ออกแบบวงจร smps 5v / 3.3v ขนาดกะทัดรัดของคุณเองสำหรับโครงการฝังตัวและไอโอที

วิธีที่หยาบในการจ่ายไฟให้กับวงจร DC ของคุณด้วยไฟ AC คือการใช้หม้อแปลงแบบ step-down เพื่อลดแรงดันไฟ 230V และเพิ่มไดโอดสองตัวเป็นวงจรเรียงกระแสสะพาน แต่เนื่องจากขนาดพื้นที่ที่ใหญ่และข้อบกพร่องอื่น ๆ จึงไม่สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ทั้งหมดได้ อีกวิธีที่ได้รับความนิยมและเป็นมืออาชีพมากที่สุดคือการใช้วงจรแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดสำหรับการแปลงไฟ AC ของคุณให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่หลากหลายตามความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเกือบทุกชิ้นตั้งแต่อะแดปเตอร์ 12V ปกติไปจนถึงเครื่องชาร์จแล็ปท็อปมีวงจร SMPS เพื่อให้ DC ที่ต้องการ กำลังขับ

ที่ circuitdigest เราได้สร้างวงจร SMPSยอดนิยมไว้แล้วสำหรับการให้คะแนนที่แตกต่างกัน ได้แก่ วงจร 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS และวงจร 12V 1A SMPS ซึ่งแต่ละวงจรสามารถใช้สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน คราวนี้เราจะสร้าง SMPS ที่สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ทั่วไปและมีรูปทรงโมดูลง่ายๆเพื่อใช้ในสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอวกาศ ปัจจุบัน Internet of Things ใช้โปรเซสเซอร์ที่ใช้ wifi ต่างๆเช่น NodeMCU, ESP32 และ ESP12E เป็นต้นซึ่งทำงานบน 5V หรือ 3.3V โมดูลเหล่านี้มีขนาดกะทัดรัดสูงและด้วยเหตุนี้ในการจ่ายไฟให้กับบอร์ดเหล่านี้จึงเหมาะสมที่จะใช้วงจร SMPS ที่เล็กกว่าซึ่งสามารถอยู่บนบอร์ดเดียวกันแทนที่จะใช้วงจร SMPS แยกต่างหาก ดังนั้นในบทความนี้เราจะเรียนรู้วิธีสร้างวงจร SMPS ที่สามารถส่งออก 5V หรือ 3.3V (กำหนดค่าฮาร์ดแวร์ได้โดยใช้จัมเปอร์) นอกจากนี้ยังมีการออกแบบวงจรและเลย์เอาต์ PCB เพื่อให้คุณสามารถเชื่อมต่อสิ่งนี้ลงในการออกแบบที่มีอยู่ของคุณได้ที่นี่บอร์ด PCB ของเราผลิตโดย PCBGoGo ซึ่งเป็น บริษัท ต้นแบบ PCB คุณภาพสูงราคาประหยัดจากประเทศจีนและ บริษัท บริการประกอบ PCB

คะแนนของ SMPS คือ 5V หรือ 3.3V 1.5A เนื่องจากบอร์ดพัฒนาส่วนใหญ่ใช้แรงดันไฟฟ้าระดับลอจิก 5V หรือ 3.3V และ 1.5A ควรจะดีพอสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้ IoT ส่วนใหญ่ แต่โปรดทราบว่า SMPS นี้ไม่มีตัวกรองใด ๆ ในส่วนอินพุตเพื่อลดขนาดและต้นทุน ดังนั้น SMPS นี้จึงสามารถใช้เพื่อเปิดบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์หรือเพื่อการชาร์จเท่านั้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าจะครอบคลุมจากการเข้าถึงของผู้ใช้เมื่อใช้งาน

คำเตือน: การทำงานกับวงจร SMPS อาจเป็นอันตรายได้เนื่องจากเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งอาจถึงแก่ชีวิตได้ อย่าพยายามสร้างสิ่งนี้หากคุณไม่มีประสบการณ์ในการทำงานกับสายไฟ AC ระมัดระวังการใช้สายไฟและคาปาซิเตอร์ที่มีประจุอยู่เสมอใช้เครื่องมือป้องกันและการควบคุมดูแลหากจำเป็น โดนเตือนแล้ว !!

