Progetta il tuo circuito smps compatto 5v / 3,3v per progetti embedded e iot

Un modo rudimentale per alimentare i circuiti CC con rete CA è utilizzare un trasformatore step-down per abbassare la tensione di rete 230 V e aggiungere un paio di diodi come raddrizzatore a ponte. Ma a causa delle enormi dimensioni dello spazio e di altri inconvenienti, non può essere utilizzato per tutti gli scopi. Un altro modo più popolare e professionale è quello di utilizzare i circuiti di alimentazione a commutazione per convertire la rete CA in un'ampia gamma di tensione CC secondo necessità, quasi tutti i dispositivi elettronici di consumo, dal normale adattatore da 12V a un caricatore per laptop, hanno un circuito SMPS per fornire la CC richiesta potenza di uscita.

Su circuitdigest, abbiamo già costruito pochi circuiti SMPS popolariper diverse potenze, vale a dire il circuito 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS e 12V 1A SMPS, ciascuno dei quali può essere utilizzato per diverse applicazioni. Questa volta costruiremo un SMPS che può essere utilizzato per scopi generali e ha una forma semplice del modulo da utilizzare in situazioni legate allo spazio. Al giorno d'oggi, l'Internet of Things utilizza vari processori basati su Wi-Fi come NodeMCU, ESP32 e ESP12E, ecc. Che funzionano a 5V o 3,3V. Questi moduli sono molto compatti e quindi per alimentare queste schede, ha senso utilizzare circuiti SMPS più piccoli che possono essere montati sulla stessa scheda, invece di utilizzare un circuito SMPS separato. Quindi in questo articolo impareremo come costruire un circuito SMPS in grado di produrre 5 V o 3,3 V (configurabile tramite hardware tramite jumper), viene fornito anche il design del circuito e il layout del PCB, quindi puoi semplicemente portarlo nel tuo progetto esistente.Qui le nostre schede PCB sono prodotte da PCBGoGo, un prototipo di PCB di alta qualità a basso costo con sede in Cina e società di servizi di assemblaggio di PCB.

Il valore nominale dell'SMPS è 5 V o 3,3 V 1,5 A poiché la maggior parte della scheda di sviluppo utilizza tensioni di livello logico 5 V o 3,3 V e 1,5 A dovrebbe essere sufficiente per la maggior parte delle applicazioni basate su IoT. Ma tieni presente che questo SMPS non ha filtri nella sezione di input per ridurre dimensioni e costi. Pertanto, questo SMPS può essere utilizzato solo per alimentare le schede del microcontrollore o per scopi di ricarica. Assicurarsi che sia coperto dalla portata dell'utente durante il funzionamento.

Avvertenza: lavorare con circuiti SMPS può essere pericoloso in quanto coinvolge una tensione di rete CA potenzialmente letale. Non tentare di costruirlo se non si ha esperienza di lavoro con la rete CA. Stai sempre attento con cavi sotto tensione e condensatori carichi, usa strumenti di protezione e supervisione se necessario. Sei stato avvertito!!

Specifiche della scheda SMPS 5V / 3,3V

L'SMPS avrà le seguenti specifiche.

1. Ingresso da 85 V CA a 230 V CA.
2. Uscita 2A selezionabile 5V o 3,3V.
3. Costruzione a telaio aperto
4. Protezione da cortocircuito e sovratensione
5. Dimensioni ridotte con caratteristiche a basso costo.

Materiali necessari per il circuito SMPS (BOM)

1. Fusibile 1A 250VAC ad azione lenta
2. Ponte a diodi DB107
3. 10uF / 400V
4. Diodo P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 Pz - Confezione 0805
7. 2,2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - Pacchetto 0805
10. PC817
11. Pacchetto 1k - 0805
12. 22R - Confezione 2pz - 0805
13. 100 nF - Confezione 0805
14. TL431
15. SR360
16. Pacchetto 470pF 100V - 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Nucleo del tamburo
19. 2,2nF 250VAC

Nota: tutte le parti sono state selezionate per essere facilmente disponibili per i progettisti. Il trasformatore SMPS deve essere personalizzato utilizzando questo foglio dati. Puoi utilizzare un fornitore per costruirne uno o progettare e avvolgere il tuo trasformatore SMPS utilizzando il collegamento.

