Σχεδιάστε το δικό σας συμπαγές κύκλωμα 5v / 3.3v smps για ενσωματωμένα και iot έργα

Ένας ακατέργαστος τρόπος τροφοδοσίας των κυκλωμάτων DC με τροφοδοτικό AC είναι να χρησιμοποιήσετε έναν μετασχηματιστή κατεβάσματος για να κατεβείτε την τάση δικτύου 230V και να προσθέσετε μερικές διόδους ως ανορθωτή γέφυρας. Αλλά λόγω του τεράστιου μεγέθους χώρου και άλλων μειονεκτημάτων, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλους τους σκοπούς. Ένας άλλος πιο δημοφιλής και επαγγελματικός τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε τα κυκλώματα τροφοδοσίας εναλλαγής τρόπου λειτουργίας για τη μετατροπή του δικτύου AC σας σε ένα ευρύ φάσμα τάσης DC όπως απαιτείται, σχεδόν κάθε καταναλωτικό ηλεκτρονικό υλικό από κανονικό προσαρμογέα 12V σε φορητό φορτιστή διαθέτει κύκλωμα SMPS για να παρέχει το απαιτούμενο DC ισχύς εξόδου.

Στο circuitdigest, έχουμε ήδη δημιουργήσει λίγα δημοφιλή κυκλώματα SMPSγια διαφορετικές βαθμολογίες, δηλαδή το κύκλωμα 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS και 12V 1A SMPS, καθένα από τα οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές εφαρμογές. Αυτή τη φορά, θα δημιουργήσουμε ένα SMPS που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γενικούς σκοπούς και έχει ένα απλό σχήμα λειτουργικής μονάδας για χρήση σε καταστάσεις που σχετίζονται με το διάστημα. Σήμερα, το Διαδίκτυο των πραγμάτων χρησιμοποιεί διάφορους επεξεργαστές που βασίζονται σε Wi-Fi όπως NodeMCU, ESP32 και ESP12E κ.λπ. που λειτουργούν σε 5V ή 3.3V. Αυτές οι μονάδες είναι πολύ μικρές και ως εκ τούτου για την τροφοδοσία αυτών των πλακέτων, είναι λογικό να χρησιμοποιείτε μικρότερα κυκλώματα SMPS που μπορούν να πάνε στον ίδιο πίνακα, αντί να χρησιμοποιούν ξεχωριστό κύκλωμα SMPS. Ως εκ τούτου, σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε πώς να φτιάχνουμε ένα κύκλωμα SMPS που μπορεί να εξάγει είτε 5V είτε 3.3V (υλικό με δυνατότητα διαμόρφωσης με βραχυκυκλωτήρα), παρέχεται επίσης ο σχεδιασμός κυκλώματος και η διάταξη PCB, ώστε να μπορείτε απλά να το μεταφέρετε στον υπάρχοντα σχεδιασμό σας.Εδώ οι πλακέτες PCB μας κατασκευάζονται από την PCBGoGo, μια Κίνα υψηλής ποιότητας πρωτότυπο υψηλής ποιότητας και εταιρεία συναρμολόγησης PCB.

Η βαθμολογία του SMPS είναι 5V ή 3.3V 1.5A καθώς το μεγαλύτερο μέρος του πίνακα ανάπτυξης χρησιμοποιεί τάσεις λογικού επιπέδου 5V ή 3.3V και το 1.5A πρέπει να είναι αρκετά καλό για τις περισσότερες από τις εφαρμογές που βασίζονται στο IoT. Αλλά σημειώστε ότι αυτό το SMPS δεν έχει φίλτρα στην ενότητα εισαγωγής για να μειώσει το μέγεθος και το κόστος. Επομένως, αυτό το SMPS μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για την τροφοδοσία πλακέτων μικροελεγκτή ή για σκοπούς φόρτισης. Βεβαιωθείτε ότι θα καλυφθεί από την εμβέλεια του χρήστη όταν βρίσκεται σε λειτουργία.