ข้อมูลจำเพาะของบอร์ด SMPS 5V / 3.3V

SMPS จะมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

1. อินพุต 85VAC ถึง 230VAC
2. เอาต์พุต 2A ที่เลือกได้ 5V หรือ 3.3V
3. โครงสร้างแบบเปิด
4. การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรและแรงดันไฟฟ้าเกิน
5. ขนาดเล็กพร้อมคุณสมบัติราคาประหยัด

วัสดุที่จำเป็นสำหรับวงจร SMPS (BOM)

1. ฟิวส์ 1A 250VAC Slow Blow
2. ไดโอดบริดจ์ DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE ไดโอด
5. UF4007
6. 2Meg - 2 ชิ้น - แพ็คเกจ 0805
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. แพ็คเกจ 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. แพ็คเกจ 1k - 0805
12. 22R - 2 ชิ้น - แพ็คเกจ 0805
13. 100 nF - แพ็คเกจ 0805
14. TL431
15. SR360
16. แพ็คเกจ 470pF 100V - 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - แกนดรัม
19. 2.2nF 250VAC

หมายเหตุ: ชิ้นส่วนทั้งหมดได้รับการคัดเลือกให้ใช้งานได้ง่ายสำหรับนักออกแบบ หม้อแปลง SMPS จะต้องสร้างขึ้นเองโดยใช้แผ่นข้อมูลนี้ คุณสามารถใช้ผู้ขายเพื่อสร้างหรือออกแบบและหมุนหม้อแปลง SMPS ของคุณโดยใช้ลิงค์

SMPS นี้ถูกออกแบบมาโดยใช้การรวมอำนาจ IC TNY284DGนี้SMPS Diver ICที่ดีที่สุดเหมาะสำหรับการนี้ SMPS เป็น IC ที่มีอยู่ในแพคเกจ SMD เช่นเดียวกับวัตต์เหมาะสำหรับวัตถุประสงค์ ภาพด้านล่างแสดงข้อกำหนดวัตต์ของ TNY284DG

อย่างที่เราเห็น TNY284DG เหมาะสำหรับตัวเลือกของเรา เนื่องจากโครงสร้างเป็นเฟรมเปิดจึงจับคู่กับกำลังขับที่ 8.5W หมายความว่าสามารถให้ 1.5A ที่ 5V ได้อย่างง่ายดาย

แผนภาพวงจร 5V / 3.3V SMPS

การสร้าง SMPS นี้ค่อนข้างเรียบง่ายและตรงไปตรงมา การออกแบบนี้ใช้ชิปเซ็ต Power Integration เป็น IC ไดรเวอร์ SMPS แผนผังของวงจรสามารถดูได้ในภาพด้านล่าง -

การก่อสร้างและการทำงาน

ก่อนที่จะสร้างชิ้นส่วนต้นแบบตรงไปตรงมาลองสำรวจการทำงานของวงจร วงจรมีส่วนต่อไปนี้ -

1. การป้องกันอินพุต
2. การแปลง AC-DC
3. วงจรขับหรือวงจรสวิตชิ่ง
4. การป้องกันแรงดันไฟฟ้าต่ำ
5. วงจรหนีบ
6. แม่เหล็กและการแยกไฟฟ้า
7. การกรอง EMI
8. วงจรเรียงกระแสทุติยภูมิและวงจรดูแคลน
9. ส่วนตัวกรอง
10. ส่วนข้อเสนอแนะ

การป้องกันอินพุต

F1 เป็นฟิวส์แบบเป่าช้าที่จะป้องกัน SMPS จากโหลดสูงและสภาวะผิด ส่วนอินพุต SMPS ไม่ใช้การพิจารณาตัวกรอง EMI ใด ๆ นี่คือฟิวส์เป่าช้า 1A 250VAC และจะป้องกัน SMPS ในสภาวะที่ผิด อย่างไรก็ตามฟิวส์นี้สามารถเปลี่ยนเป็นฟิวส์แก้วได้ คุณยังสามารถอ่านบทความเกี่ยวกับฟิวส์ประเภทต่างๆ

การแปลง AC-DC

B1 คือวงจรเรียงกระแสไดโอดบริดจ์ นี่คือDB107สะพานไดโอด 1A 700V สิ่งนี้จะแปลงอินพุต AC เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง นอกจากนี้ตัวเก็บประจุ 10uF 400V ยังจำเป็นสำหรับการแก้ไขการกระเพื่อมของกระแสตรงและจะให้เอาต์พุต DC ที่ราบรื่นไปยังวงจรขับเช่นเดียวกับ Transformer

