Создайте свою собственную компактную схему smps 5 В / 3,3 В для встраиваемых и интернет-проектов

Грубый способ питания ваших цепей постоянного тока от сети переменного тока - это использовать понижающий трансформатор для понижения сетевого напряжения 230 В и добавить пару диодов в качестве мостового выпрямителя. Но из-за огромного размера пространства и других недостатков его нельзя использовать для всех целей. Еще один наиболее популярный и профессиональный способ - использовать схемы импульсного источника питания для преобразования вашей сети переменного тока в широкий диапазон постоянного напряжения по мере необходимости.Почти каждая бытовая электроника, от обычного адаптера 12 В до зарядного устройства для ноутбука, имеет схему SMPS для обеспечения необходимого постоянного тока. выходная мощность.

На сайте circuitdigest мы уже построили несколько популярных схем SMPS.для различных номиналов, а именно цепи SMPS 12 В 1 А Viper 22 А, 5 В 2 А и цепи ИИП 12 В 1 А, каждая из которых может использоваться для различных приложений. На этот раз мы построим SMPS, который можно использовать для общих целей и который имеет простую модульную форму для использования в ситуациях, связанных с космосом. В настоящее время Интернет вещей использует различные процессоры на основе Wi-Fi, такие как NodeMCU, ESP32, ESP12E и т. Д., Которые работают от 5 В или 3,3 В. Эти модули очень компактны, и поэтому для питания этих плат имеет смысл использовать меньшие схемы SMPS, которые могут быть установлены на одной плате, вместо использования отдельной схемы SMPS. Следовательно, в этой статье мы узнаем, как построить схему SMPS, которая может выводить либо 5 В, либо 3,3 В (аппаратно настраивается с помощью перемычки), также предоставляется схема и макет печатной платы, так что вы можете просто перенести это в свой существующий дизайн.Здесь наши печатные платы производятся PCBGoGo, китайской компанией по оказанию услуг по сборке недорогих высококачественных прототипов печатных плат.

Номинал SMPS составляет 5 В или 3,3 В 1,5 А, так как большинство плат для разработки использует логические уровни напряжения 5 В или 3,3 В, а 1,5 А должно быть достаточно для большинства приложений на базе Интернета вещей. Но обратите внимание, что этот SMPS не имеет фильтров во входной секции для уменьшения размера и стоимости. Следовательно, этот SMPS можно использовать только для питания плат микроконтроллеров или для зарядки. Убедитесь, что во время работы он будет закрыт от доступа пользователя.

Предупреждение: Работа с цепями SMPS может быть опасной, поскольку в ней используется напряжение сети переменного тока, которое потенциально опасно. Не пытайтесь построить его, если у вас нет опыта работы с сетью переменного тока. Всегда будьте осторожны с проводами под напряжением и заряженными конденсаторами, при необходимости используйте защитные инструменты и присмотр. Вы были предупреждены!!

Технические характеристики платы SMPS 5 В / 3,3 В

SMPS будет иметь следующие характеристики.

1. Вход от 85 до 230 В переменного тока.
2. Выбираемый выход 2A 5 В или 3,3 В.
3. Открытая каркасная конструкция
4. Защита от короткого замыкания и перенапряжения
5. Небольшой размер при невысокой стоимости.

Материалы, необходимые для цепи SMPS (BOM)

1. Предохранитель 1A 250VAC Slow Blow
2. Диодный мост DB107
3. 10 мкФ / 400 В
4. P6KE Диод
5. UF4007
6. 2Meg - 2 шт - 0805 упаковка
7. 2,2 нФ 250 В переменного тока
8. TNY284DG
9. 10 мкФ / 16 В - корпус 0805
10. PC817
11. 1к - 0805 упаковка
12. 22Р - 2шт - 0805 упаковка
13. 100 нФ - 0805 корпус
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - 0805 корпус
17. 1000 мкФ 16 В
18. 3.3uH - Сердечник барабана
19. 2,2 нФ 250 В переменного тока

Примечание. Все части были выбраны так, чтобы они были легко доступны для дизайнеров. Трансформатор SMPS должен быть изготовлен по индивидуальному заказу с использованием этого технического описания. Вы можете либо обратиться к поставщику для его создания, либо спроектировать и намотать трансформатор SMPS, используя ссылку.

Этот SMPS разработан с использованием интегральной схемы питания TNY284DG. Этот SMPS Diver IC лучше всего подходит для этого SMPS, так как IC доступна в SMD-корпусе, а мощность подходит для этой цели. На изображении ниже показаны характеристики мощности TNY284DG.

Как видим, TNY284DG идеально подходит для нашего варианта. Поскольку конструкция представляет собой открытую раму, она будет соответствовать выходной мощности 8,5 Вт. Это означает, что он может легко обеспечить 1,5 А при 5 В.

