Navrhnite si svoj vlastný kompaktný obvod 5v / 3,3v smps pre zabudované a iot projekty

Surovým spôsobom napájania vašich jednosmerných obvodov striedavým prúdom je použitie redukčného transformátora na zníženie sieťového napätia 230 V a pridanie niekoľkých diód ako mostíkového usmerňovača. Ale vzhľadom na veľkú veľkosť priestoru a ďalšie nevýhody ho nemožno použiť na všetky účely. Ďalším najpopulárnejším a najprofesionálnejším spôsobom je použitie spínaných napájacích obvodov na konverziu vašej elektrickej siete na širokú škálu jednosmerného napätia podľa potreby. Takmer každá spotrebná elektronika od bežného adaptéra 12V po nabíjačku notebooku má obvod SMPS na zabezpečenie požadovaného napätia výstupný výkon.

Na serveri CircuitDigest sme už postavili niekoľko populárnych obvodov SMPSpre rôzne hodnotenie, menovite 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS a 12V 1A SMPS obvod, z ktorých každý môže byť použitý pre rôzne aplikácie. Tentokrát postavíme SMPS, ktorý sa dá použiť na všeobecné účely a má jednoduchý tvar modulu, ktorý sa dá použiť v situáciách súvisiacich s vesmírom. V dnešnej dobe používa internet vecí rôzne procesory založené na wifi, ako sú NodeMCU, ESP32 a ESP12E atď., Ktoré pracujú na 5 V alebo 3,3 V. Tieto moduly sú veľmi kompaktné, a preto na napájanie týchto dosiek má zmysel používať menšie obvody SMPS, ktoré môžu ísť na rovnakú dosku, namiesto použitia samostatného obvodu SMPS. Preto sa v tomto článku dozvieme, ako vytvoriť obvod SMPS, ktorý môže produkovať výstup 5 V alebo 3,3 V (hardvér konfigurovateľný pomocou prepojky), je poskytnutý aj návrh obvodu a rozloženie plošných spojov, takže ho môžete jednoducho preniesť do existujúceho dizajnu.Tu naše dosky s plošnými spojmi vyrába spoločnosť PCBGoGo, čínsky nízkonákladový vysoko kvalitný prototyp dosiek s plošnými spojmi a spoločnosť poskytujúca montážne služby s plošnými spojmi.

Hodnotenie SMPS je 5V alebo 3,3V 1,5A, pretože väčšina vývojových dosiek používa logické úrovne napätia 5V alebo 3,3V a 1,5A by malo byť dosť dobré pre väčšinu aplikácií založených na IoT. Nezabudnite však, že tento SMPS nemá vo vstupnej časti žiadne filtre, aby sa znížila veľkosť a náklady. Preto je možné tento SMPS použiť iba na napájanie dosiek mikrokontrolérov alebo na nabíjanie. Za prevádzky sa uistite, že bude zakryté z dosahu používateľa.

Varovanie: Práca s obvodmi SMPS môže byť nebezpečná, pretože zahŕňa sieťové napätie, ktoré je potenciálne smrteľné. Nepokúšajte sa to zostaviť, ak nemáte skúsenosti s prácou so sieťovým napájaním. S vodičmi pod napätím a nabitými kondenzátormi buďte vždy opatrní, v prípade potreby používajte ochranné nástroje a dozor. Bol si varovaný!!

Špecifikácie dosky SMPS 5V / 3,3V

SMPS bude mať nasledujúce špecifikácie.

1. Vstup 85VAC až 230VAC.
2. 5V alebo 3,3V voliteľný výstup 2A.
3. Konštrukcia s otvoreným rámom
4. Skrat a ochrana proti prepätiu
5. Malá veľkosť s nízkonákladovými funkciami.

Materiály požadované pre obvod SMPS (BOM)

1. Poistka 1A 250VAC, pomalá
2. Diódový mostík DB107
3. 10uF / 400V
4. Dióda P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 ks - balenie 0805
7. 2,2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - balenie 0805
10. PC817
11. 1k - 0805 balenie
12. 22R - 2ks - 0805 balenie
13. 100 nF - 0805 balenie
14. TL431
15. SR360
16. Balenie 470pF 100V - 0805
17. 1 000uF 16V
18. 3,3uH - jadro bubna
19. 2,2nF 250VAC

Poznámka: Všetky časti boli vybrané tak, aby boli ľahko dostupné pre návrhárov. Transformátor SMPS musí byť zostavený na mieru pomocou tohto technického listu. Na zostavenie môžete buď použiť predajcu, alebo navrhnúť a navinúť transformátor SMPS pomocou odkazu.

