Entwerfen Sie Ihre eigene kompakte 5V / 3,3V-SMPS-Schaltung für eingebettete und iot-Projekte

Eine grobe Möglichkeit, Ihre Gleichstromkreise mit Wechselstrom zu versorgen, besteht darin, einen Abwärtstransformator zu verwenden, um die 230-V-Netzspannung zu verringern und ein paar Dioden als Brückengleichrichter hinzuzufügen. Aufgrund der enormen Platzgröße und anderer Nachteile kann es jedoch nicht für alle Zwecke verwendet werden. Eine weitere beliebte und professionelle Methode ist die Verwendung von Schaltnetzteilen, um Ihr Wechselstromnetz nach Bedarf in einen breiten Gleichspannungsbereich umzuwandeln. Nahezu jede Unterhaltungselektronik, vom normalen 12-V-Adapter bis zum Laptop-Ladegerät, verfügt über einen SMPS-Schaltkreis, um den erforderlichen Gleichstrom bereitzustellen Ausgangsleistung.

Bei Circuitdigest haben wir bereits einige beliebte SMPS-Schaltungen gebautfür unterschiedliche Nennwerte, nämlich die 12V 1A Viper 22A SMPS-, 5V 2A SMPS- und 12V 1A SMPS-Schaltung, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden können. Dieses Mal werden wir ein SMPS erstellen, das für allgemeine Zwecke verwendet werden kann und eine einfache Modulform hat, die in weltraumbezogenen Situationen verwendet werden kann. Heutzutage verwendet das Internet der Dinge verschiedene WLAN-basierte Prozessoren wie NodeMCU, ESP32 und ESP12E usw., die mit 5 V oder 3,3 V betrieben werden. Diese Module sind sehr kompakt und daher ist es zur Stromversorgung dieser Karten sinnvoll, kleinere SMPS-Schaltkreise zu verwenden, die auf derselben Karte betrieben werden können, anstatt einen separaten SMPS-Schaltkreis zu verwenden. In diesem Artikel erfahren Sie daher, wie Sie eine SMPS-Schaltung erstellen, die entweder 5 V oder 3,3 V ausgeben kann (mit Jumper konfigurierbare Hardware). Das Schaltungsdesign und das PCB-Layout werden ebenfalls bereitgestellt, sodass Sie diese einfach in Ihr vorhandenes Design integrieren können.Hier werden unsere Leiterplatten von PCBGoGo hergestellt, einem kostengünstigen, hochwertigen Leiterplatten-Prototypen- und Leiterplatten-Montageunternehmen auf Porzellanbasis.

Die Nennleistung des SMPS beträgt 5 V oder 3,3 V, 1,5 A, da die meisten Entwicklungsplatinen logische Pegelspannungen von 5 V oder 3,3 V verwenden und 1,5 A für die meisten IoT-basierten Anwendungen ausreichend sein sollten. Beachten Sie jedoch, dass dieses SMPS keine Filter im Eingabeabschnitt enthält, um Größe und Kosten zu reduzieren. Daher kann dieses SMPS nur zur Stromversorgung von Mikrocontroller-Karten oder zum Laden verwendet werden. Stellen Sie sicher, dass es während des Betriebs außerhalb der Reichweite des Benutzers liegt.

Warnung: Das Arbeiten mit SMPS-Schaltkreisen kann gefährlich sein, da es sich um eine möglicherweise tödliche Netzspannung handelt. Versuchen Sie nicht, dies zu erstellen, wenn Sie keine Erfahrung mit dem Netz haben. Seien Sie immer vorsichtig mit stromführenden Kabeln und geladenen Kondensatoren, verwenden Sie Schutzwerkzeuge und überwachen Sie sie bei Bedarf. Du wurdest gewarnt!!

5V / 3,3V SMPS-Platinenspezifikationen

Das SMPS hat die folgenden Spezifikationen.

1. 85VAC bis 230VAC Eingang.
2. 5V oder 3,3V wählbarer 2A Ausgang.
3. Offene Rahmenkonstruktion
4. Kurzschluss- und Überspannungsschutz
5. Kleine Größe mit kostengünstigen Funktionen.

Erforderliche Materialien für SMPS Circuit (BOM)

1. Sicherung 1A 250VAC Langsamer Schlag
2. Diodenbrücke DB107
3. 10 uF / 400 V.
4. P6KE Diode
5. UF4007
6. 2Meg - 2 Pcs - 0805 Paket
7. 2,2 nF 250 VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - 0805 Paket
10. PC817
11. 1k - 0805 Paket
12. 22R - 2 Stück - 0805 Paket
13. 100 nF - 0805 Paket
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - 0805 Paket
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Trommelkern
19. 2,2 nF 250 VAC

Hinweis: Alle Teile wurden so ausgewählt, dass sie für Designer leicht verfügbar sind. Der SMPS-Transformator muss mithilfe dieses Datenblattes benutzerdefiniert erstellt werden. Sie können entweder einen Hersteller verwenden, um einen zu bauen, oder Ihren SMPS-Transformator über die Verbindung entwerfen und wickeln.

