為嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)項目設(shè)計自己的緊湊5V/3.3V SMPS電路

時間：2024-12-08 18:12:34

關(guān)鍵字：嵌入式物聯(lián)網(wǎng) SMPS電路 TNY284DG

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]用交流電源為直流電路供電的一種粗略方法是使用降壓變壓器降壓230V電源電壓，并添加一對二極管作為橋式整流器。但由于巨大的空間尺寸和其他缺點，它不能用于所有目的。另一種最流行和專業(yè)的方法是使用開關(guān)模式電源電路將交流電源轉(zhuǎn)換為所需的大范圍直流電壓，幾乎所有消費電子產(chǎn)品，從普通的12V適配器到筆記本電腦充電器，都有一個SMPS電路來提供所需的直流輸出功率。

用交流電源為直流電路供電的一種粗略方法是使用降壓變壓器降壓230V電源電壓，并添加一對二極管作為橋式整流器。但由于巨大的空間尺寸和其他缺點，它不能用于所有目的。另一種最流行和專業(yè)的方法是使用開關(guān)模式電源電路將交流電源轉(zhuǎn)換為所需的大范圍直流電壓，幾乎所有消費電子產(chǎn)品，從普通的12V適配器到筆記本電腦充電器，都有一個SMPS電路來提供所需的直流輸出功率。

在circuitdigest，我們已經(jīng)為不同的等級構(gòu)建了幾種流行的SMPS電路，即12V 1A Viper 22A SMPS， 5V 2A SMPS和12V 1A SMPS電路，每種電路都可以用于不同的應(yīng)用。這一次，我們將構(gòu)建一個可用于一般用途的SMPS，它具有簡單的模塊形狀，可用于與空間相關(guān)的情況。如今，物聯(lián)網(wǎng)使用各種基于wifi的處理器，如NodeMCU， ESP32和ESP12E等，它們的工作電壓為5V或3.3V。這些模塊非常緊湊，因此為這些電路板供電，使用可以在同一板上的更小的SMPS電路而不是使用單獨的SMPS電路是有意義的。因此，在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何構(gòu)建可以輸出5V或3.3V的SMPS電路(硬件可使用跳線配置)，還提供了電路設(shè)計和PCB布局，因此您可以簡單地將其移植到現(xiàn)有的設(shè)計中。在這里，我們的PCB板是由PCBGoGo制造的，PCBGoGo是一家中國低成本高質(zhì)量的PCB原型和PCB組裝服務(wù)公司。

SMPS的額定值為5V或3.3V 1.5A，因為大多數(shù)開發(fā)板使用5V或3.3V邏輯電平電壓，1.5A對于大多數(shù)基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用來說應(yīng)該足夠好。但請注意，該SMPS在輸入部分沒有任何過濾器，以減少尺寸和成本。因此，該SMPS只能用于為微控制器板供電或充電。確保在操作時將其覆蓋在用戶夠不著的地方。

警告：使用SMPS電路可能是危險的，因為它涉及交流電源電壓，這可能是致命的。如果您沒有使用交流電源的經(jīng)驗，請不要嘗試構(gòu)建此。對帶電電線和帶電電容器始終保持謹(jǐn)慎，使用保護(hù)工具并在需要時進(jìn)行監(jiān)督。我已經(jīng)警告過你了!!

5V/3.3V SMPS單板規(guī)格

SMPS將具有以下規(guī)格。

1.85VAC至230VAC輸入。

2.5V或3.3V可選2A輸出。

3.開放式框架結(jié)構(gòu)

4.短路和過壓保護(hù)

5.體積小，成本低。

SMPS電路所需材料(BOM)

?保險絲1A 250VAC慢熔斷

?二極管橋接DB107

?10uF / 400V

?P6KE二極管

?UF4007

?2Meg - 2個- 0805包裝

?2.2 nf 250伏

?TNY284DG

?10uF / 16V - 0805封裝

?PC817

?1k - 0805包

?22R - 2個- 0805包裝

?100nf - 0805包

?TL431

?SR360

?470pF 100V - 0805封裝

?1000年佛羅里達(dá)大學(xué)16 v

?3.3uH -鼓芯

?2.2 nf 250伏

注：所有部件的選擇都是為了便于設(shè)計人員獲取。SMPS變壓器必須使用此數(shù)據(jù)表自定義構(gòu)建。您既可以使用供應(yīng)商來構(gòu)建一個，也可以使用鏈接來設(shè)計和纏繞您的SMPS變壓器。