Προειδοποίηση: Η εργασία με κυκλώματα SMPS μπορεί να είναι επικίνδυνη, καθώς συνεπάγεται τάση δικτύου AC που είναι δυνητικά θανατηφόρα. Μην επιχειρήσετε να το φτιάξετε αν δεν έχετε εμπειρία με το δίκτυο AC. Πάντα να είστε προσεκτικοί με τα καλώδια και τους φορτισμένους πυκνωτές, χρησιμοποιήστε προστατευτικά εργαλεία και επίβλεψη εάν απαιτείται. Σε έχω προειδοποιήσει!!

Προδιαγραφές Πίνακας SMPS 5V / 3.3V

Το SMPS θα έχει τις ακόλουθες προδιαγραφές.

1. 85VAC έως 230VAC.
2. 5V ή 3.3V επιλέξιμη έξοδος 2Α.
3. Κατασκευή ανοιχτού σκελετού
4. Προστασία βραχυκυκλώματος και υπέρτασης
5. Μικρό μέγεθος με χαρακτηριστικά χαμηλού κόστους.

Απαιτούμενα υλικά για SMPS Circuit (BOM)

1. Ασφάλεια 1A 250VAC Slow Blow
2. Diode Bridge DB107
3. 10uF / 400V
4. Δίοδος P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 τεμάχια - 0805 πακέτο
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - 0805 πακέτο
10. PC817
11. Πακέτο 1k - 0805
12. 22R - 2τμχ - 0805 πακέτο
13. Πακέτο 100 nF - 0805
14. TL431
15. SR360
16. Πακέτο 470pF 100V - 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Πυρήνας τυμπάνου
19. 2.2nF 250VAC

Σημείωση: Όλα τα ανταλλακτικά επιλέχθηκαν ώστε να είναι εύκολα διαθέσιμα για τους σχεδιαστές. Ο μετασχηματιστής SMPS πρέπει να είναι προσαρμοσμένη έκδοση χρησιμοποιώντας αυτό το φύλλο δεδομένων. Μπορείτε είτε να χρησιμοποιήσετε έναν προμηθευτή για να δημιουργήσετε έναν είτε να σχεδιάσετε και να τυλίξετε τον μετασχηματιστή SMPS χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο.

Αυτό το SMPS έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας ολοκληρωμένη ισχύ IC TNY284DG. Αυτό το SMPS Diver IC είναι το καλύτερο κατάλληλο για αυτό το SMPS καθώς το IC είναι διαθέσιμο σε πακέτο SMD, καθώς και η ισχύς είναι κατάλληλη για το σκοπό αυτό. Η παρακάτω εικόνα δείχνει τις προδιαγραφές ισχύος του TNY284DG.

Όπως μπορούμε να δούμε, το TNY284DG είναι ιδανικό για την επιλογή μας. Δεδομένου ότι η κατασκευή είναι ανοιχτό πλαίσιο, θα ταιριάζει με την ισχύ εξόδου 8,5W. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί εύκολα να παρέχει 1,5A στα 5V.

Διάγραμμα κυκλώματος 5V / 3.3V SMPS

Η κατασκευή αυτού του SMPS είναι πολύ απλή και απλή. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί το chipset Power Integration ως ένα πρόγραμμα οδήγησης SMPS. Το σχηματικό σχήμα του κυκλώματος φαίνεται στην παρακάτω εικόνα-

Κατασκευή και εργασία

Πριν προχωρήσουμε κατευθείαν στην κατασκευή του πρωτοτύπου, ας εξερευνήσουμε τη λειτουργία κυκλώματος. Το κύκλωμα έχει τις ακόλουθες ενότητες-

1. Προστασία εισόδου
2. Μετατροπή AC-DC
3. Κύκλωμα οδηγού ή κύκλωμα μεταγωγής
4. Προστασία κλειδώματος υπό τάση.
5. Κύκλωμα σφιγκτήρα
6. Μαγνητική και γαλβανική απομόνωση
7. Φιλτράρισμα EMI
8. Κύκλωμα δευτερεύοντος ανορθωτή και ψαλιδιού
9. Ενότητα φίλτρου
10. Ενότητα σχολίων.