วงจรขับหรือวงจรสวิตชิ่ง

เป็นองค์ประกอบหลักของ SMPS นี้ ด้านหลักของหม้อแปลงถูกควบคุมอย่างเหมาะสมโดยวงจรสวิตชิ่ง TNY284DG ความถี่ในการเปลี่ยนคือ 120-132 kHz เนื่องจากความถี่ในการเปลี่ยนสูงนี้จึงสามารถใช้หม้อแปลงขนาดเล็กได้

แผนภาพพินเอาต์ด้านบนแสดงพินของ TNY284DG IC1 ไดร์เวอร์สวิตชิ่งซึ่งเป็น TNY284DG ใช้ตัวเก็บประจุ C2 a 10uF 16V ตัวเก็บประจุนี้ให้เอาต์พุต DC ที่ราบรื่นไปยังวงจรภายในของ TNY284DG

การป้องกันแรงดันไฟฟ้าต่ำ

หม้อแปลงทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ ดังนั้นในแต่ละรอบการเปลี่ยนหม้อแปลงจะกระตุ้นให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงเนื่องจากตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้ารั่วของหม้อแปลง ซีเนอร์ไดโอด D1 ซึ่งเป็นไดโอดP6KE160ยึดวงจรแรงดันเอาต์พุตและ D2 ซึ่งเป็นUF4007ไดโอด Ultra-Fast จะบล็อกเดือยไฟฟ้าแรงสูงนี้และทำให้ชื้นเป็นค่าที่ปลอดภัยซึ่งเป็นประโยชน์ในการบันทึกพิน DRAIN ของ TNY284DG.

แม่เหล็กและการแยกกัลวานิก

หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าและไม่เพียง แต่แปลง AC ไฟฟ้าแรงสูงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันต่ำ แต่ยังให้การแยกไฟฟ้า หม้อแปลงเป็นหม้อแปลง EE16 ข้อมูลจำเพาะของหม้อแปลงโดยละเอียดสามารถดูได้ในแผ่นข้อมูลหม้อแปลงที่แชร์ก่อนหน้านี้ในส่วนวัสดุที่ต้องการ

ตัวกรอง EMI

การกรอง EMI ทำได้โดยตัวเก็บประจุ C3 ตัวเก็บประจุ C3 เป็นตัวเก็บประจุแรงดันสูง 2.2nF 250VAC ซึ่งเพิ่มภูมิคุ้มกันของวงจรและลดสัญญาณรบกวน EMI ที่สูง

วงจรเรียงกระแสรองและวงจร Snubber

เอาต์พุตจากหม้อแปลงถูกแก้ไขโดยใช้ Schottky diode SR360 นี่คือไดโอด 60V 3A Schottky diode D3 นี้ให้เอาต์พุต DC จากหม้อแปลงซึ่งแก้ไขเพิ่มเติมโดยตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ 1000uF 16V C6

เอาท์พุทของหม้อแปลงให้ระลอกคลื่นที่ถูกระงับโดยวงจรดูแคลนซึ่งสร้างขึ้นโดยตัวต้านทานค่าต่ำและตัวเก็บประจุในการเชื่อมต่อแบบอนุกรมซึ่งขนานกับวงจรเรียงกระแสเอาต์พุต ตัวต้านทานค่าต่ำคือ 22R และตัวเก็บประจุค่าต่ำคือ 470 pF ส่วนประกอบทั้งสองนี้ R8 และ C5 สร้างวงจร snubber ในส่วนเอาต์พุต DC

ส่วนตัวกรอง

ส่วนฟิลเตอร์สร้างขึ้นโดยใช้คอนฟิกูเรชัน LC C คือตัวเก็บประจุตัวกรอง C6 เป็นตัวเก็บประจุ ESR ต่ำเพื่อการปฏิเสธการกระเพื่อมที่ดีขึ้นโดยมีค่า 100uF 16V และตัวเหนี่ยวนำ L1 คือ 3.3uH ตัวเหนี่ยวนำแกนดรัม

ส่วนข้อเสนอแนะ

แรงดันไฟฟ้าขาออกถูกตรวจจับโดย U1 TL431โดยตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ TL431 จะเปิดตัวเชื่อมต่อที่เหมาะสมซึ่งก็คือPC817ซึ่งแสดงเป็น OK1

