Diseñe su propio circuito smps compacto de 5v / 3.3v para proyectos integrados y de iot

Una forma burda de alimentar sus circuitos de CC con la red de CA es usar un transformador reductor para reducir el voltaje de la red de 230 V y agregar un par de diodos como puente rectificador. Pero debido al enorme tamaño del espacio y otros inconvenientes, no se puede utilizar para todos los propósitos. Otra forma más popular y profesional es utilizar circuitos de fuente de alimentación de modo conmutado para convertir su red de CA en un amplio rango de voltaje de CC según sea necesario, casi todos los dispositivos electrónicos de consumo, desde el adaptador normal de 12 V hasta un cargador de computadora portátil, tienen un circuito SMPS para proporcionar la CC requerida potencia de salida.

En circuitdigest, ya hemos construido algunos circuitos SMPS popularespara diferentes clasificaciones, a saber, el circuito 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS y 12V 1A SMPS, cada uno de los cuales se puede utilizar para diferentes aplicaciones. Esta vez, construiremos un SMPS que se puede usar para propósitos generales y tiene una forma de módulo simple para usarse en situaciones relacionadas con el espacio. Hoy en día, Internet de las cosas utiliza varios procesadores basados ​​en wifi como NodeMCU, ESP32 y ESP12E, etc.que operan con 5V o 3.3V. Estos módulos son muy compactos y, por lo tanto, para alimentar estas placas, tiene sentido utilizar circuitos SMPS más pequeños que puedan ir en la misma placa, en lugar de utilizar un circuito SMPS separado. Por lo tanto, en este artículo, aprenderemos cómo construir un circuito SMPS que puede dar salida a 5V o 3.3V (configurable por hardware usando un puente), también se proporciona el diseño del circuito y el diseño de PCB, por lo que simplemente puede transferirlo a su diseño existente.Aquí nuestras placas de PCB son fabricadas por PCBGoGo, una empresa de servicio de montaje de PCB y prototipos de PCB de alta calidad y bajo costo con sede en China.

La clasificación del SMPS es 5V o 3.3V 1.5A ya que la mayoría de la placa de desarrollo usa voltajes de nivel lógico de 5V o 3.3V y 1.5A debería ser lo suficientemente bueno para la mayoría de las aplicaciones basadas en IoT. Pero tenga en cuenta que este SMPS no tiene filtros en la sección de entrada para reducir el tamaño y el costo. Por lo tanto, este SMPS solo se puede utilizar para alimentar placas de microcontroladores o con fines de carga. Asegúrese de que esté cubierto del alcance del usuario cuando esté en funcionamiento.

Advertencia: Trabajar con circuitos SMPS puede ser peligroso ya que implica voltaje de red de CA que es potencialmente letal. No intente construir esto si no tiene experiencia trabajando con la red de CA. Tenga siempre cuidado con los cables con corriente y los condensadores cargados, utilice herramientas de protección y supervisión si es necesario. ¡¡Usted ha sido advertido!!

Especificaciones de la placa SMPS de 5 V / 3,3 V

El SMPS tendrá las siguientes especificaciones.

1. Entrada de 85VAC a 230VAC.
2. Salida 2A seleccionable de 5V o 3.3V.
3. Construcción de marco abierto
4. Protección contra cortocircuitos y sobretensiones
5. Tamaño pequeño con funciones de bajo costo.

Materiales necesarios para el circuito SMPS (BOM)

1. Fusible 1A 250VAC de acción lenta
2. Puente de diodos DB107
3. 10uF / 400V
4. Diodo P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 piezas - paquete 0805
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. Paquete 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. 1k - paquete 0805
12. 22R - 2 piezas - 0805 paquete
13. 100 nF - paquete 0805
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - paquete 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Núcleo de tambor
19. 2.2nF 250VAC

Nota: Todas las piezas se seleccionaron para que los diseñadores pudieran acceder fácilmente a ellas. El transformador SMPS tiene que ser personalizado usando esta hoja de datos. Puede usar un proveedor para construir uno o diseñar y enrollar su transformador SMPS usando el enlace.