Προστασία εισόδου

Το F1 είναι μια ασφάλεια αργού χτυπήματος που προστατεύει το SMPS από συνθήκες υψηλού φορτίου και βλάβης. Η ενότητα εισαγωγής SMPS δεν χρησιμοποιεί στοιχεία φίλτρου EMI. Αυτή είναι μια ασφάλεια αργού χτυπήματος 1A 250VAC και που προστατεύει το SMPS σε συνθήκες βλάβης. Ωστόσο, αυτή η ασφάλεια μπορεί να αλλάξει σε γυάλινη ασφάλεια. Μπορείτε επίσης να δείτε το άρθρο σχετικά με διαφορετικούς τύπους ασφαλειών.

Μετατροπή AC-DC

Το Β1 είναι ο ανορθωτής της γέφυρας διόδων. Αυτό είναι το DB107, μια γέφυρα διόδων 1A 700V. Αυτό θα μετατρέψει την είσοδο AC στην τάση DC. Επιπλέον, ο πυκνωτής 10uF 400V θα είναι απαραίτητος για την αποκατάσταση του κυματισμού DC και θα παρέχει μια ομαλή έξοδο DC στο κύκλωμα οδήγησης καθώς και στον μετασχηματιστή.

Κύκλωμα οδηγού ή κύκλωμα εναλλαγής

Είναι το κύριο συστατικό αυτού του SMPS. Η κύρια πλευρά του μετασχηματιστή ελέγχεται σωστά από το κύκλωμα μεταγωγής TNY284DG. Η συχνότητα μεταγωγής είναι 120-132 kHz. Λόγω αυτής της υψηλής συχνότητας μεταγωγής, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότεροι μετασχηματιστές.

Το παραπάνω διάγραμμα pinout δείχνει τα pinouts TNY284DG. Ο μεταγωγέας IC1 που είναι TNY284DG χρησιμοποιεί πυκνωτή C2 a 10uF 16V. Αυτός ο πυκνωτής παρέχει μια ομαλή έξοδο DC στο εσωτερικό κύκλωμα του TNY284DG.

Προστασία κλειδώματος υπό τάση

Ο μετασχηματιστής λειτουργεί ως τεράστιος επαγωγέας. Επομένως, σε κάθε κύκλο μεταγωγής, ο μετασχηματιστής προκαλεί αιχμές υψηλής τάσης λόγω του επαγωγέα διαρροής του μετασχηματιστή. Η δίοδος Zener D1 που είναι δίοδος P6KE160, σφίγγει το κύκλωμα τάσης εξόδου και το D2 που είναι UF4007, μια εξαιρετικά γρήγορη δίοδος μπλοκάρει αυτές τις αιχμές υψηλής τάσης και την υγραίνει σε ασφαλή τιμή που είναι επωφελής για την αποθήκευση του πείρου DRAIN του TNY284DG.

Μαγνητική και γαλβανική απομόνωση

Ο μετασχηματιστής είναι σιδηρομαγνητικός και όχι μόνο μετατρέπει το AC υψηλής τάσης σε AC χαμηλής τάσης, αλλά παρέχει και γαλβανική απομόνωση. Ο μετασχηματιστής είναι ένας μετασχηματιστής EE16. Η λεπτομερής προδιαγραφή μετασχηματιστή μπορεί να δει στο φύλλο δεδομένων του μετασχηματιστή που κοινοποιήθηκε νωρίτερα στην απαιτούμενη ενότητα υλικών.

Φίλτρο EMI

Το φιλτράρισμα EMI γίνεται από τον πυκνωτή C3. Ο πυκνωτής C3 είναι ένας πυκνωτής υψηλής τάσης 2.2nF 250VAC, ο οποίος αυξάνει την ασυλία του κυκλώματος και μειώνει τις υψηλές παρεμβολές EMI.

