 och R4 kan bytas med hjälp av en bygel. Efter avkänning av linjen U1 styrs optokopplaren som ytterligare utlöser TNY284DG och galvaniskt isolerar den sekundära återkopplingsavkänningsdelen med den primära sidokontrollen.

Under den första uppstarten, eftersom detta är en återkopplingskonfiguration, slår föraren på växling och väntar på svaret från optokopplaren. Om allt är normalt fortsätter föraren omkopplingen, annars hoppar du över omkopplingscyklerna såvida inte allt blev normalt.

Designa vår SMPS PCB

När kretsen är klar kan du testa den på ett perfekt kort och sedan börja med din PCB-design. Vi har använt eagle för att designa vår PCB, du kan kolla in layoutbilden nedan. Du kan också ladda ner designfilerna från länken nedan.

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

Som du kan se är brädstorleken 63 mm för 32 mm, vilket är en anständigt liten storlek. Komponenterna är placerade på säkert avstånd för att säkerställa säker drift. Den övre och nedre sidan av vår PCB visas i bilden nedan. Det är ett dubbelskikt kretskort med en planerad tjocklek på 35um koppar. Utgångsdioden och drivenhetens IC behöver särskild termisk övervägande för värmeavledningsrelaterade ändamål. På sekundärsidan görs också sömmar för bättre markanslutning.

Du kan också märka att få SMD-komponenter är placerade på baksidan av kortet för att hålla modulstorleken i en liten dimension. Det finns få designhänsyn som du måste följa om du utformar din SMPS PCB, kolla in den här artikeln om SMPS PCB design Layout Guide för att veta mer.

Tillverkar kretskort för 12v 1A SMPS-krets

Nu förstår vi hur schemat fungerar, vi kan fortsätta med att bygga PCB för vår SMPS. Eftersom detta är en SMPS-krets rekommenderas ett kretskort eftersom det kan hantera buller och isoleringsproblem. PCB-layouten för ovanstående krets är också tillgänglig för nedladdning som Gerber från länken.

• Ladda ner Gerber-fil för 5V / 3.3V SMPS Circuit

Nu är vår design klar, det är dags att få dem tillverkade med Gerber-filen. För att få PCB gjort från PCBGOGO är det ganska enkelt, följ bara stegen nedan-

Steg 1: Gå in på www.pcbgogo.com, registrera dig om det är första gången. Ange sedan dimensionerna på din PCB, antalet lager och antalet PCB du behöver på fliken PCB Prototype. Förutsatt att kretskortet är 80 cm × 80 cm kan du ställa in måtten enligt nedan.

Steg 2: Fortsätt genom att klicka på knappen Citera nu . Du kommer till en sida där du kan ställa in några ytterligare parametrar om det behövs som material som används spåravstånd, etc. Men för det mesta fungerar standardvärdena bra. Det enda som vi måste tänka på här är pris och tid. Som du kan se är byggtiden bara 2-3 dagar och det kostar bara 5 USD för vår PCB. Du kan sedan välja en föredragen leveransmetod baserat på ditt krav.

Steg 3: Det sista steget är att ladda upp Gerber-filen och fortsätta med betalningen. För att säkerställa att processen är smidig verifierar PCBGOGO om din Gerber-fil är giltig innan du fortsätter med betalningen. På så sätt kan du vara säker på att din PCB är tillverkningsvänlig och når dig som engagerad.

Montering av kretskortet

Efter att tavlan beställdes nådde den mig efter några dagar via kurir i en snyggt märkt välpackad låda, och som alltid var PCB-kvaliteten fantastisk. PCB: n som mottogs av mig visas nedan. Som du ser har både det övre och det undre lagret visat sig som förväntat.

Vias och dynor var alla i rätt storlek. Det tog mig cirka 15 minuter att montera på kretskort till en arbetskrets. Det monterade kortet visas nedan.

Testar vår 5V / 3,3V SMPS-krets

Komponenter och testinfrastrukturen tillhandahölls av Iquesters Solutions. Transformatorn är dock handgjord, du kan också bygga din egen SMPS-transformator. Här för teständamål är transformatorn gjord för 1A. Man kan använda rätt svängförhållande för 1,5A transformator enligt givna transformatorspecifikationer. Vårt SMPS-kort ser ut så här när monteringen är klar.

För att testa vårt SMPS-kort ska jag driva det med en Variac och använda en elektronisk DC-belastning för att justera utströmmen. Bilden nedan visar min gamla inställning av DC-belastning ansluten till vårt SMPS-kort. Du kan testa det med valfri belastning, men med en justerbar DC-belastning kan du utvärdera dina strömförsörjningskort. Du kan också enkelt bygga din egen Arduino-baserade justerbara elektroniska DC-belastning genom att följa den här länken.

Som du kan se i bilden nedan testade jag vår SMPS-krets för både 5V och 3.3V genom att byta bygelstift. Utgångsströmmen testades för upp till 850 mA, men du kan också gå till 1,5 A baserat på din transformatordesign.

För mer information om testning och konstruktion, vänligen kolla in videolänken nedan. Jag hoppas att du gillade artikeln och lärde dig något användbart. Om du har några frågor, vänligen lämna dem i kommentarfältet nedan eller använd våra forum.