Thiết kế mạch smps 5v / 3.3v nhỏ gọn của riêng bạn cho các dự án nhúng và iot

Một cách thô sơ để cấp nguồn cho các mạch DC của bạn với nguồn AC là sử dụng một máy biến áp hạ bậc để giảm điện áp nguồn 230V và thêm một vài điốt làm bộ chỉnh lưu cầu. Nhưng do kích thước không gian khổng lồ và những nhược điểm khác, nó không thể được sử dụng cho mọi mục đích. Một cách phổ biến và chuyên nghiệp khác là sử dụng Mạch nguồn cung cấp chế độ chuyển đổi để chuyển đổi nguồn điện AC của bạn thành một loạt điện áp DC theo yêu cầu, hầu hết mọi thiết bị điện tử tiêu dùng từ bộ chuyển đổi 12V thông thường đến Bộ sạc máy tính xách tay đều có mạch SMPS để cung cấp DC cần thiết Công suất ra.

Tại Circuitdigest, chúng tôi đã xây dựng một số mạch SMPS phổ biếncho các xếp hạng khác nhau, cụ thể là mạch 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS và 12V 1A SMPS, mỗi mạch có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Lần này, chúng tôi sẽ xây dựng một SMPS có thể được sử dụng cho các mục đích chung và có hình dạng mô-đun đơn giản để sử dụng trong các tình huống liên quan đến không gian. Ngày nay, Internet of Things sử dụng nhiều bộ xử lý dựa trên wifi khác nhau như NodeMCU, ESP32 và ESP12E, v.v. hoạt động trên 5V hoặc 3.3V. Các mô-đun này rất nhỏ gọn và do đó để cung cấp năng lượng cho các bảng này, sẽ hợp lý khi sử dụng các mạch SMPS nhỏ hơn có thể đi trên cùng một bảng, thay vì sử dụng mạch SMPS riêng biệt. Do đó, trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách xây dựng một mạch SMPS có thể xuất ra 5V hoặc 3.3V (có thể cấu hình phần cứng bằng jumper), thiết kế mạch và bố cục PCB cũng được cung cấp, vì vậy bạn có thể chỉ cần chuyển nó vào thiết kế hiện có của mình.Tại đây các bảng PCB của chúng tôi được sản xuất bởi PCBGoGo, một công ty dịch vụ lắp ráp PCB và nguyên mẫu PCB chất lượng cao có chi phí thấp có trụ sở tại Trung Quốc.

Đánh giá của SMPS là 5V hoặc 3.3V 1.5A vì hầu hết các bảng phát triển sử dụng điện áp mức logic 5V hoặc 3.3V và 1.5A nên đủ tốt cho hầu hết các ứng dụng dựa trên IoT. Nhưng lưu ý rằng SMPS này không có bất kỳ bộ lọc nào trong phần đầu vào để giảm kích thước và chi phí. Do đó, SMPS này chỉ có thể được sử dụng để cấp nguồn cho bo mạch vi điều khiển hoặc mục đích sạc. Đảm bảo rằng nó sẽ được che khỏi tầm với của người dùng khi hoạt động.

Cảnh báo: Làm việc với mạch SMPS có thể nguy hiểm vì nó liên quan đến điện áp nguồn AC có khả năng gây chết người. Đừng cố tạo điều này nếu bạn không có kinh nghiệm làm việc với nguồn điện AC. Luôn thận trọng với dây dẫn điện và tụ điện tích điện, sử dụng các công cụ bảo vệ và giám sát nếu cần. Bạn đã được cảnh báo!!

Thông số kỹ thuật bo mạch 5V / 3.3V SMPS

SMPS sẽ có các thông số kỹ thuật sau.

1. Đầu vào 85VAC đến 230VAC.
2. Đầu ra 2A có thể lựa chọn 5V hoặc 3.3V.
3. Kết cấu khung mở
4. Ngắn mạch và bảo vệ quá áp
5. Kích thước nhỏ với các tính năng chi phí thấp.

Vật liệu cần thiết cho mạch SMPS (BOM)

1. Cầu chì 1A 250VAC thổi chậm
2. Cầu diode DB107
3. 10uF / 400V
4. Diode P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 chiếc - gói 0805
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. Gói 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. 1k - 0805 gói
12. 22R - 2pcs - gói 0805
13. 100 nF - gói 0805
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - gói 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Lõi trống
19. 2.2nF 250VAC

Lưu ý: Tất cả các bộ phận đã được lựa chọn để dễ dàng cung cấp cho các nhà thiết kế. Biến áp SMPS phải được xây dựng tùy chỉnh bằng cách sử dụng biểu dữ liệu này. Bạn có thể sử dụng một nhà cung cấp để chế tạo một hoặc thiết kế và quấn máy biến áp SMPS của bạn bằng cách sử dụng liên kết.