Tento SMPS je navrhnutý s využitím integrácie napájania IC TNY284DG. Tento integrovaný obvod SMPS Diver je pre tento SMPS najvhodnejší, pretože integrovaný obvod je k dispozícii v balení SMD a príkon je vhodný na tento účel. Nasledujúci obrázok zobrazuje výkonovú špecifikáciu TNY284DG.

Ako vidíme, TNY284DG je pre našu voľbu ideálny. Pretože je konštrukcia otvoreného rámu, bude zodpovedať výstupnému príkonu 8,5 W. To znamená, že môže ľahko poskytnúť 1,5 A pri 5 V.

Schéma zapojenia SMPS 5V / 3,3V

Konštrukcia tohto SMPS je dosť jednoduchá a jednoduchá. Tento dizajn využíva čipovú sadu Power Integration ako integrovaný obvod ovládača SMPS. Schéma obvodu je vidieť na nasledujúcom obrázku -

Konštrukcia a práca

Predtým, ako sa pustíme priamo do stavby prototypovej časti, poďme preskúmať činnosť obvodov. Okruh má nasledujúce sekcie -

1. Ochrana vstupu
2. AC-DC prevod
3. Obvody vodiča alebo spínací obvod
4. Ochrana proti blokovaniu podpätia.
5. Svorkový obvod
6. Magnetické a galvanické oddelenie
7. Filtrovanie EMI
8. Sekundárny usmerňovač a tlmiaci obvod
9. Sekcia filtra
10. Sekcia spätnej väzby.

Ochrana vstupu

F1 je poistka s pomalým prepálením, ktorá ochráni SMPS pred vysokým zaťažením a poruchovými stavmi. Vstupná časť SMPS nepoužíva žiadne hľadiská filtra EMI. Jedná sa o 1A 250VAC pomalú poistku, ktorá ochráni SMPS v poruchových podmienkach. Túto poistku je však možné zmeniť na sklenenú. Môžete si tiež pozrieť článok o rôznych druhoch poistiek.

Konverzia AC-DC

B1 je usmerňovací diódový mostík. Toto je DB107, 1A 700V diódový mostík. Toto prevedie striedavý vstup na jednosmerné napätie. Ďalej, kondenzátor 10uF 400V bude nevyhnutný na usmernenie zvlnenia jednosmerného prúdu a bude poskytovať hladký jednosmerný výstup budiacemu obvodu aj transformátoru.

Obvod vodiča alebo spínací obvod

Je to hlavná súčasť tohto SMPS. Primárna strana transformátora je správne riadená spínacím obvodom TNY284DG. Spínacia frekvencia je 120 - 132 kHz. Vďaka tejto vysokej spínacej frekvencii je možné použiť menšie transformátory.

Vyššie uvedený pinoutový diagram zobrazuje pinouts TNY284DG. Prepínací budič IC1, ktorým je TNY284DG, používa kondenzátor C2 a 10uF 16V. Tento kondenzátor poskytuje hladký jednosmerný výstup do vnútorného obvodu TNY284DG.

Ochrana proti podpätiu pod napätím

Transformátor funguje ako obrovský induktor. Preto v každom spínacom cykle transformátor indukuje vysokonapäťové hroty v dôsledku únikového induktora transformátora. Zenerova dióda D1, ktorá je diódou P6KE160, upína obvod výstupného napätia a D2, ktorá je UF4007, ultrarýchla dióda blokuje tieto vysokonapäťové hroty a tlmí ju na bezpečnú hodnotu, čo je prospešné na záchranu kolíka DRAIN TNY284DG..

Magnetika a galvanická izolácia

Transformátor je feromagnetický a nielenže prevádza vysokonapäťové striedavé napätie na nízkonapäťové striedavé napätie, ale tiež poskytuje galvanické oddelenie. Transformátor je transformátor EE16. Podrobnú špecifikáciu transformátora nájdete v údajovom liste transformátora, ktorý bol predtým zdieľaný v časti s požadovanými materiálmi.

