Design din egen kompakte 5v / 3.3v smps-krets for innebygde og iot-prosjekter

En grov måte å strømforsyne DC-kretsene dine med vekselstrøm er å bruke en nedtrappingstransformator for å trappe ned 230V nettspenning og legge til et par dioder som en bro likeretter. Men på grunn av den enorme plassstørrelsen og andre ulemper, kan den ikke brukes til alle formål. En annen mest populær og profesjonell måte er å bruke Switch Mode Power Supply Circuits for å konvertere strømnettet til et bredt spekter av likestrøm etter behov, nesten alle forbrukerelektronikker fra vanlig 12V adapter til en bærbar lader har en SMPS-krets for å gi den nødvendige DC utgangseffekt.

På circuitdigest har vi allerede bygget få populære SMPS-kretserfor forskjellige rangeringer, nemlig 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS og 12V 1A SMPS-krets som hver kan brukes til forskjellige applikasjoner. Denne gangen bygger vi en SMPS som kan brukes til generelle formål og har en enkel modulform som skal brukes i romrelaterte situasjoner. I dag bruker tingenes internett forskjellige wifi-baserte prosessorer som NodeMCU, ESP32 og ESP12E, etc. som fungerer på 5V eller 3.3V. Disse modulene er svært kompakte, og det er derfor fornuftig å bruke mindre SMPS-kretser som kan gå på samme kort, i stedet for å bruke en egen SMPS-krets for å drive disse kortene. Derfor vil vi i denne artikkelen lære hvordan du bygger en SMPS-krets som enten kan sende ut 5V eller 3.3V (maskinvarekonfigurerbar ved hjelp av jumper), kretsdesign og PCB-layout er også gitt, slik at du ganske enkelt kan portere dette til din eksisterende design.Her produseres våre PCB-kort av PCBGoGo, et Kina-basert lavprissett høykvalitets PCB-prototype og PCB-monteringstjenesteselskap.

Rangeringen av SMPS er 5V eller 3.3V 1.5A, ettersom det meste av utviklingskortet bruker 5V eller 3.3V logiske nivåspenninger og 1.5A bør være god nok for de fleste IoT-baserte applikasjoner. Men vær oppmerksom på at denne SMPS ikke har noen filtre i inndataseksjonen for å redusere størrelse og kostnad. Derfor kan denne SMPS bare brukes til å drive mikrokontrollerkort eller ladeformål. Forsikre deg om at den blir dekket fra brukerens rekkevidde når den er i drift.

Advarsel: Arbeid med SMPS-kretser kan være farlig ettersom det involverer vekselstrømspenning som er potensielt dødelig. Ikke prøv å bygge dette hvis du ikke har erfaring med strømnettet. Vær alltid forsiktig med strømførende ledninger og ladede kondensatorer, bruk beskyttelsesverktøy og tilsyn om nødvendig. Du har blitt advart!!

5V / 3.3V SMPS Board Spesifikasjoner

SMPS vil ha følgende spesifikasjoner.

1. 85VAC til 230VAC inngang.
2. 5V eller 3.3V valgbar 2A utgang.
3. Åpen rammekonstruksjon
4. Kortslutnings- og overspenningsbeskyttelse
5. Liten størrelse med rimelige funksjoner.

Materialer som kreves for SMPS Circuit (BOM)

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

Merk: Alle delene ble valgt for å være lett tilgjengelige for designere. SMPS-transformatoren må tilpasses med dette databladet. Du kan enten bruke en leverandør til å bygge en eller designe og vikle SMPS-transformatoren din ved hjelp av lenken.

Denne SMPS er designet med kraftintegrasjon IC TNY284DG. Denne SMPS Diver IC er best egnet for denne SMPS, da IC er tilgjengelig i SMD-pakke, så vel som wattstyrken er egnet for formålet. Bildet nedenfor viser wattstyrkespesifikasjonen til TNY284DG.

Som vi kan se, er TNY284DG perfekt for vårt valg. Siden konstruksjonen er en åpen ramme, vil den matche utgangseffekten på 8,5 W. Det betyr at det lett kan gi 1,5A ved 5V.

5V / 3.3V SMPS kretsdiagram

Byggingen av denne SMPS er ganske enkel og rett frem. Denne designen bruker Power Integration-brikkesettet som en IC-driver for SMPS-drivere. Skjematisk av kretsen kan sees i bildet nedenfor -

Bygg og arbeid

Før vi går rett inn i å bygge prototypedelen, la oss utforske kretsoperasjonen. Kretsen har følgende seksjoner-

1. Inngangsbeskyttelse
2. AC-DC konvertering
3. Driverkrets eller bryterkrets
4. Beskyttelse mot spenning.
5. Klemkrets
6. Magnetikk og galvanisk isolasjon
7. EMI-filtrering
8. Sekundær likeretter og snubberkrets
9. Filterseksjon
10. Tilbakemeldingsseksjon.