เนื่องจากมีการทำงานของแรงดันไฟฟ้า 3.3V และ 5V ที่เลือกได้สองตัวจึงมีตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสองตัวที่สร้างขึ้นโดยใช้ตัวต้านทาน R3, R4 และ R5 สามตัว R5 เป็นเรื่องปกติสำหรับตัวแบ่งทั้งสอง แต่ R3 และ R4 สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยใช้จัมเปอร์ หลังจากตรวจจับเส้นแล้ว U1 ออปโตคัปเปลอร์จะถูกควบคุมซึ่งจะทริกเกอร์ TNY284DG ต่อไปและแยกส่วนการตรวจจับการตอบสนองทุติยภูมิด้วยตัวควบคุมหลัก

ในระหว่างการเปิดเครื่องครั้งแรกเนื่องจากเป็นการกำหนดค่าแบบฟลายแบ็คไดรเวอร์จะเปิดสวิตช์และรอการตอบสนองจากออปโตคัปเปลอร์ หากทุกอย่างเป็นปกติคนขับจะทำการเปลี่ยนต่อไปมิฉะนั้นจะข้ามรอบการเปลี่ยนไปเว้นแต่ว่าทุกอย่างจะเป็นปกติ

การออกแบบ SMPS PCB ของเรา

เมื่อสรุปวงจรเสร็จแล้วคุณสามารถทดสอบบนบอร์ด perf แล้วเริ่มด้วยการออกแบบ PCB ของคุณ เราใช้นกอินทรีในการออกแบบ PCB ของเราคุณสามารถตรวจสอบภาพเค้าโครงด้านล่าง คุณยังสามารถดาวน์โหลดไฟล์การออกแบบได้จากลิงค์ด้านล่าง

• Eagle Schematics และการออกแบบ PCB สำหรับ SMPS 5V / 3.3V

อย่างที่คุณเห็นขนาดบอร์ดคือ 63 มม. สำหรับ 32 มม. ซึ่งเป็นขนาดที่เล็กพอสมควร ส่วนประกอบต่างๆถูกวางไว้ในระยะที่ปลอดภัยเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานที่ปลอดภัย ด้านบนและด้านล่างของ PCB แสดงในภาพด้านล่าง เป็นแผ่น PCB สองชั้นที่มีความหนาของทองแดง 35um ตามแผน ไดโอดเอาท์พุตและ IC ไดรเวอร์จำเป็นต้องมีการพิจารณาด้านความร้อนเป็นพิเศษสำหรับวัตถุประสงค์ที่เกี่ยวข้องกับการกระจายความร้อน นอกจากนี้ในด้านที่สองผ่านการเย็บเพื่อการเชื่อมต่อพื้นดินที่ดีขึ้น

นอกจากนี้คุณยังสามารถสังเกตได้ว่ามีส่วนประกอบ SMD เพียงไม่กี่ชิ้นที่ด้านหลังของบอร์ดเพื่อให้ขนาดโมดูลมีขนาดเล็ก มีข้อควรพิจารณาในการออกแบบเล็กน้อยที่คุณต้องปฏิบัติตามหากคุณกำลังออกแบบ SMPS PCB ของคุณโปรดอ่านบทความนี้เกี่ยวกับคู่มือเค้าโครงการออกแบบ SMPS PCB เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติม

ผลิต PCB สำหรับวงจร 12V 1A SMPS

ตอนนี้เราเข้าใจว่าแผนผังทำงานอย่างไรเราสามารถดำเนินการสร้าง PCB สำหรับ SMPS ของเราได้ เนื่องจากนี่คือวงจร SMPS จึงแนะนำให้ใช้ PCB เนื่องจากสามารถจัดการกับปัญหาเสียงรบกวนและการแยกได้ เค้าโครง PCB สำหรับวงจรข้างต้นสามารถดาวน์โหลดได้ในชื่อ Gerber จากลิงค์

• ดาวน์โหลดไฟล์ Gerber สำหรับวงจร SMPS 5V / 3.3V

ตอนนี้การออกแบบของเราพร้อมแล้วก็ได้เวลาประดิษฐ์โดยใช้ไฟล์ Gerber ในการทำ PCB จาก PCBGOGO นั้นค่อนข้างง่ายเพียงทำตามขั้นตอนด้านล่าง -

ขั้นตอนที่ 1: เข้าสู่ www.pcbgogo.com ลงทะเบียนหากนี่เป็นครั้งแรกของคุณ จากนั้นในแท็บ PCB Prototype ให้ป้อนขนาดของ PCB จำนวนเลเยอร์และจำนวน PCB ที่คุณต้องการ สมมติว่า PCB มีขนาด 80 ซม. × 80 ซม. คุณสามารถกำหนดขนาดตามที่แสดงด้านล่าง