Δευτερεύον ανορθωτικό και κύκλωμα Snubber

Η έξοδος από τον μετασχηματιστή διορθώνεται χρησιμοποιώντας μια δίοδο Schottky SR360. Αυτή είναι μια δίοδος 60V 3A. Αυτή η δίοδος Schottky D3 παρέχει έξοδο DC από τον μετασχηματιστή που διορθώνεται περαιτέρω από τον μεγάλο πυκνωτή C6 1000uF 16V.

Η έξοδος του μετασχηματιστή παρέχει έναν κυματισμό δακτυλίου που καταστέλλεται από το κύκλωμα snubber που δημιουργείται από την αντίσταση και τον πυκνωτή χαμηλής τιμής σε σειριακή σύνδεση που είναι παράλληλα με τον ανορθωτή εξόδου. Η αντίσταση χαμηλής τιμής είναι 22R και ο πυκνωτής χαμηλής τιμής είναι 470 pF. Αυτά τα δύο συστατικά R8 και C5 δημιουργούν το κύκλωμα snubber στο τμήμα εξόδου DC.

Ενότητα φίλτρου

Η ενότητα φίλτρου δημιουργείται χρησιμοποιώντας μια διαμόρφωση LC. Το C είναι ο πυκνωτής φίλτρου C6. Είναι ένας πυκνωτής χαμηλού ESR για καλύτερη απόρριψη κυματισμού με τιμή 100uF 16V και ο επαγωγέας L1 είναι επαγωγέας πυρήνα 3.3uH.

Ενότητα σχολίων

Η τάση εξόδου ανιχνεύεται από το U1 TL431 από ένα διαχωριστικό τάσης. Επομένως, κάθε φορά που ο διαχωριστής τάσης παράγει μια τέλεια τάση, το TL431 ενεργοποιεί ένα ζεύκτη οπτικής λειτουργίας που είναι PC817, ονομαζόμενος ως ΟΚ1.

Επειδή υπάρχουν δύο επιλέξιμες λειτουργίες τάσης 3.3V και 5V, υπάρχουν δύο διαιρέτες τάσης που δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας τρεις αντιστάσεις R3, R4 και R5. Τα R5 είναι κοινά και για τα δύο διαχωριστικά, αλλά τα R3 και R4 μπορούν να αλλάξουν χρησιμοποιώντας ένα jumper. Μετά την ανίχνευση της γραμμής, U1, ελέγχεται ο οπτικός συζεύκτης που ενεργοποιεί περαιτέρω το TNY284DG και απομονώνει γαλβανικά το δευτερεύον τμήμα ανίχνευσης ανάδρασης με τον πρωτεύοντα πλευρικό ελεγκτή.

Κατά τη διάρκεια της πρώτης ενεργοποίησης, καθώς πρόκειται για διαμόρφωση flyback, ο οδηγός ενεργοποιεί την εναλλαγή και περιμένει την απόκριση από τον οπτικό ζεύκτη. Εάν όλα είναι φυσιολογικά, ο οδηγός συνεχίζει την αλλαγή, αλλιώς παραλείψτε τους κύκλους εναλλαγής εκτός εάν όλα έγιναν κανονικά.

Σχεδιασμός του SMPS PCB μας

Μόλις ολοκληρωθεί το κύκλωμα, μπορείτε να το δοκιμάσετε σε έναν πίνακα perf και μετά να ξεκινήσετε με το σχεδιασμό PCB. Έχουμε χρησιμοποιήσει τον αετό για να σχεδιάσουμε το PCB μας, μπορείτε να δείτε την εικόνα διάταξης παρακάτω. Μπορείτε επίσης να κατεβάσετε τα αρχεία σχεδίασης από τον παρακάτω σύνδεσμο.