Inngangsbeskyttelse

F1 er en langsom sikring som beskytter SMPS mot høy belastning og feil. SMPS-inngangsseksjonen bruker ikke EMI-filterhensyn. Dette er en 1A 250VAC sikring med langsom slag og som vil beskytte SMPS under feilforhold. Imidlertid kan denne sikringen byttes til en glassikring. Du kan også sjekke artikkelen om forskjellige typer sikringer.

AC-DC-konvertering

B1 er diode bro likeretter. Dette er DB107, en 1A 700V diodebro. Dette vil konvertere AC-inngangen til DC-spenningen. I tillegg vil kondensatoren på 10uF 400V være viktig for å rette opp DC-krusningen, og den vil gi jevn DC-utgang til driverkretsen så vel som transformatoren.

Driverkrets eller bryterkrets

Det er hovedkomponenten i denne SMPS. Transformatorens primærside styres riktig av bryterkretsen TNY284DG. Byttefrekvensen er 120-132 kHz. På grunn av denne høye koblingsfrekvensen kan mindre transformatorer brukes.

Ovenstående pinout-diagram viser TNY284DG pinouts. Koblingsdriveren IC1 som er TNY284DG bruker C2 en 10uF 16V kondensator. Denne kondensatoren gir en jevn DC-utgang til den interne kretsen til TNY284DG.

Beskyttelse mot spenning

Transformatoren fungerer som en enorm induktor. Derfor, i hver koblingssyklus, induserer transformatoren høyspennings pigger på grunn av transformatorens lekkasjonsinduktor. Zener-dioden D1, som er en P6KE160- diode, klemmer utgangsspenningskretsen og D2 som er UF4007, en ultrahurtig diode blokkerer disse høyspenningspiggene og demper den til en sikker verdi som er gunstig for å lagre DRAIN-stiften til TNY284DG.

Magnetikk og galvanisk isolasjon

Transformatoren er ferromagnetisk, og den konverterer ikke bare høyspenningen til lavspenning, men gir også galvanisk isolasjon. Transformatoren er en EE16-transformator. Den detaljerte transformatorspesifikasjonen kan sees i databladet til transformatoren som ble delt tidligere i materialkravet.

EMI-filter

EMI-filtrering gjøres av C3 kondensatoren. C3 kondensator er en høyspenning 2.2nF 250VAC kondensator, som øker kretsimmuniteten og reduserer den høye EMI-interferensen.

Sekundær likeretter og snubberkrets

Utgangen fra transformatoren utbedres ved hjelp av en Schottky-diode SR360. Dette er en 60V 3A-diode. Denne Schottky-dioden D3 gir likestrøm fra transformatoren som blir rettet opp ytterligere av den store 1000uF 16V kondensatoren C6.

Utgangen fra transformatoren gir en ringring som undertrykkes av snubberkretsen som er opprettet av lavverdimotstanden og kondensatoren i seriekobling som er parallelt med utgangsretteren. Motstanden med lav verdi er 22R og kondensatoren med lav verdi er 470 pF. Disse to komponentene R8 og C5 lager snubberkretsen i DC-utgangsseksjonen.

Filterseksjon

Filterdelen opprettes ved hjelp av en LC-konfigurasjon. C er filterkondensatoren C6. Det er en lav ESR-kondensator for bedre avstøtning av krusninger med en verdi på 100uF 16V, og induktoren L1 er 3,3uH trommekjernespole.

Tilbakemeldingsseksjon

Utgangsspenningen registreres av U1 TL431 av en spenningsdeler. Derfor, når spenningsdeleren produserer en perfekt spenning, slår TL431 på en opt-kobling som er PC817, betegnet som OK1.

Siden det er to valgbare spenningsoperasjoner 3.3V og 5V, er det to spenningsdelere opprettet ved hjelp av tre motstander R3, R4 og R5. R5 er vanlig for alle to delere, men R3 og R4 kan skiftes ved hjelp av en genser. Etter å ha registrert linjen U1, blir optokoblingen styrt som ytterligere utløser TNY284DG og galvanisk isolerer den sekundære tilbakemeldingsdelen med den primære sidekontrolleren.

I løpet av den første oppstarten, da dette er en tilbakekoblingskonfigurasjon, slår sjåføren på seg og venter på svaret fra optokoblingen. Hvis alt er normalt, fortsetter sjåføren byttingen, ellers hopper du over byttesyklusene med mindre alt ble normalt.

Designe SMPS PCB

Når kretsen er ferdig, kan du teste den på et perf-kort og deretter starte med PCB-designet. Vi har brukt eagle til å designe PCB-en vår, du kan sjekke layoutbildet nedenfor. Du kan også laste ned designfilene fra lenken nedenfor.