EMI filter

Filtrovanie EMI sa vykonáva kondenzátorom C3. Kondenzátor C3 je vysokonapäťový kondenzátor 2,2nF 250VAC, ktorý zvyšuje imunitu obvodu a znižuje vysoké rušenie EMI.

Sekundárny usmerňovací a tlmiaci obvod

Výstup z transformátora je usmerňovaný pomocou Schottkyho diódy SR360. Toto je 60V 3A dióda. Táto Schottkyho dióda D3 poskytuje jednosmerný výstup z transformátora, ktorý je ďalej usmerňovaný veľkým 16V kondenzátorom C6 s veľkosťou 1000uF.

Výstup transformátora poskytuje zvlnenie zvonenia, ktoré je potlačené tlmiacim obvodom, ktorý je tvorený rezistorom a kondenzátorom nízkej hodnoty v sériovom zapojení paralelne s výstupným usmerňovačom. Rezistor s nízkou hodnotou je 22R a kondenzátor s nízkou hodnotou je 470 pF. Tieto dva komponenty R8 a C5 vytvárajú tlmiaci obvod v výstupnej časti DC.

Sekcia filtra

Sekcia filtra je vytvorená pomocou konfigurácie LC. C je filtračný kondenzátor C6. Jedná sa o kondenzátor s nízkym ESR pre lepšie potlačenie zvlnenia s hodnotou 100uF 16V a induktor L1 je induktor bubnového jadra 3,3uH.

Sekcia spätnej väzby

Výstupné napätie sníma U1 TL431 deličom napätia. Preto vždy, keď delič napätia produkuje dokonalé napätie, TL431 zapne optickú spojku, ktorá je PC817, označená ako OK1.

Pretože existujú dva režimy voliteľného napätia 3,3 V a 5 V, existujú dva rozdeľovače napätia vytvorené pomocou troch rezistorov R3, R4 a R5. R5 je spoločný pre všetky dva rozdeľovače, ale R3 a R4 sú vymeniteľné pomocou prepojky. Po snímaní vedenia U1 je riadený optočlen, ktorý ďalej spúšťa TNY284DG a galvanicky izoluje časť snímajúcu sekundárnu spätnú väzbu od primárneho bočného ovládača.

Počas prvého zapnutia, pretože ide o konfiguráciu spätného chodu, vodič zapne prepínanie a čaká na reakciu optočlenu. Ak je všetko v poriadku, vodič pokračuje v radení, inak cykly prepínania preskočte, pokiaľ sa všetko nestane normálnym.

Navrhovanie našich SMPS DPS

Po dokončení obvodu ho môžete otestovať na doske perf a potom začať s dizajnom dosky plošných spojov. Na navrhnutie našej DPS sme použili orla. Môžete si pozrieť obrázok rozloženia nižšie. Súbory návrhov si môžete stiahnuť aj z nasledujúceho odkazu.

• Eagle Schémy a DPS pre 5V / 3,3V SMPS

Ako vidíte, veľkosť dosky je 63 mm pre 32 mm, čo je slušne malá veľkosť. Súčiastky sú umiestnené v bezpečnej vzdialenosti, aby bola zaistená bezpečná prevádzka. Horná strana a spodná strana našej DPS sú zobrazené na obrázku nižšie. Jedná sa o dvojvrstvovú dosku s plošnými spojmi s plánovanou hrúbkou medi 35 μm. Výstupná dióda a integrovaný obvod budiča je potrebné osobitne tepelne zohľadniť na účely súvisiace s odvodom tepla. Tiež na sekundárnej strane je šitie vykonané pre lepšie pripojenie k zemi.

Môžete si tiež všimnúť, že v zadnej časti dosky je umiestnených niekoľko SMD komponentov, ktoré udržujú malú veľkosť modulu. Existuje niekoľko dizajnových úvah, ktoré musíte dodržať, ak navrhujete SMPS PCB. Ak sa chcete dozvedieť viac, prečítajte si tento článok v Sprievodcovi usporiadaním SMPS PCB.

Výroba DPS pre obvod SMPS 12v 1A

Teraz chápeme, ako fungujú schémy, môžeme pokračovať v budovaní PCB pre naše SMPS. Pretože sa jedná o obvod SMPS, odporúča sa PCB, pretože by sa mohol vyrovnať s problémami so šumom a izoláciou. Usporiadanie PCB pre vyššie uvedený obvod je tiež k dispozícii na stiahnutie ako Gerber z odkazu.