Принципиальная схема SMPS 5 В / 3,3 В

Конструкция этого ИИП довольно проста и понятна. Эта конструкция использует набор микросхем Power Integration в качестве ИС драйвера SMPS. Схему схемы можно увидеть на изображении ниже-

Строительство и работа

Прежде чем приступить к созданию прототипа, давайте рассмотрим работу схемы. Схема состоит из следующих частей:

1. Защита входа
2. Преобразование AC-DC
3. Схема драйвера или схема переключения
4. Защита от пониженного напряжения.
5. Схема зажима
6. Магниты и гальваническая развязка
7. EMI фильтрация
8. Вторичный выпрямитель и демпферная цепь
9. Раздел фильтра
10. Раздел обратной связи.

Защита входа

F1 - это плавкий предохранитель с задержкой срабатывания, который защитит ИИП от высоких нагрузок и неисправностей. Секция ввода SMPS не учитывает никаких фильтров EMI. Это медленный плавкий предохранитель на 1 А 250 В переменного тока, который защитит ИИП в условиях неисправности. Однако этот предохранитель можно заменить на стеклянный. Вы также можете ознакомиться со статьей о различных типах предохранителей.

Преобразование переменного тока в постоянное

B1 - выпрямитель на диодном мосту. Это DB107, диодный мост на 1 А, 700 В. Это преобразует входной переменный ток в постоянное напряжение. Кроме того, конденсатор 10 мкФ 400 В будет необходим для выпрямления пульсаций постоянного тока, и он будет обеспечивать плавный вывод постоянного тока на схему драйвера, а также на трансформатор.

Схема драйвера или схема переключения

Это основной компонент этого ИИП. Первичная обмотка трансформатора должным образом контролируется схемой переключения TNY284DG. Частота переключения 120–132 кГц. Из-за этой высокой частоты переключения можно использовать трансформаторы меньшего размера.

На приведенной выше схеме выводов показаны выводы TNY284DG. В коммутационном драйвере IC1, который является TNY284DG, используется конденсатор C2 емкостью 10 мкФ 16 В. Этот конденсатор обеспечивает плавный вывод постоянного тока на внутреннюю цепь TNY284DG.

Защита от пониженного напряжения

Трансформатор действует как огромный индуктор. Следовательно, в каждом цикле переключения трансформатор вызывает выбросы высокого напряжения из-за индуктора рассеяния трансформатора. Стабилитрон D1, который является диодом P6KE160, ограничивает цепь выходного напряжения, а сверхбыстрый диод D2, который представляет собой UF4007, блокирует эти выбросы высокого напряжения и снижает их до безопасного значения, что полезно для сохранения вывода DRAIN TNY284DG..

Магниты и гальваническая развязка

Трансформатор является ферромагнитным и не только преобразует переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения, но также обеспечивает гальваническую развязку. Трансформатор представляет собой трансформатор EE16. Подробную спецификацию трансформатора можно увидеть в таблице данных трансформатора, которая была опубликована ранее в разделе требуемых материалов.

EMI фильтр

Фильтрация электромагнитных помех выполняется конденсатором C3. Конденсатор C3 представляет собой высоковольтный конденсатор 2,2 нФ 250 В переменного тока, который повышает устойчивость схемы и снижает высокие помехи от электромагнитных помех.

Вторичный выпрямитель и демпферная цепь

Выходной сигнал трансформатора выпрямляется с помощью диода Шоттки SR360. Это диод 60V 3A. Этот диод Шоттки D3 обеспечивает выход постоянного тока от трансформатора, который дополнительно выпрямляется большим конденсатором C6 емкостью 1000 мкФ 16 В.

На выходе трансформатора образуется звенящая пульсация, которая подавляется демпфирующей схемой, которая создается последовательно включенными резистором и конденсатором с низким сопротивлением, которые включены параллельно выходному выпрямителю. Резистор низкого номинала - 22R, а конденсатор низкого номинала - 470 пФ. Эти два компонента R8 и C5 создают демпфирующую цепь в выходной секции постоянного тока.

Раздел фильтра

Раздел фильтра создается с использованием конфигурации LC. C - это конденсатор фильтра C6. Это конденсатор с низким ESR для лучшего подавления пульсаций со значением 100 мкФ 16 В, а индуктор L1 представляет собой индуктор с сердечником барабана 3,3 мкГн.

Раздел обратной связи

Выходное напряжение измеряется U1 TL431 с помощью делителя напряжения. Следовательно, всякий раз, когда делитель напряжения выдает идеальное напряжение, TL431 включает оптопара PC817, обозначенный как OK1.

Поскольку есть два выбираемых режима напряжения 3,3 В и 5 В, есть два делителя напряжения, созданных с использованием трех резисторов R3, R4 и R5. R5 является общим для всех двух делителей, но R3 и R4 могут быть изменены с помощью перемычки. После измерения линии U1 управляется оптопара, которая дополнительно запускает TNY284DG и гальванически изолирует вторичный датчик обратной связи с контроллером первичной стороны.

Во время первого включения питания, так как это конфигурация обратного хода, драйвер включает переключение и ожидает ответа от оптопары. Если все в порядке, драйвер продолжает переключение, в противном случае пропустите циклы переключения, если все не стало нормально.