SMPS này được thiết kế sử dụng IC tích hợp nguồn TNY284DG. Đây SMPS Diver IC là phù hợp nhất cho điều này SMPS như IC có sẵn trong gói SMD cũng như công suất phù hợp cho mục đích này. Hình ảnh dưới đây là thông số kỹ thuật công suất của TNY284DG.

Như chúng ta thấy, TNY284DG là lựa chọn hoàn hảo. Vì cấu trúc là một khung mở, nó sẽ phù hợp với công suất đầu ra là 8,5W. Có nghĩa là nó có thể dễ dàng cung cấp 1.5A ở 5V.

Sơ đồ mạch 5V / 3.3V SMPS

Việc xây dựng SMPS này khá đơn giản và dễ hiểu. Thiết kế này sử dụng chipset Tích hợp nguồn làm IC điều khiển SMPS. Sơ đồ của mạch có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây-

Xây dựng và làm việc

Trước khi đi thẳng vào xây dựng phần nguyên mẫu, chúng ta hãy khám phá hoạt động của mạch. Mạch có các phần sau-

1. Bảo vệ đầu vào
2. Chuyển đổi AC-DC
3. Mạch trình điều khiển hoặc mạch chuyển mạch
4. Bảo vệ khóa điện áp dưới điện áp.
5. Mạch kẹp
6. Từ tính và cách ly điện
7. Lọc EMI
8. Bộ chỉnh lưu thứ cấp và mạch snubber
9. Bộ lọc Phần
10. Phần phản hồi.

Bảo vệ đầu vào

F1 là cầu chì thổi chậm sẽ bảo vệ SMPS khỏi các điều kiện tải cao và lỗi. Phần đầu vào SMPS không sử dụng bất kỳ cân nhắc nào về bộ lọc EMI. Đây là cầu chì thổi chậm 1A 250VAC và sẽ bảo vệ SMPS trong các điều kiện lỗi. Tuy nhiên, cầu chì này có thể được thay đổi thành cầu chì thủy tinh. Bạn cũng có thể xem thêm bài viết về các loại cầu chì.

Chuyển đổi AC-DC

B1 là bộ chỉnh lưu cầu diode. Đây là DB107, một cầu diode 1A 700V. Điều này sẽ chuyển đổi đầu vào AC thành điện áp DC. Ngoài ra, tụ điện 10uF 400V sẽ rất cần thiết để chỉnh lưu gợn sóng DC và nó sẽ cung cấp đầu ra DC thông suốt cho mạch trình điều khiển cũng như Biến áp.

Mạch trình điều khiển hoặc Mạch chuyển mạch

Nó là thành phần chính của SMPS này. Phía sơ cấp của máy biến áp được điều khiển thích hợp bởi mạch chuyển đổi TNY284DG. Tần số chuyển mạch là 120-132 kHz. Do tần số chuyển mạch cao này, có thể sử dụng các máy biến áp nhỏ hơn.

Sơ đồ sơ đồ chân trên hiển thị sơ đồ chân TNY284DG. Trình điều khiển chuyển mạch IC1 là TNY284DG sử dụng C2 một tụ điện 10uF 16V. Tụ điện này cung cấp một đầu ra DC mượt mà cho mạch bên trong của TNY284DG.

Bảo vệ khóa điện áp dưới

Máy biến áp hoạt động như một cuộn cảm cực lớn. Do đó, trong mỗi chu kỳ đóng cắt, máy biến áp tạo ra các xung điện áp cao do cuộn cảm rò của máy biến áp. Diode Zener D1 là diode P6KE160, kẹp mạch điện áp đầu ra và D2 ​​là UF4007, một diode Ultra-Fast chặn các xung điện áp cao này và làm ẩm nó đến giá trị an toàn, có lợi để tiết kiệm chân DRAIN của TNY284DG.

Magnetics và Galvanic Isolation

Máy biến áp là sắt từ và nó không chỉ chuyển đổi điện áp cao AC thành điện áp thấp xoay chiều mà còn cung cấp cách ly điện. Máy biến áp là Máy biến áp EE16. Thông số kỹ thuật máy biến áp chi tiết có thể được xem trong bảng dữ liệu máy biến áp đã được chia sẻ trước đó trong phần vật liệu yêu cầu.

Bộ lọc EMI

Lọc EMI được thực hiện bởi tụ điện C3. Tụ C3 là tụ điện 2.2nF 250VAC điện áp cao, giúp tăng khả năng miễn nhiễm của mạch và giảm nhiễu EMI cao.