ขั้นตอนที่ 2: ดำเนินการต่อโดยคลิกที่ปุ่ม ใบเสนอราคา ทันที คุณจะเข้าสู่หน้าที่ตั้งค่าพารามิเตอร์เพิ่มเติมบางอย่างหากจำเป็นเช่นวัสดุที่ใช้ระยะห่างแทร็กเป็นต้น แต่ค่าเริ่มต้นส่วนใหญ่จะใช้ได้ดี สิ่งเดียวที่เราต้องพิจารณาที่นี่คือราคาและเวลา อย่างที่คุณเห็นเวลาสร้างเพียง 2-3 วันและมีค่าใช้จ่ายเพียง $ 5 สำหรับ PCB ของเรา จากนั้นคุณสามารถเลือกวิธีการจัดส่งที่ต้องการตามความต้องการของคุณ

ขั้นตอนที่ 3: ขั้นตอนสุดท้ายคือการอัปโหลดไฟล์ Gerber และดำเนินการชำระเงิน เพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการนี้ราบรื่น PCBGOGO จะตรวจสอบว่าไฟล์ Gerber ของคุณถูกต้องหรือไม่ก่อนดำเนินการชำระเงิน ด้วยวิธีนี้คุณจะมั่นใจได้ว่า PCB ของคุณเป็นมิตรต่อการผลิตและจะไปถึงคุณอย่างมุ่งมั่น

การประกอบ PCB

หลังจากสั่งซื้อบอร์ดแล้วมันก็มาถึงฉันหลังจากผ่านไปหลายวันโดยผู้ให้บริการจัดส่งในกล่องบรรจุที่มีฉลากอย่างดีและเช่นเคยคุณภาพของ PCB ก็ยอดเยี่ยม PCB ที่ฉันได้รับแสดงอยู่ด้านล่าง อย่างที่คุณเห็นทั้งชั้นบนและชั้นล่างเป็นไปตามที่คาดไว้

ช่องว่างและแผ่นอิเล็กโทรดมีขนาดที่เหมาะสม ฉันใช้เวลาประมาณ 15 นาทีในการประกอบบอร์ด PCB เข้ากับวงจรการทำงาน บอร์ดประกอบดังแสดงด้านล่าง

ทดสอบวงจร SMPS 5V / 3.3V ของเรา

ส่วนประกอบและโครงสร้างพื้นฐานการทดสอบจัดทำโดย Iquesters Solutions อย่างไรก็ตาม Transformer ทำด้วยมือคุณยังสามารถสร้างหม้อแปลง SMPS ของคุณเองได้ ที่นี่เพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบหม้อแปลงถูกสร้างขึ้นสำหรับ 1A เราสามารถใช้อัตราส่วนการหมุนที่เหมาะสมสำหรับหม้อแปลง 1.5A ตามข้อกำหนดของหม้อแปลงที่กำหนด บอร์ด SMPS ของเราจะมีลักษณะเช่นนี้เมื่อการประกอบเสร็จสิ้น

ตอนนี้เพื่อทดสอบบอร์ด SMPS ของเราฉันจะพาวเวอร์โดยใช้ Variac และใช้โหลด Electronic DC เพื่อปรับกระแสเอาต์พุต ภาพด้านล่างแสดงการตั้งค่าโหลด DC แบบปรับได้เก่าของฉันที่เชื่อมต่อกับบอร์ด SMPS ของเรา คุณสามารถทดสอบกับโหลดใดก็ได้ที่คุณเลือก แต่การใช้โหลด DC แบบปรับได้จะช่วยให้คุณประเมินบอร์ดจ่ายไฟของคุณได้ คุณยังสามารถสร้าง Arduino แบบปรับได้ Electronic DC Load โดยไปที่ลิงค์นี้

ดังที่คุณเห็นในภาพด้านล่างฉันได้ทดสอบวงจร SMPS ของเราทั้ง 5V และ 3.3V โดยเปลี่ยนพินจัมเปอร์ กระแสเอาต์พุตได้รับการทดสอบสูงสุด 850mA แต่คุณยังสามารถไปได้จนถึง 1.5A ตามการออกแบบหม้อแปลงของคุณ

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดสอบและการก่อสร้างโปรดดูลิงก์วิดีโอด้านล่าง ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับบทความนี้และเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์ หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นด้านล่างหรือใช้ฟอรัมของเรา