本SMPS采用電源集成IC TNY284DG設(shè)計。該SMPS Diver IC最適合該SMPS，因為該IC采用SMD封裝，并且其瓦數(shù)適合該用途。下圖為TNY284DG的瓦數(shù)規(guī)格。

正如我們所看到的，TNY284DG非常適合我們的選擇。由于結(jié)構(gòu)為開放式框架，因此將匹配8.5W的輸出功率。這意味著它可以在5V電壓下輕松提供1.5A。

5V/3.3V SMPS電路圖

這個SMPS的構(gòu)造非常簡單和直接。本設(shè)計采用Power Integration芯片組作為SMPS驅(qū)動IC。電路原理圖如下圖所示

建設(shè)和工作

在直接進(jìn)入構(gòu)建原型部分之前，讓我們探索電路操作。電路有以下幾個部分-

?輸入保護(hù)

?交直流轉(zhuǎn)換

?驅(qū)動電路或開關(guān)電路

?欠壓閉鎖保護(hù)。

?鉗位電路

?磁學(xué)和電流隔離

?EMI濾波

?二次整流器和緩沖電路

?過濾部分

?反饋部分。

輸入保護(hù)

F1是一種慢熔保險絲，可保護(hù)SMPS免受高負(fù)載和故障情況的影響。SMPS輸入部分不使用任何EMI濾波器。這是一個1A 250VAC慢熔保險絲，將在故障條件下保護(hù)SMPS。但是，這種保險絲可以換成玻璃保險絲。您還可以查看有關(guān)不同類型保險絲的文章。

交直流轉(zhuǎn)換

B1是二極管橋式整流器。這是DB107，一個1A 700V二極管橋。這將把交流輸入轉(zhuǎn)換成直流電壓。此外，10uF 400V電容對于整流直流紋波至關(guān)重要，它將為驅(qū)動電路和變壓器提供平滑的直流輸出。

驅(qū)動電路或開關(guān)電路

它是該SMPS的主要組成部分。變壓器的一次側(cè)由開關(guān)電路TNY284DG適當(dāng)控制。開關(guān)頻率為120- 132khz。由于這種高開關(guān)頻率，可以使用較小的變壓器。

上面的引腳圖顯示了TNY284DG的引腳。開關(guān)驅(qū)動器IC1是TNY284DG，使用C2一個10uF 16V電容。該電容為TNY284DG的內(nèi)部電路提供平滑的直流輸出。

欠壓閉鎖保護(hù)。

欠壓閉鎖保護(hù)由感測電阻R1和R2完成。當(dāng)SMPS進(jìn)入自動重啟模式并檢測線路電壓時使用。該電阻檢測輸入交流電壓是否在范圍內(nèi)。

鉗位電路

變壓器起著巨大電感器的作用。因此，在每個開關(guān)周期中，由于變壓器的漏電電感，變壓器會產(chǎn)生高電壓尖峰。齊納二極管D1是一個P6KE160二極管，箝位輸出電壓電路和D2是UF4007，一個超快二極管阻擋這個高壓尖峰并將其阻尼到一個安全值，這有利于節(jié)省TNY284DG的DRAIN引腳。

磁學(xué)和電流隔離

變壓器是鐵磁性的，它不僅將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電，而且還提供電流隔離。該變壓器為EE16 transformer。詳細(xì)的變壓器規(guī)格可以在之前在材料要求部分共享的變壓器數(shù)據(jù)表中看到。

EMI濾波器

電磁干擾濾波由C3電容完成。C3電容采用高壓2.2nF 250VAC電容，增加了電路抗擾度，降低了高電磁干擾。

二次整流器和緩沖器電路

變壓器的輸出使用肖特基二極管SR360進(jìn)行整流。這是一個60V 3A二極管。這個肖特基二極管D3提供變壓器的直流輸出，由大型1000uF 16V電容器C6進(jìn)一步整流。

變壓器的輸出提供了一個振鈴紋波，該紋波被緩沖電路抑制，緩沖電路是由與輸出整流器并聯(lián)的串聯(lián)的低值電阻和電容器產(chǎn)生的。低值電阻為22R，低值電容為470pf，這兩個元件R8和C5在直流輸出部分創(chuàng)建緩沖電路。

過濾部分

過濾器部分使用LC配置創(chuàng)建。C為濾波電容C6。它是一個低ESR電容，具有更好的紋波抑制，值為100uF 16V，電感L1為3.3uH鼓芯電感。

反饋部分

輸出電壓由U1 TL431通過分壓器檢測。因此，每當(dāng)分壓器產(chǎn)生完美電壓時，TL431打開一個opt耦合器，該耦合器是PC817，表示為OK1。