Este SMPS está diseñado utilizando la integración de energía IC TNY284DG. Este SMPS Diver IC es el más adecuado para este SMPS, ya que el IC está disponible en un paquete SMD y la potencia es adecuada para el propósito. La siguiente imagen muestra la especificación de potencia de TNY284DG.

Como podemos ver, TNY284DG es perfecto para nuestra opción. Como la construcción es un marco abierto, coincidirá con la potencia de salida de 8.5W. Lo que significa que puede proporcionar fácilmente 1,5 A a 5 V.

Diagrama de circuito SMPS de 5V / 3.3V

La construcción de este SMPS es bastante simple y directa. Este diseño utiliza el conjunto de chips Power Integration como un controlador IC SMPS. El esquema del circuito se puede ver en la siguiente imagen:

Construcción y Trabajo

Antes de pasar directamente a la construcción del prototipo, exploremos el funcionamiento de los circuitos. El circuito tiene las siguientes secciones:

1. Protección de entrada
2. Conversión AC-DC
3. Circuito del controlador o circuito de conmutación
4. Protección de bloqueo por bajo voltaje.
5. Circuito de abrazadera
6. Aislamiento magnético y galvánico
7. Filtrado EMI
8. Rectificador secundario y circuito amortiguador
9. Sección de filtro
10. Sección de comentarios.

Protección de entrada

F1 es un fusible de acción lenta que protegerá al SMPS de condiciones de falla y carga alta. La sección de entrada SMPS no utiliza ninguna consideración de filtro EMI. Este es un fusible de acción lenta de 1A 250VCA y protegerá el SMPS en condiciones de falla. Sin embargo, este fusible se puede cambiar por uno de vidrio. También puede consultar el artículo sobre diferentes tipos de fusibles.

Conversión AC-DC

B1 es el puente rectificador de diodos. Este es DB107, un puente de diodos de 1A 700V. Esto convertirá la entrada de CA en voltaje de CC. Además, el condensador de 10uF 400V será esencial para rectificar la ondulación de CC y proporcionará una salida de CC suave al circuito del controlador y al transformador.

Circuito del conductor o circuito de conmutación

Es el componente principal de este SMPS. El lado primario del transformador está adecuadamente controlado por el circuito de conmutación TNY284DG. La frecuencia de conmutación es de 120-132 kHz. Debido a esta alta frecuencia de conmutación, se pueden utilizar transformadores más pequeños.

El diagrama de pines anterior muestra los pines TNY284DG. El controlador de conmutación IC1, que es TNY284DG, utiliza C2, un condensador de 10 uF 16 V. Este condensador proporciona una salida CC suave al circuito interno de TNY284DG.

Protección de bloqueo por bajo voltaje

El transformador actúa como un inductor enorme. Por lo tanto, en cada ciclo de conmutación, el transformador induce picos de alto voltaje debido al inductor de fuga del transformador. El diodo Zener D1, que es un diodo P6KE160, sujeta el circuito de voltaje de salida y el D2, que es UF4007, un diodo ultrarrápido bloquea estos picos de alto voltaje y los amortigua a un valor seguro que es beneficioso para guardar el pin DRAIN del TNY284DG.

Aislamiento magnético y galvánico

El transformador es ferromagnético y no solo convierte la CA de alto voltaje en una CA de bajo voltaje, sino que también proporciona aislamiento galvánico. El transformador es un transformador EE16. La especificación detallada del transformador se puede ver en la hoja de datos del transformador que se compartió anteriormente en la sección de materiales requeridos.

Filtro EMI

El filtrado EMI lo realiza el condensador C3. El condensador C3 es un condensador de alto voltaje 2.2nF 250VAC, que aumenta la inmunidad del circuito y reduce la alta interferencia EMI.

Rectificador secundario y circuito amortiguador

La salida del transformador se rectifica utilizando un diodo Schottky SR360. Este es un diodo de 60V 3A. Este diodo Schottky D3 proporciona una salida de CC desde el transformador que se rectifica aún más mediante el gran condensador C6 de 1000uF 16V.

La salida del transformador proporciona una ondulación de timbre que es suprimida por el circuito amortiguador que es creado por la resistencia de bajo valor y el condensador en la conexión en serie que está en paralelo con el rectificador de salida. La resistencia de bajo valor es 22R y el capacitor de bajo valor es 470 pF. Estos dos componentes R8 y C5 crean el circuito amortiguador en la sección de salida de CC.