• Stiahnite si súbor Gerber pre obvod 5PS / 3,3V SMPS

Teraz je náš dizajn pripravený, je čas nechať si ich vyrobiť pomocou súboru Gerber. Ak chcete urobiť PCB z PCBGOGO, je celkom jednoduché, postupujte podľa krokov uvedených nižšie -

Krok 1: Choďte na www.pcbgogo.com, zaregistrujte sa, ak ste prvýkrát. Potom na karte Prototyp PCB zadajte rozmery vašej PCB, počet vrstiev a požadovaný počet PCB. Za predpokladu, že DPS je 80 cm × 80 cm, môžete nastaviť rozmery tak, ako je to zobrazené nižšie.

Krok 2: Pokračujte kliknutím na tlačidlo Citovať teraz . Budete presmerovaní na stránku, kde môžete v prípade potreby nastaviť niekoľko ďalších parametrov, ako napríklad rozstup použitých koľají, použitý materiál, atď. Väčšinou však budú predvolené hodnoty fungovať dobre. Jediná vec, ktorú tu musíme brať do úvahy, je cena a čas. Ako vidíte, čas zostavenia je iba 2 - 3 dni a stojí iba 5 dolárov za našu DPS. Potom môžete zvoliť preferovaný spôsob dopravy na základe vašej požiadavky.

Krok 3: Posledným krokom je nahranie súboru Gerber a pokračovanie v platbe. Pred pokračovaním v platbe PCBGOGO overí, či je váš súbor Gerber platný, aby sa ubezpečil, že proces je hladký. Týmto spôsobom si môžete byť istí, že vaša doska s plošnými spojmi je vhodná pre výrobu a že sa k vám dostane ako zaviazaná.

Montáž DPS

Po objednaní dosky sa ku mne po niekoľkých dňoch dostala kuriérom v úhľadne označenej dobre zabalenej krabici a ako vždy bola kvalita DPS úžasná. DPS, ktorý som dostal, je uvedený nižšie. Ako vidíte, vrchná aj spodná vrstva dopadla podľa očakávania.

Priechody a podložky boli všetky v správnej veľkosti. Montovanie na dosku s plošnými spojmi do funkčného obvodu mi trvalo asi 15 minút. Zostavená doska je zobrazená nižšie.

Testujeme náš obvod 5PS / 3,3V SMPS

Komponenty a testovaciu infraštruktúru poskytli Iquesters Solutions. Transformátor je však vyrobený ručne, môžete si tiež vytvoriť svoj vlastný transformátor SMPS. Tu pre účely testovania je transformátor vyrobený pre 1A. Pre transformátor 1,5 A je možné použiť správny pomer otáčok podľa daných špecifikácií transformátora. Po dokončení montáže vyzerá naša doska SMPS takto.

Teraz, aby som otestoval našu dosku SMPS, prepnem ju pomocou Variacu a na nastavenie výstupného prúdu použijem elektronickú jednosmernú záťaž. Nasledujúci obrázok zobrazuje moje staré nastavenie nastaviteľného DC zaťaženia pripojené k našej doske SMPS. Môžete to vyskúšať s akýmkoľvek zaťažením podľa vášho výberu, ale použitie nastaviteľného jednosmerného zaťaženia vám pomôže vyhodnotiť vaše dosky napájacieho zdroja. Pomocou tohto odkazu môžete tiež ľahko vytvoriť svoje vlastné nastaviteľné elektronické jednosmerné zaťaženie založené na Arduine.

Ako môžete vidieť na nasledujúcom obrázku, testoval som náš obvod SMPS pre napätie 5 V aj 3,3 V zmenou prepojovacieho kolíka. Výstupný prúd bol testovaný až do 850 mA, ale môžete tiež ísť do 1,5 A na základe vašej konštrukcie transformátora.

Ak chcete získať viac informácií o testovaní a konštrukcii, pozrite si odkaz na video uvedený nižšie. Dúfam, že sa vám článok páčil a dozvedeli ste sa niečo užitočné. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich prosím v sekcii komentárov nižšie alebo použite naše fóra.