Questo SMPS è progettato utilizzando IC di integrazione dell'alimentazione TNY284DG. Questo SMPS Diver IC è più adatto per questo SMPS poiché l'IC è disponibile in un pacchetto SMD e il wattaggio è adatto allo scopo. L'immagine sotto mostra le specifiche di wattaggio di TNY284DG.

Come possiamo vedere, TNY284DG è perfetto per la nostra opzione. Poiché la struttura è un telaio aperto, corrisponderà alla potenza in uscita di 8,5 W. Significa che può facilmente fornire 1,5 A a 5 V.

Schema del circuito SMPS 5V / 3,3V

La costruzione di questo SMPS è piuttosto semplice e diretta. Questo design utilizza il chipset Power Integration come IC driver SMPS. Lo schema del circuito può essere visto nell'immagine sottostante-

Costruzione e funzionamento

Prima di entrare direttamente nella costruzione della parte prototipo, esploriamo il funzionamento del circuito. Il circuito ha le seguenti sezioni:

1. Protezione dell'input
2. Conversione AC-DC
3. Circuito del driver o circuito di commutazione
4. Protezione da sottotensione.
5. Circuito a pinza
6. Magnetica e isolamento galvanico
7. Filtro EMI
8. Raddrizzatore secondario e circuito soppressore
9. Sezione filtro
10. Sezione Feedback.

Protezione dell'input

F1 è un fusibile ad azione lenta che protegge l'SMPS da carichi elevati e condizioni di guasto. La sezione di input SMPS non utilizza considerazioni sui filtri EMI. Questo è un fusibile ad azione lenta da 1 A 250 V CA e protegge l'SMPS in condizioni di guasto. Tuttavia, questo fusibile può essere sostituito con un fusibile di vetro. Puoi anche consultare l'articolo sui diversi tipi di fusibile.

Conversione AC-DC

B1 è il raddrizzatore a ponte a diodi. Questo è DB107, un ponte a diodi da 1A 700V. Questo convertirà l'ingresso CA in tensione CC. Inoltre, il condensatore da 10uF 400V sarà essenziale per rettificare l'ondulazione CC e fornirà un'uscita CC regolare al circuito del driver e al trasformatore.

Circuito del driver o circuito di commutazione

È il componente principale di questo SMPS. Il lato primario del trasformatore è adeguatamente controllato dal circuito di commutazione TNY284DG. La frequenza di commutazione è 120-132 kHz. A causa di questa alta frequenza di commutazione, è possibile utilizzare trasformatori più piccoli.

Il diagramma di pinout sopra mostra i pinout TNY284DG. Il driver di commutazione IC1 che è TNY284DG utilizza C2 un condensatore da 10uF 16V. Questo condensatore fornisce un'uscita continua continua al circuito interno di TNY284DG.

Protezione da blocco per sottotensione

Il trasformatore funge da enorme induttore. Pertanto, in ogni ciclo di commutazione, il trasformatore induce picchi di alta tensione dovuti all'induttore di dispersione del trasformatore. Il diodo Zener D1 che è un diodo P6KE160, blocca il circuito della tensione di uscita e il D2 che è UF4007, un diodo ultraveloce blocca questi picchi di alta tensione e smorza a un valore sicuro che è utile per salvare il pin DRAIN del TNY284DG.

Magnetica e isolamento galvanico

Il trasformatore è ferromagnetico e non solo converte l'alta tensione AC in bassa tensione AC, ma fornisce anche isolamento galvanico. Il trasformatore è un trasformatore EE16. La specifica dettagliata del trasformatore può essere vista nella scheda tecnica del trasformatore che è stata condivisa in precedenza nella sezione dei materiali richiesti.