Dieses SMPS wurde unter Verwendung des Leistungsintegrations-IC TNY284DG entwickelt. Dieser SMPS-Taucher-IC ist am besten für diesen SMPS geeignet, da der IC im SMD-Paket erhältlich ist und die Leistung für diesen Zweck geeignet ist. Das folgende Bild zeigt die Leistungsspezifikation von TNY284DG.

Wie wir sehen können, ist TNY284DG perfekt für unsere Option. Da die Konstruktion ein offener Rahmen ist, entspricht sie der Ausgangsleistung von 8,5 W. Das heißt, es kann leicht 1,5 A bei 5 V liefern.

5V / 3,3V SMPS Schaltplan

Der Aufbau dieses SMPS ist ziemlich einfach und unkompliziert. Dieses Design verwendet den Power Integration-Chipsatz als SMPS-Treiber-IC. Das Schema der Schaltung ist im folgenden Bild zu sehen.

Bauen und Arbeiten

Bevor wir direkt mit dem Bau des Prototypteils beginnen, wollen wir den Schaltkreisbetrieb untersuchen. Die Schaltung hat die folgenden Abschnitte:

1. Eingangsschutz
2. AC-DC-Umwandlung
3. Treiberschaltung oder Schaltschaltung
4. Unterspannungssperrschutz.
5. Klemmkreis
6. Magnetik und galvanische Trennung
7. EMI-Filterung
8. Sekundärgleichrichter und Dämpfungsschaltung
9. Filterabschnitt
10. Feedback-Bereich.

Eingangsschutz

F1 ist eine langsame Sicherung, die das SMPS vor hoher Last und Fehlerbedingungen schützt. Der SMPS-Eingabeabschnitt verwendet keine Überlegungen zu EMI-Filtern. Dies ist eine langsame 1A 250VAC-Sicherung, die das SMPS unter Fehlerbedingungen schützt. Diese Sicherung kann jedoch gegen eine Glassicherung ausgetauscht werden. Sie können auch den Artikel über verschiedene Sicherungstypen lesen.

AC-DC-Umwandlung

B1 ist der Diodenbrückengleichrichter. Dies ist DB107, eine 1A 700V-Diodenbrücke. Dadurch wird der Wechselstromeingang in Gleichspannung umgewandelt. Zusätzlich ist der 10uF 400V-Kondensator für die Gleichrichtung der Gleichstromwelligkeit unerlässlich und liefert einen gleichmäßigen Gleichstromausgang an die Treiberschaltung sowie den Transformator.

Treiberschaltung oder Schaltschaltung

Es ist die Hauptkomponente dieses SMPS. Die Primärseite des Transformators wird ordnungsgemäß vom Schaltkreis TNY284DG gesteuert. Die Schaltfrequenz beträgt 120-132 kHz. Aufgrund dieser hohen Schaltfrequenz können kleinere Transformatoren verwendet werden.

Das obige Pinbelegungsdiagramm zeigt die Pinbelegung von TNY284DG. Der Schalttreiber IC1, der TNY284DG ist, verwendet C2 einen 10uF 16V Kondensator. Dieser Kondensator liefert einen gleichmäßigen Gleichstromausgang an den internen Schaltkreis von TNY284DG.

Unterspannungssperrschutz

Der Transformator wirkt als riesiger Induktor. Daher induziert der Transformator in jedem Schaltzyklus Hochspannungsspitzen aufgrund der Streuinduktivität des Transformators. Die Zenerdiode D1, bei der es sich um eine P6KE160- Diode handelt, klemmt den Ausgangsspannungskreis und die D2, bei der es sich um UF4007 handelt, blockiert diese Hochspannungsspitzen und dämpft sie auf einen sicheren Wert, der zum Speichern des DRAIN-Pins des TNY284DG vorteilhaft ist.

Magnetics und Galvanic Isolation

Der Transformator ist ferromagnetisch und wandelt nicht nur den Hochspannungswechselstrom in einen Niederspannungswechselstrom um, sondern bietet auch eine galvanische Trennung. Der Transformator ist ein EE16-Transformator. Die detaillierten Transformatorspezifikationen finden Sie im Transformator-Datenblatt, das zuvor im Abschnitt "Erforderliche Materialien" veröffentlicht wurde.