由于有兩種可選電壓操作3.3V和5V，因此使用三個電阻R3， R4和R5創(chuàng)建了兩個分壓器。R5是常見的所有兩個分頻器，但R3和R4是可變的使用跳線。在檢測到線路U1后，光耦合器被控制，進(jìn)一步觸發(fā)TNY284DG，并與主側(cè)控制器電隔離二次反饋檢測部分。

在第一次上電期間，由于這是一個反激配置，驅(qū)動器打開開關(guān)并等待來自光耦合器的響應(yīng)。如果一切正常，驅(qū)動程序繼續(xù)切換，否則跳過切換周期，除非一切正常。

設(shè)計我們的SMPS PCB

一旦電路完成，你可以在一個完美的板上測試它，然后開始你的PCB設(shè)計。我們已經(jīng)使用eagle來設(shè)計我們的PCB，你可以看看下面的布局圖。您也可以從下面的鏈接下載設(shè)計文件。

正如你所看到的，32毫米的板尺寸是63毫米，這是一個體面的小尺寸。元器件放置在安全距離處，確保操作安全。我們PCB的頂部和底部如下圖所示。它是一個雙層PCB板，規(guī)劃厚度為35um的銅。輸出二極管和驅(qū)動IC需要特殊的散熱考慮。此外，在二次側(cè)通過拼接完成更好的地面連接。

您還可以注意到，很少有SMD組件被放置在板的背面，以保持模塊尺寸在一個小尺寸。如果您正在設(shè)計SMPS PCB，您必須遵循的設(shè)計注意事項很少，請查看這篇關(guān)于SMPS PCB設(shè)計布局指南的文章以了解更多信息。

用于12v1a SMPS電路的PCB制作

現(xiàn)在我們了解了原理圖是如何工作的，我們可以繼續(xù)為我們的SMPS構(gòu)建PCB。由于這是一個SMPS電路，建議使用PCB，因為它可以處理噪聲和隔離問題。上述電路的PCB布局也可從鏈接下載。

現(xiàn)在我們的設(shè)計已經(jīng)準(zhǔn)備好了，是時候使用Gerber文件制作它們了。要從PCBGOGO獲得PCB很容易，只需遵循以下步驟即可

步驟1：登錄，如果是第一次，就注冊。然后在PCB Prototype選項卡中，輸入PCB的尺寸，層數(shù)和所需PCB的數(shù)量。假設(shè)PCB為80cm×80cm，您可以如下所示設(shè)置尺寸。

步驟2：點擊Quote Now按鈕繼續(xù)。你將被帶到一個頁面，在那里設(shè)置一些額外的參數(shù)，如果需要，如材料使用軌道間距等。但大多數(shù)情況下，默認(rèn)值可以正常工作。我們唯一要考慮的是價格和時間。正如你所看到的，構(gòu)建時間只有2-3天，我們的PCB只需要5美元。然后，您可以根據(jù)您的需求選擇首選的運輸方式。

步驟3：最后一步是上傳Gerber文件并繼續(xù)付款。為了確保付款過程順利進(jìn)行，PCBGOGO會在付款前驗證您的Gerber文件是否有效。這樣，您可以確保您的PCB是制造友好的，并將達(dá)到您的承諾。

組裝PCB

電路板訂購后，幾天后，它通過快遞送到了我手中，裝在一個標(biāo)簽整齊、包裝良好的盒子里，和往常一樣，PCB的質(zhì)量非常好。我收到的PCB如下所示正如您所看到的，頂層和底層的結(jié)果都如預(yù)期的那樣。

過孔和襯墊的尺寸都很合適。我花了大約15分鐘組裝到PCB板到工作電路。組裝板如下所示。

測試5V/3.3V SMPS電路

組件和測試基礎(chǔ)設(shè)施由Iquesters Solutions提供。但是，變壓器是手工制作的，您也可以構(gòu)建自己的SMPS變壓器。這里為了測試的目的，變壓器是為1A制造的。可以根據(jù)給定的變壓器規(guī)格使用1.5A變壓器的適當(dāng)匝數(shù)比。當(dāng)組裝完成時，我們的SMPS板看起來像這樣。

現(xiàn)在要測試我們的SMPS板，我將使用Variac為其供電，并使用電子直流負(fù)載來調(diào)整輸出電流。下圖顯示了我的舊可調(diào)直流負(fù)載設(shè)置連接到我們的SMPS板。您可以選擇任何負(fù)載進(jìn)行測試，但使用可調(diào)直流負(fù)載將有助于您評估電源板。您也可以通過以下鏈接輕松構(gòu)建自己的基于Arduino的可調(diào)電子直流負(fù)載。