Filtro EMI

Il filtraggio EMI viene eseguito dal condensatore C3. Il condensatore C3 è un condensatore ad alta tensione da 2,2 nF 250 V CA, che aumenta l'immunità del circuito e riduce le interferenze EMI elevate.

Raddrizzatore secondario e circuito soppressore

L'uscita dal trasformatore viene rettificata utilizzando un diodo Schottky SR360. Questo è un diodo da 60 V 3 A. Questo diodo Schottky D3 fornisce un'uscita CC dal trasformatore che viene ulteriormente rettificata dal grande condensatore C6 da 1000uF 16V.

L'uscita del trasformatore fornisce un'ondulazione di suoneria che viene soppressa dal circuito soppressore che viene creato dal resistore di basso valore e dal condensatore in collegamento in serie che è in parallelo con il raddrizzatore di uscita. Il resistore di basso valore è 22R e il condensatore di basso valore è 470 pF. Questi due componenti R8 e C5 creano il circuito snubber nella sezione di uscita CC.

Sezione filtro

La sezione del filtro viene creata utilizzando una configurazione LC. La C è il condensatore di filtro C6. È un condensatore a bassa ESR per una migliore reiezione delle ondulazioni con un valore di 100uF 16V e l'induttore L1 è un induttore del nucleo del tamburo da 3,3uH.

Sezione Feedback

La tensione di uscita viene rilevata dall'U1 TL431 da un partitore di tensione. Pertanto, ogni volta che il partitore di tensione produce una tensione perfetta, il TL431 accende un accoppiatore ottico che è PC817, indicato come OK1.

Poiché sono disponibili due operazioni di tensione selezionabili 3,3 V e 5 V, sono presenti due divisori di tensione creati utilizzando tre resistori R3, R4 e R5. R5 è comune a tutti e due i divisori, ma R3 e R4 sono modificabili utilizzando un ponticello. Dopo aver rilevato la linea, U1, viene controllato il fotoaccoppiatore che attiva ulteriormente il TNY284DG e isola galvanicamente la parte di rilevamento del feedback secondario con il controller del lato primario.

Durante la prima accensione, poiché si tratta di una configurazione flyback, il driver attiva la commutazione e attende la risposta dal fotoaccoppiatore. Se tutto è normale, il conducente continua la commutazione, altrimenti salta i cicli di commutazione a meno che tutto non diventi normale.

Progettazione del nostro PCB SMPS

Una volta che il circuito è finalizzato, puoi testarlo su una scheda perf e quindi iniziare con il tuo progetto PCB. Abbiamo usato l'aquila per progettare il nostro PCB, puoi controllare l'immagine del layout qui sotto. È inoltre possibile scaricare i file di progettazione dal collegamento sottostante.

• Schemi Eagle e progettazione PCB per SMPS 5V / 3,3V

Come puoi vedere, la dimensione della scheda è 63 mm per 32 mm, che è una dimensione abbastanza piccola. I componenti sono posizionati a una distanza di sicurezza per garantire un funzionamento sicuro. Il lato superiore e quello inferiore del nostro PCB sono mostrati nell'immagine sottostante. È una scheda PCB a doppio strato con uno spessore pianificato di 35um di rame. Il diodo di uscita e il circuito integrato del driver richiedono una considerazione termica speciale per scopi relativi alla dissipazione del calore. Inoltre, sul lato secondario tramite cuciture è fatto per una migliore connettività a terra.

Puoi anche notare che pochi componenti SMD sono posizionati sul retro della scheda per mantenere le dimensioni del modulo in una piccola dimensione. Ci sono alcune considerazioni di progettazione che devi seguire se stai progettando il tuo PCB SMPS, controlla questo articolo sulla Guida al layout di progettazione PCB SMPS per saperne di più.

PCB di fabbricazione per circuito SMPS 12v 1A

Ora che abbiamo capito come funzionano gli schemi, possiamo procedere con la costruzione del PCB per il nostro SMPS. Poiché si tratta di un circuito SMPS, si consiglia un PCB in quanto potrebbe affrontare problemi di rumore e isolamento. Il layout PCB per il circuito sopra è anche disponibile per il download come Gerber dal link.