EMI-Filter

Die EMI-Filterung erfolgt durch den C3-Kondensator. Der C3-Kondensator ist ein Hochspannungskondensator mit 2,2 nF und 250 VAC, der die Störfestigkeit erhöht und die hohe EMI-Störung verringert.

Sekundärgleichrichter und Dämpfungskreis

Der Ausgang des Transformators wird mit einer Schottky-Diode SR360 gleichgerichtet. Dies ist eine 60V 3A Diode. Diese Schottky-Diode D3 liefert einen Gleichstromausgang vom Transformator, der durch den großen 1000-uF-16-V-Kondensator C6 weiter gleichgerichtet wird.

Der Ausgang des Transformators liefert eine Klingelwelligkeit, die durch die Dämpfungsschaltung unterdrückt wird, die durch den niederwertigen Widerstand und den Kondensator in Reihenschaltung parallel zum Ausgangsgleichrichter erzeugt wird. Der niederwertige Widerstand ist 22R und der niederwertige Kondensator ist 470 pF. Diese beiden Komponenten R8 und C5 bilden die Dämpfungsschaltung im DC-Ausgangsabschnitt.

Filterabschnitt

Der Filterabschnitt wird mithilfe einer LC-Konfiguration erstellt. Das C ist der Filterkondensator C6. Es ist ein Kondensator mit niedrigem ESR für eine bessere Welligkeitsunterdrückung mit einem Wert von 100 uF 16 V und der Induktor L1 ist ein 3,3 uH Trommelkerninduktor.

Feedback-Bereich

Die Ausgangsspannung wird vom U1 TL431 über einen Spannungsteiler erfasst. Wenn der Spannungsteiler eine perfekte Spannung erzeugt, schaltet der TL431 daher einen optischen Koppler ein, der PC817 ist und als OK1 bezeichnet wird.

Da es zwei wählbare Spannungsbetriebe von 3,3 V und 5 V gibt, werden zwei Spannungsteiler unter Verwendung der drei Widerstände R3, R4 und R5 erzeugt. R5 ist allen beiden Teilern gemeinsam, aber R3 und R4 können mit einem Jumper geändert werden. Nach dem Erfassen der Leitung U1 wird der Optokoppler gesteuert, der den TNY284DG weiter auslöst und den sekundären Rückkopplungserfassungsabschnitt mit dem primärseitigen Controller galvanisch isoliert.

Während des ersten Einschaltens, da dies eine Flyback-Konfiguration ist, schaltet der Treiber das Schalten ein und wartet auf die Antwort vom Optokoppler. Wenn alles normal ist, setzt der Fahrer das Umschalten fort, andernfalls überspringen Sie die Umschaltzyklen, es sei denn, alles wurde normal.

Entwerfen unserer SMPS-Platine

Sobald die Schaltung fertiggestellt ist, können Sie sie auf einer Perf-Platine testen und dann mit Ihrem PCB-Design beginnen. Wir haben Eagle verwendet, um unsere Leiterplatte zu entwerfen. Sie können das Layoutbild unten überprüfen. Sie können die Designdateien auch über den folgenden Link herunterladen.

• Eagle Schematics und PCB Design für 5V / 3.3V SMPS

Wie Sie sehen können, beträgt die Boardgröße 63 mm für 32 mm, was eine recht kleine Größe ist. Die Komponenten sind in sicherem Abstand angeordnet, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die Ober- und Unterseite unserer Leiterplatte ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es ist eine doppelschichtige Leiterplatte mit einer geplanten Dicke von 35 um Kupfer. Die Ausgangsdiode und der Treiber-IC benötigen spezielle thermische Überlegungen für Zwecke der Wärmeableitung. Auch auf der Sekundärseite erfolgt das Nähen für eine bessere Bodenverbindung.

Sie können auch feststellen, dass nur wenige SMD-Komponenten auf der Rückseite der Platine platziert sind, um die Modulgröße in einem kleinen Maß zu halten. Es gibt einige Überlegungen zum Design, die Sie beim Entwerfen Ihrer SMPS-Leiterplatte beachten müssen. Weitere Informationen finden Sie in diesem Artikel im Layout-Handbuch für das Design von SMPS-Leiterplatten.

Herstellung einer Leiterplatte für eine 12V 1A SMPS-Schaltung

Nachdem wir nun verstanden haben, wie die Schaltpläne funktionieren, können wir mit dem Aufbau der Leiterplatte für unser SMPS fortfahren. Da es sich um eine SMPS-Schaltung handelt, wird eine Leiterplatte empfohlen, da diese Probleme mit Rauschen und Isolation verursachen kann. Das PCB-Layout für die obige Schaltung kann auch als Gerber über den Link heruntergeladen werden.