Bộ chỉnh lưu thứ cấp và mạch Snubber

Đầu ra từ máy biến áp được chỉnh lưu bằng cách sử dụng điốt Schottky SR360. Đây là một Diode 60V 3A. Điốt Schottky D3 này cung cấp đầu ra DC từ máy biến áp được chỉnh lưu thêm bởi tụ điện C6 lớn 1000uF 16V.

Đầu ra của máy biến áp cung cấp một gợn chuông bị triệt tiêu bởi mạch snubber được tạo ra bởi điện trở giá trị thấp và tụ điện mắc nối tiếp song song với bộ chỉnh lưu đầu ra. Điện trở có giá trị thấp là 22R và tụ điện có giá trị thấp là 470 pF. Hai thành phần R8 và C5 này tạo ra mạch snubber ở phần ngõ ra DC.

Bộ lọc Phần

Phần bộ lọc được tạo bằng cách sử dụng cấu hình LC. C là tụ lọc C6. Nó là một tụ điện ESR thấp để loại bỏ gợn sóng tốt hơn với giá trị 100uF 16V và cuộn cảm L1 là cuộn cảm lõi trống 3,3uH.

Phần phản hồi

Điện áp đầu ra được cảm nhận bởi U1 TL431 bằng một bộ chia điện áp. Do đó, bất cứ khi nào bộ chia điện áp tạo ra một điện áp hoàn hảo, TL431 sẽ bật một bộ ghép lựa chọn là PC817, được ký hiệu là OK1.

Vì có hai hoạt động điện áp có thể lựa chọn 3,3V và 5V, có hai bộ phân áp được tạo ra bằng cách sử dụng ba điện trở R3, R4 và R5. R5 là chung cho tất cả hai bộ chia nhưng R3 và R4 có thể thay đổi bằng cách sử dụng một jumper. Sau khi cảm nhận dòng, U1, bộ ghép quang được điều khiển để tiếp tục kích hoạt TNY284DG và cách ly phần cảm biến phản hồi thứ cấp với bộ điều khiển phía chính.

Trong lần khởi động đầu tiên, vì đây là cấu hình flyback, trình điều khiển sẽ bật chuyển đổi và chờ phản hồi từ optocoupler. Nếu mọi thứ bình thường, trình điều khiển tiếp tục chuyển đổi, nếu không thì bỏ qua các chu kỳ chuyển đổi trừ khi mọi thứ trở nên bình thường.

Thiết kế PCB SMPS của chúng tôi

Khi mạch được hoàn thiện, bạn có thể kiểm tra nó trên một bo mạch hoàn thiện và sau đó bắt đầu với thiết kế PCB của bạn. Chúng tôi đã sử dụng đại bàng để thiết kế PCB của mình, bạn có thể xem hình ảnh bố cục bên dưới. Bạn cũng có thể tải xuống các tệp thiết kế từ liên kết bên dưới.

• Sơ đồ Eagle và Thiết kế PCB cho 5V / 3.3V SMPS

Như bạn có thể thấy kích thước bảng là 63mm cho 32mm, đó là một kích thước nhỏ. Các thành phần được đặt ở một khoảng cách an toàn để đảm bảo hoạt động an toàn. Mặt trên và mặt dưới của PCB của chúng tôi được hiển thị trong hình ảnh dưới đây. Nó là một bảng PCB hai lớp với độ dày dự kiến ​​là 35um đồng. Diode đầu ra và IC điều khiển cần được xem xét đặc biệt về nhiệt cho các mục đích liên quan đến tản nhiệt. Ngoài ra, ở mặt phụ thông qua đường khâu được thực hiện để kết nối mặt đất tốt hơn.

Bạn cũng có thể nhận thấy rằng một số thành phần SMD được đặt ở mặt sau của bo mạch để giữ cho kích thước mô-đun ở một chiều nhỏ. Có một số cân nhắc về thiết kế mà bạn phải tuân theo nếu bạn đang thiết kế PCB SMPS của mình, hãy xem bài viết này về Hướng dẫn bố trí thiết kế PCB SMPS để biết thêm.

Chế tạo PCB cho mạch 12v 1A SMPS

Bây giờ chúng ta đã hiểu cách thức hoạt động của các giản đồ, chúng ta có thể tiến hành xây dựng PCB cho SMPS của mình. Vì đây là mạch SMPS, nên sử dụng PCB vì nó có thể giải quyết các vấn đề về nhiễu và cách ly. Bố cục PCB cho mạch trên cũng có sẵn để tải xuống dưới dạng Gerber từ liên kết.