Разработка нашей печатной платы SMPS

Как только схема будет завершена, вы можете протестировать ее на перфорированной плате, а затем приступить к дизайну печатной платы. Мы использовали Eagle для разработки нашей печатной платы, вы можете проверить изображение компоновки ниже. Вы также можете скачать файлы дизайна по ссылке ниже.

• Схема Eagle и дизайн печатной платы для SMPS 5 В / 3,3 В

Как видите, размер платы составляет 63 мм на 32 мм, что довольно мало. Компоненты размещены на безопасном расстоянии для обеспечения безопасной работы. Верхняя и нижняя стороны нашей печатной платы показаны на изображении ниже. Это двухслойная печатная плата с запланированной толщиной меди 35 мкм. Выходной диод и микросхема драйвера нуждаются в особом тепловом рассмотрении для целей, связанных с отводом тепла. Также на вторичной стороне прошивка сделана для лучшего соединения с землей.

Вы также можете заметить, что на задней стороне платы размещено несколько SMD-компонентов, чтобы размер модуля оставался небольшим. Есть несколько конструктивных соображений, которым вы должны следовать при проектировании своей печатной платы SMPS. Прочтите эту статью в Руководстве по компоновке SMPS-печатной платы, чтобы узнать больше.

Изготовление печатной платы для цепи SMPS 12 В, 1 А

Теперь мы понимаем, как работают схемы, и можем приступить к сборке печатной платы для нашего SMPS. Поскольку это схема SMPS, рекомендуется использовать печатную плату, так как она может устранить проблемы с шумом и изоляцией. Компоновку печатной платы для указанной выше схемы также можно загрузить как Gerber по ссылке.

• Загрузите файл Gerber для схемы SMPS 5V / 3.3V

Теперь наш дизайн готов, пришло время изготовить их с помощью файла Gerber. Сделать печатную плату из PCBGOGO довольно просто, просто выполните следующие действия:

Шаг 1. Зайдите на сайт www.pcbgogo.com, зарегистрируйтесь, если вы впервые. Затем на вкладке прототипа печатной платы введите размеры вашей печатной платы, количество слоев и количество требуемых печатных плат. Предполагая, что размер печатной платы составляет 80 см × 80 см, вы можете установить размеры, как показано ниже.

Шаг 2: Продолжите, нажав кнопку Цитировать сейчас . Вы попадете на страницу, где при необходимости установите несколько дополнительных параметров, например, используемый материал, интервал дорожек и т. Д. Но в большинстве случаев значения по умолчанию будут работать нормально. Единственное, что мы должны здесь учитывать, - это цена и время. Как видите, время сборки составляет всего 2-3 дня, а наша плата стоит всего 5 долларов. Затем вы можете выбрать предпочтительный способ доставки в зависимости от ваших требований.

Шаг 3: Последний шаг - загрузить файл Gerber и продолжить оплату. Чтобы убедиться, что процесс проходит гладко, PCBGOGO проверяет, действителен ли ваш файл Gerber, прежде чем продолжить платеж. Таким образом, вы можете быть уверены, что ваша печатная плата удобна для изготовления и будет доставлена ​​к вам в соответствии с требованиями.

Сборка печатной платы

После того, как плата была заказана, она пришла ко мне через несколько дней через курьера в аккуратно маркированной и хорошо упакованной коробке, и, как всегда, качество печатной платы было потрясающим. Печатная плата, которую я получил, показана ниже. Как видите, верхний и нижний слой получились так, как ожидалось.

Переходные отверстия и контактные площадки были подходящего размера. На сборку печатной платы до исправной схемы у меня ушло около 15 минут. Собранная плата показана ниже.

Тестирование нашей схемы SMPS 5 В / 3,3 В

Компоненты и инфраструктура для тестирования были предоставлены Iquesters Solutions. Однако трансформатор ручной работы, вы также можете построить свой собственный трансформатор SMPS. Здесь в целях тестирования трансформатор сделан на 1А. Можно использовать правильное соотношение витков для трансформатора 1,5 А в соответствии с данными спецификациями трансформатора. Наша плата SMPS выглядит так после сборки.

Теперь, чтобы протестировать нашу плату SMPS, я буду запитывать ее с помощью Variac и использовать электронную нагрузку постоянного тока для регулировки выходного тока. На изображении ниже показана моя старая система регулируемой нагрузки постоянного тока, подключенная к нашей плате SMPS. Вы можете протестировать его с любой нагрузкой по вашему выбору, но использование регулируемой нагрузки постоянного тока поможет вам оценить ваши платы блока питания. Вы также можете легко создать свою собственную регулируемую электронную нагрузку постоянного тока на базе Arduino, перейдя по этой ссылке.

Как вы можете видеть на изображении ниже, я протестировал нашу схему SMPS для 5 В и 3,3 В, изменив контакт перемычки. Выходной ток был протестирован до 850 мА, но вы также можете увеличить его до 1,5 А в зависимости от конструкции трансформатора.

Для получения дополнительной информации о тестировании и строительстве просмотрите ссылку на видео ниже. Надеюсь, вам понравилась статья и вы узнали что-то полезное. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь нашим форумом.