• Scarica il file Gerber per il circuito SMPS 5V / 3.3V

Ora il nostro design è pronto, è tempo di fabbricarli utilizzando il file Gerber. Per ottenere il PCB fatto da PCBGOGO è abbastanza semplice, segui semplicemente i passaggi seguenti:

Passaggio 1: accedi a www.pcbgogo.com, registrati se è la prima volta. Quindi nella scheda Prototipo PCB, inserisci le dimensioni del tuo PCB, il numero di strati e il numero di PCB richiesto. Supponendo che il PCB sia 80 cm × 80 cm, è possibile impostare le dimensioni come mostrato di seguito.

Passaggio 2: procedi facendo clic sul pulsante Cita ora . Sarai portato a una pagina dove impostare alcuni parametri aggiuntivi, se necessario, come il materiale utilizzato per la spaziatura delle tracce, ecc. Ma per lo più i valori predefiniti funzioneranno bene. L'unica cosa che dobbiamo considerare qui è il prezzo e il tempo. Come puoi vedere, il tempo di costruzione è di soli 2-3 giorni e costa solo $ 5 per il nostro PCB. È quindi possibile selezionare un metodo di spedizione preferito in base alle proprie esigenze.

Passaggio 3: il passaggio finale è caricare il file Gerber e procedere con il pagamento. Per assicurarsi che il processo sia fluido, PCBGOGO verifica se il tuo file Gerber è valido prima di procedere con il pagamento. In questo modo, puoi essere certo che il tuo PCB è facile da fabbricare e ti raggiungerà come impegnato.

Assemblaggio del PCB

Dopo che la scheda è stata ordinata, mi è arrivata dopo alcuni giorni tramite corriere in una scatola ben imballata ben etichettata, e come sempre la qualità del PCB era eccezionale. Il PCB che è stato ricevuto da me è mostrato di seguito. Come vedi sia lo strato superiore che quello inferiore sono risultati come previsto.

Le vie e le piazzole erano tutte delle giuste dimensioni. Mi ci sono voluti circa 15 minuti per assemblare la scheda PCB a un circuito funzionante. La scheda assemblata è mostrata di seguito.

Testare il nostro circuito SMPS da 5 V / 3,3 V.

I componenti e l'infrastruttura di test sono stati forniti da Iquesters Solutions. Tuttavia, il trasformatore è fatto a mano, puoi anche costruire il tuo trasformatore SMPS. Qui a scopo di test, il trasformatore è realizzato per 1A. È possibile utilizzare il rapporto di rotazione corretto per il trasformatore da 1,5 A secondo le specifiche del trasformatore fornite. La nostra scheda SMPS si presenta così quando l'assemblaggio è terminato.

Ora per testare la nostra scheda SMPS, la alimenterò utilizzando un Variac e utilizzerò un carico CC elettronico per regolare la corrente di uscita. L'immagine sotto mostra la mia vecchia configurazione di carico CC regolabile collegata alla nostra scheda SMPS. Puoi testarlo con qualsiasi carico di tua scelta, ma l'uso di un carico CC regolabile ti aiuterà a valutare le tue schede di alimentazione. Puoi anche creare facilmente il tuo carico CC elettronico regolabile basato su Arduino seguendo questo link.

Come puoi vedere nell'immagine qui sotto, ho testato il nostro circuito SMPS sia per 5V che per 3.3V cambiando il pin del jumper. La corrente di uscita è stata testata fino a 850 mA, ma puoi anche arrivare a 1,5 A in base al design del trasformatore.

Per maggiori informazioni sul collaudo e la costruzione, guarda il link del video qui sotto. Spero che l'articolo ti sia piaciuto e che abbia imparato qualcosa di utile. In caso di domande, lasciarle nella sezione commenti qui sotto o utilizzare i nostri forum.