• Σχέδιο Eagle και σχεδίαση PCB για 5V / 3.3V SMPS

Όπως μπορείτε να δείτε, το μέγεθος της πλακέτας είναι 63 mm για 32 mm, το οποίο είναι αξιοπρεπώς μικρό μέγεθος. Τα εξαρτήματα τοποθετούνται σε ασφαλή απόσταση για να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία. Η επάνω και η κάτω πλευρά του PCB μας φαίνονται στην παρακάτω εικόνα. Είναι μια πλακέτα PCB διπλού στρώματος με προγραμματισμένο πάχος 35um χαλκού. Η δίοδος εξόδου και το IC του οδηγού χρειάζονται ιδιαίτερη θερμική μέριμνα για σκοπούς σχετικούς με την απαγωγή θερμότητας. Επίσης, στη δευτερεύουσα πλευρά γίνεται ραφή για καλύτερη συνδεσιμότητα στο έδαφος.

Μπορείτε επίσης να παρατηρήσετε ότι λίγα στοιχεία SMD τοποθετούνται στο πίσω μέρος της πλακέτας για τη διατήρηση του μεγέθους της μονάδας σε μια μικρή διάσταση. Υπάρχουν λίγα ζητήματα σχεδιασμού που πρέπει να ακολουθήσετε εάν σχεδιάζετε το SMPS PCB σας, ανατρέξτε σε αυτό το άρθρο σχετικά με τον οδηγό διάταξης σχεδιασμού SMPS PCB για να μάθετε περισσότερα.

Κατασκευή PCB για 12v 1A SMPS Circuit

Τώρα καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί το σχήμα, μπορούμε να προχωρήσουμε στην κατασκευή του PCB για το SMPS μας. Δεδομένου ότι πρόκειται για κύκλωμα SMPS, συνιστάται ένα PCB καθώς θα μπορούσε να αντιμετωπίσει προβλήματα θορύβου και απομόνωσης. Η διάταξη PCB για το παραπάνω κύκλωμα είναι επίσης διαθέσιμη για λήψη ως Gerber από τον σύνδεσμο.

• Κατεβάστε το αρχείο Gerber για 5V / 3.3V SMPS Circuit

Τώρα ο σχεδιασμός μας είναι έτοιμος, ήρθε η ώρα να τα κατασκευάσουμε χρησιμοποιώντας το αρχείο Gerber. Το να ολοκληρώσετε το PCB από το PCBGOGO είναι αρκετά εύκολο, απλώς ακολουθήστε τα παρακάτω βήματα-

Βήμα 1: Μπείτε στο www.pcbgogo.com, εγγραφείτε εάν αυτή είναι η πρώτη σας φορά. Στη συνέχεια, στην καρτέλα Πρωτότυπο PCB, εισαγάγετε τις διαστάσεις του PCB σας, τον αριθμό των επιπέδων και τον αριθμό των PCB που χρειάζεστε. Υποθέτοντας ότι το PCB είναι 80cm × 80cm, μπορείτε να ορίσετε τις διαστάσεις όπως φαίνεται παρακάτω.

Βήμα 2: Συνεχίστε κάνοντας κλικ στο κουμπί Quote Now . Θα μεταφερθείτε σε μια σελίδα όπου θα ορίσετε μερικές επιπλέον παραμέτρους, εάν απαιτείται, όπως το υλικό που χρησιμοποιείται σε απόσταση κομματιού κ.λπ. Αλλά κυρίως οι προεπιλεγμένες τιμές θα λειτουργήσουν καλά. Το μόνο πράγμα που πρέπει να λάβουμε υπόψη εδώ είναι η τιμή και ο χρόνος. Όπως μπορείτε να δείτε, ο Χρόνος Κατασκευής είναι μόνο 2-3 ημέρες και κοστίζει μόνο 5 $ για το PCB μας. Στη συνέχεια, μπορείτε να επιλέξετε μια προτιμώμενη μέθοδο αποστολής με βάση τις απαιτήσεις σας.