• Laden Sie die Gerber-Datei für 5V / 3.3V SMPS Circuit herunter

Jetzt ist unser Design fertig, es ist Zeit, sie mithilfe der Gerber-Datei herzustellen. Befolgen Sie einfach die nachstehenden Schritte, um die Leiterplatte mit PCBGOGO fertigzustellen.

Schritt 1: Gehen Sie zu www.pcbgogo.com und melden Sie sich an, wenn Sie zum ersten Mal hier sind. Geben Sie dann auf der Registerkarte PCB Prototype die Abmessungen Ihrer Leiterplatte, die Anzahl der Schichten und die Anzahl der benötigten Leiterplatten ein. Angenommen, die Leiterplatte ist 80 cm × 80 cm groß, können Sie die Abmessungen wie unten gezeigt einstellen.

Schritt 2: Klicken Sie auf die Schaltfläche Jetzt zitieren. Sie werden zu einer Seite weitergeleitet, auf der Sie bei Bedarf einige zusätzliche Parameter wie den verwendeten Spurabstand usw. festlegen können. Meistens funktionieren die Standardwerte jedoch einwandfrei. Das einzige, was wir hier berücksichtigen müssen, ist der Preis und die Zeit. Wie Sie sehen können, beträgt die Bauzeit nur 2-3 Tage und kostet nur 5 US-Dollar für unsere Leiterplatte. Sie können dann eine bevorzugte Versandart auswählen, die Ihren Anforderungen entspricht.

Schritt 3: Der letzte Schritt besteht darin, die Gerber-Datei hochzuladen und mit der Zahlung fortzufahren. Um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, überprüft PCBGOGO, ob Ihre Gerber-Datei gültig ist, bevor Sie mit der Zahlung fortfahren. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Ihre Leiterplatte herstellungsfreundlich ist und Sie als engagiert erreicht.

Montage der Leiterplatte

Nachdem das Board bestellt worden war, erreichte es mich nach einigen Tagen per Kurier in einer ordentlich etikettierten, gut verpackten Schachtel, und wie immer war die Qualität der Platine fantastisch. Die von mir empfangene Leiterplatte ist unten dargestellt. Wie Sie sehen, hat sich sowohl die obere als auch die untere Ebene wie erwartet herausgestellt.

Die Durchkontaktierungen und Pads hatten alle die richtige Größe. Ich brauchte ungefähr 15 Minuten, um die Leiterplatte zu einem Arbeitskreis zusammenzubauen. Die zusammengebaute Platine ist unten dargestellt.

Testen unserer 5V / 3,3V SMPS-Schaltung

Komponenten und die Testinfrastruktur wurden von Iquesters Solutions bereitgestellt. Der Transformator ist jedoch handgefertigt. Sie können auch Ihren eigenen SMPS-Transformator bauen. Hier wird der Transformator zu Testzwecken für 1A hergestellt. Man kann das richtige Windungsverhältnis für einen 1,5-A-Transformator gemäß den angegebenen Transformatorspezifikationen verwenden. Unsere SMPS-Karte sieht nach der Montage so aus.

Um unsere SMPS-Karte zu testen, werde ich sie mit einem Variac versorgen und eine elektronische Gleichstromlast verwenden, um den Ausgangsstrom anzupassen. Das folgende Bild zeigt meine alte Einstellung der einstellbaren Gleichstromlast, die an unsere SMPS-Karte angeschlossen ist. Sie können es mit jeder Last Ihrer Wahl testen. Die Verwendung einer einstellbaren Gleichstromlast hilft Ihnen jedoch bei der Bewertung Ihrer Stromversorgungsplatinen. Sie können auch ganz einfach Ihre eigene Arduino-basierte einstellbare elektronische Gleichstromlast erstellen, indem Sie diesem Link folgen.

Wie Sie im folgenden Bild sehen können, habe ich unsere SMPS-Schaltung durch Wechseln des Überbrückungsstifts auf 5 V und 3,3 V getestet. Der Ausgangsstrom wurde auf bis zu 850 mA getestet, Sie können jedoch auch bis zu 1,5 A je nach Transformatordesign verwenden.

Weitere Informationen zu Test und Konstruktion finden Sie unter dem folgenden Videolink. Ich hoffe, Ihnen hat der Artikel gefallen und Sie haben etwas Nützliches gelernt. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese bitte im Kommentarbereich unten oder nutzen Sie unsere Foren.