• Tải xuống tệp Gerber cho Mạch SMPS 5V / 3.3V

Bây giờ thiết kế của chúng tôi đã sẵn sàng, đã đến lúc chế tạo chúng bằng cách sử dụng tệp Gerber. Để thực hiện PCB từ PCBGOGO khá dễ dàng, chỉ cần làm theo các bước dưới đây-

Bước 1: Truy cập www.pcbgogo.com, đăng ký nếu đây là lần đầu tiên của bạn. Sau đó, trong tab Mẫu thử nghiệm PCB, hãy nhập kích thước của PCB của bạn, số lớp và số lượng PCB bạn yêu cầu. Giả sử PCB là 80cm × 80cm, bạn có thể đặt kích thước như hình dưới đây.

Bước 2: Tiến hành bằng cách nhấp vào nút Trích dẫn ngay . Bạn sẽ được đưa đến một trang để đặt một vài thông số bổ sung nếu được yêu cầu như vật liệu được sử dụng khoảng cách theo dõi, v.v. Nhưng hầu hết các giá trị mặc định sẽ hoạt động tốt. Điều duy nhất mà chúng ta phải xem xét ở đây là giá cả và thời gian. Như bạn có thể thấy Thời gian xây dựng chỉ là 2-3 ngày và chi phí chỉ $ 5 cho PCB của chúng tôi. Sau đó, bạn có thể chọn một phương thức vận chuyển ưa thích dựa trên yêu cầu của bạn.

Bước 3: Bước cuối cùng bạn tải file Gerber lên và tiến hành thanh toán. Để đảm bảo quá trình diễn ra suôn sẻ, PCBGOGO xác minh xem tệp Gerber của bạn có hợp lệ hay không trước khi tiến hành thanh toán. Bằng cách này, bạn có thể chắc chắn rằng PCB của bạn được chế tạo thân thiện và sẽ đến tay bạn theo cam kết.

Lắp ráp PCB

Sau khi bo mạch được đặt hàng, nó đến tay tôi sau một vài ngày thông qua chuyển phát nhanh trong một chiếc hộp được đóng gói cẩn thận có nhãn mác gọn gàng, và như mọi khi, chất lượng của PCB thật tuyệt vời. PCB đã được tôi nhận được hiển thị bên dưới. Như bạn thấy cả lớp trên cùng và dưới cùng đã xuất hiện như mong đợi.

Vias và miếng đệm đều có kích thước phù hợp. Tôi mất khoảng 15 phút để lắp ráp bảng mạch PCB thành mạch hoạt động. Bảng lắp ráp được hiển thị bên dưới.

Kiểm tra mạch SMPS 5V / 3.3V của chúng tôi

Các thành phần và cơ sở hạ tầng thử nghiệm được cung cấp bởi Iquesters Solutions. Tuy nhiên, Máy biến áp được làm thủ công, bạn cũng có thể chế tạo máy biến áp SMPS của riêng mình. Ở đây cho mục đích thử nghiệm, máy biến áp được chế tạo cho 1A. Người ta có thể sử dụng tỷ lệ vòng quay thích hợp cho máy biến áp 1,5A theo thông số kỹ thuật máy biến áp đã cho. Bảng SMPS của chúng tôi trông như thế này khi quá trình lắp ráp hoàn tất.

Bây giờ để kiểm tra bo mạch SMPS của chúng tôi, tôi sẽ cấp nguồn cho nó bằng Variac và sử dụng tải DC điện tử để điều chỉnh dòng điện đầu ra. Hình ảnh dưới đây cho thấy thiết lập tải DC có thể điều chỉnh cũ của tôi được kết nối với bo mạch SMPS của chúng tôi. Bạn có thể kiểm tra nó với bất kỳ tải nào bạn chọn, nhưng sử dụng tải DC có thể điều chỉnh sẽ giúp bạn đánh giá bảng cấp nguồn của mình. Bạn cũng có thể dễ dàng xây dựng Tải một chiều điện tử có thể điều chỉnh dựa trên Arduino của riêng mình bằng cách nhấp vào liên kết này.

Như bạn có thể thấy trong hình ảnh bên dưới, tôi đã kiểm tra mạch SMPS của chúng tôi cho cả 5V và 3.3V bằng cách thay đổi chân jumper. Dòng điện đầu ra đã được kiểm tra lên đến 850mA nhưng bạn cũng có thể tăng đến 1.5A dựa trên thiết kế máy biến áp của bạn.

Để biết thêm thông tin về thử nghiệm và xây dựng, vui lòng xem liên kết video bên dưới. Tôi hy vọng bạn thích bài viết và học được điều gì đó hữu ích. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, vui lòng để lại trong phần bình luận bên dưới hoặc sử dụng diễn đàn của chúng tôi.