Βήμα 3: Το τελευταίο βήμα είναι να ανεβάσετε το αρχείο Gerber και να προχωρήσετε στην πληρωμή. Για να βεβαιωθείτε ότι η διαδικασία είναι ομαλή, το PCBGOGO επαληθεύει εάν το αρχείο Gerber σας είναι έγκυρο πριν προχωρήσετε στην πληρωμή. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να είστε σίγουροι ότι το PCB σας είναι φιλικό στην κατασκευή και θα σας φτάσει ως δεσμευμένο.

Συναρμολόγηση του PCB

Μετά την παραγγελία του διοικητικού συμβουλίου, μου έφτασε μετά από μερικές μέρες μέσω ταχυμεταφοράς σε ένα καλά συσκευασμένο κουτί με ετικέτες, και όπως πάντα η ποιότητα του PCB ήταν καταπληκτική. Το PCB που έλαβα από εμένα εμφανίζεται παρακάτω. Όπως βλέπετε τόσο το πάνω όσο και το κάτω στρώμα έχουν αποδειχθεί όπως αναμενόταν.

Τα vias και τα μαξιλάρια ήταν όλα στο σωστό μέγεθος. Μου πήρε περίπου 15 λεπτά για να συναρμολογώ στην πλακέτα PCB σε ένα κύκλωμα εργασίας. Η συναρμολογημένη σανίδα φαίνεται παρακάτω.

Δοκιμή του κυκλώματος SMPS 5V / 3.3V

Εξαρτήματα και η υποδομή δοκιμών παρέχονται από την Iquesters Solutions. Ωστόσο, ο μετασχηματιστής είναι χειροποίητος, μπορείτε επίσης να δημιουργήσετε το δικό σας μετασχηματιστή SMPS. Εδώ για σκοπούς δοκιμής, ο μετασχηματιστής είναι κατασκευασμένος για 1Α. Κάποιος μπορεί να χρησιμοποιήσει την κατάλληλη αναλογία στροφών για μετασχηματιστή 1.5Α σύμφωνα με τις προδιαγραφές του μετασχηματιστή. Η πλακέτα SMPS μοιάζει με αυτό όταν ολοκληρωθεί η συναρμολόγηση.

Τώρα για να δοκιμάσω την πλακέτα SMPS, θα το κάνω χρησιμοποιώντας ένα Variac και θα χρησιμοποιήσω ένα ηλεκτρονικό φορτίο DC για να ρυθμίσω το ρεύμα εξόδου. Η παρακάτω εικόνα δείχνει την παλιά ρυθμιζόμενη ρύθμιση φορτίου DC που είναι συνδεδεμένη με την πλακέτα SMPS. Μπορείτε να το δοκιμάσετε με οποιοδήποτε φορτίο της επιλογής σας, αλλά χρησιμοποιώντας ένα ρυθμιζόμενο φορτίο DC θα σας βοηθήσει να αξιολογήσετε τους πίνακες τροφοδοσίας. Μπορείτε επίσης να δημιουργήσετε εύκολα το δικό σας ρυθμιζόμενο ηλεκτρονικό φορτίο DC με βάση το Arduino ακολουθώντας αυτόν τον σύνδεσμο.

Όπως μπορείτε να δείτε στην παρακάτω εικόνα, δοκίμασα το κύκλωμα SMPS και για τα 5V και 3.3V αλλάζοντας τον πείρο του βραχυκυκλωτήρα. Το ρεύμα εξόδου δοκιμάστηκε έως και 850mA, αλλά μπορείτε επίσης να φτάσετε μέχρι το 1,5A με βάση τη σχεδίαση του μετασχηματιστή σας.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη δοκιμή και την κατασκευή, ελέγξτε τον παρακάτω σύνδεσμο βίντεο. Ελπίζω να απολαύσατε το άρθρο και να μάθετε κάτι χρήσιμο. Αν έχετε απορίες, αφήστε τις στην παρακάτω ενότητα σχολίων ή χρησιμοποιήστε τα φόρουμ μας.