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

Som du kan se er brettstørrelsen 63mm for 32mm, som er en anstendig liten størrelse. Komponentene plasseres i sikker avstand for å sikre sikker drift. Over- og undersiden av PCB-en vår vises i bildet nedenfor. Det er et dobbeltlags PCB-kort med en planlagt tykkelse på 35um kobber. Utgangsdioden og driver IC trenger spesiell termisk vurdering for varmespredningsrelaterte formål. Også på sekundærsiden gjøres sømmer for bedre bakkekonnektivitet.

Du kan også legge merke til at få SMD-komponenter er plassert på baksiden av brettet for å holde modulstørrelsen i en liten dimensjon. Det er få designhensyn du må følge hvis du designer SMPS PCB, sjekk ut denne artikkelen på SMPS PCB design Layout Guide for å vite mer.

Fabrikasjon av PCB for 12V 1A SMPS-krets

Nå forstår vi hvordan skjemaene fungerer, vi kan fortsette med å bygge PCB for SMPS. Siden dette er en SMPS-krets, anbefales et PCB, da det kan håndtere støy- og isolasjonsproblemer. PCB-oppsettet for kretsen ovenfor er også tilgjengelig for nedlasting som Gerber fra lenken.

• Last ned Gerber-fil for 5V / 3.3V SMPS Circuit

Nå er designet vårt klart, det er på tide å få dem fabrikert ved hjelp av Gerber-filen. For å få PCB gjort fra PCBGOGO er ganske enkelt, følg bare trinnene nedenfor -

Trinn 1: Gå inn på www.pcbgogo.com, registrer deg hvis dette er første gang. Skriv deretter inn dimensjonene på PCB, antall lag og antall PCB du trenger i kategorien PCB Prototype. Forutsatt at PCB er 80 cm × 80 cm, kan du stille inn dimensjonene som vist nedenfor.

Trinn 2: Fortsett ved å klikke på Sitat nå- knappen. Du vil bli ført til en side der du kan angi noen ekstra parametere hvis nødvendig, for eksempel materialet som brukes sporavstand osv. Men for det meste vil standardverdiene fungere bra. Det eneste vi må vurdere her er pris og tid. Som du kan se er byggetiden bare 2-3 dager, og det koster bare $ 5 for PCB. Du kan deretter velge en foretrukket fraktmetode basert på dine krav.

Trinn 3: Det siste trinnet er å laste opp Gerber-filen og fortsette med betalingen. For å sikre at prosessen er jevn, verifiserer PCBGOGO om Gerber-filen din er gyldig før du fortsetter med betalingen. På denne måten kan du være sikker på at PCB er fabrikasjonsvennlig og vil nå deg som engasjert.

Montering av PCB

Etter at brettet var bestilt, nådde det meg etter noen dager gjennom bud i en pent merket, godt pakket eske, og som alltid var kvaliteten på PCB fantastisk. PCB som ble mottatt av meg er vist nedenfor. Som du ser har både topp- og bunnlaget blitt som forventet.

Viasene og putene var alle i riktig størrelse. Det tok meg rundt 15 minutter å montere PCB-kortet til en arbeidskrets. Det monterte brettet er vist nedenfor.

Testing av vår 5V / 3,3V SMPS-krets

Komponenter og testinfrastrukturen ble levert av Iquesters Solutions. Imidlertid er Transformeren håndlaget, du kan også bygge din egen SMPS-transformator. Her for testformål er transformatoren laget for 1A. Man kan bruke riktig svingforhold for 1,5A transformator i henhold til de gitte transformatorspesifikasjonene. SMPS-kortet vårt ser slik ut når monteringen er ferdig.

Nå for å teste SMPS-kortet vårt, vil jeg drive det med en Variac og bruke en elektronisk DC-belastning for å justere utgangsstrømmen. Bildet nedenfor viser min gamle justerbare DC-belastning som er koblet til SMPS-kortet vårt. Du kan teste den med hvilken som helst belastning du ønsker, men å bruke en justerbar DC-belastning vil hjelpe deg med å evaluere strømforsyningskortene dine. Du kan også enkelt lage din egen Arduino-baserte justerbare elektroniske DC-belastning ved å følge denne lenken.

Som du kan se i bildet nedenfor, testet jeg SMPS-kretsen vår for både 5V og 3.3V ved å bytte jumperpinne. Utgangsstrømmen ble testet for opptil 850 mA, men du kan også gå til 1,5 A basert på transformatordesignet ditt.

For mer info om testing og konstruksjon, vennligst sjekk videolinken nedenfor. Jeg håper du likte artikkelen og lærte noe nyttig. Hvis du har spørsmål, kan du legge dem i kommentarfeltet nedenfor eller bruke forumene våre.