Sección de filtro

La sección de filtro se crea utilizando una configuración LC. El C es el condensador de filtro C6. Es un condensador Low ESR para un mejor rechazo de ondulación con un valor de 100uF 16V y el inductor L1 es un inductor de núcleo de tambor de 3.3uH.

Sección de comentarios

El voltaje de salida es detectado por el U1 TL431 mediante un divisor de voltaje. Por lo tanto, siempre que el divisor de voltaje produce un voltaje perfecto, el TL431 enciende un acoplador opcional que es PC817, denotado como OK1.

Como hay dos operaciones de voltaje seleccionables de 3.3V y 5V, hay dos divisores de voltaje creados usando tres resistencias R3, R4 y R5. R5 es común para los dos divisores, pero el R3 y el R4 se pueden cambiar con un puente. Después de detectar la línea, U1, se controla el optoacoplador, lo que activa aún más el TNY284DG y aísla galvánicamente la parte de detección de retroalimentación secundaria con el controlador del lado primario.

Durante el primer encendido, como se trata de una configuración de retorno, el controlador enciende la conmutación y espera la respuesta del optoacoplador. Si todo es normal, el conductor continúa con el cambio; de lo contrario, omita los ciclos de cambio a menos que todo se vuelva normal.

Diseño de nuestra PCB SMPS

Una vez finalizado el circuito, puede probarlo en una placa perf y luego comenzar con el diseño de su PCB. Hemos utilizado eagle para diseñar nuestra PCB, puede ver la imagen de diseño a continuación. También puede descargar los archivos de diseño desde el siguiente enlace.

• Eagle Schematics y diseño de PCB para 5V / 3.3V SMPS

Como puede ver, el tamaño de la placa es de 63 mm por 32 mm, que es un tamaño bastante pequeño. Los componentes se colocan a una distancia segura para garantizar un funcionamiento seguro. La parte superior e inferior de nuestra PCB se muestran en la imagen de abajo. Es una placa PCB de doble capa con un espesor planificado de 35um de cobre. El diodo de salida y el controlador IC necesitan una consideración térmica especial para fines relacionados con la disipación de calor. Además, en el lado secundario se realiza una costura para una mejor conectividad con el suelo.

También puede notar que algunos componentes SMD se colocan en la parte posterior de la placa para mantener el tamaño del módulo en una dimensión pequeña. Hay algunas consideraciones de diseño que debe seguir si está diseñando su PCB SMPS, consulte este artículo sobre la Guía de diseño de diseño de PCB SMPS para obtener más información.

Fabricación de PCB para circuito SMPS de 12v 1A

Ahora que entendemos cómo funcionan los esquemas, podemos proceder con la construcción de la PCB para nuestro SMPS. Dado que se trata de un circuito SMPS, se recomienda una PCB, ya que podría solucionar problemas de ruido y aislamiento. El diseño de PCB para el circuito anterior también está disponible para descargar como Gerber desde el enlace.

• Descargue el archivo Gerber para el circuito SMPS de 5V / 3.3V

Ahora que nuestro diseño está listo, es hora de fabricarlos con el archivo Gerber. Hacer el PCB desde PCBGOGO es bastante fácil, simplemente siga los pasos a continuación:

Paso 1: Ingrese a www.pcbgogo.com, regístrese si esta es su primera vez. Luego, en la pestaña Prototipo de PCB, ingrese las dimensiones de su PCB, el número de capas y el número de PCB que necesita. Suponiendo que la PCB mide 80 cm × 80 cm, puede establecer las dimensiones como se muestra a continuación.

Paso 2: Continúe haciendo clic en el botón Cotizar ahora . Se lo llevará a una página donde establecer algunos parámetros adicionales si es necesario, como el material utilizado, el espacio entre pistas, etc. Pero, en general, los valores predeterminados funcionarán bien. Lo único que tenemos que considerar aquí es el precio y el tiempo. Como puede ver, el tiempo de construcción es de solo 2-3 días y solo cuesta $ 5 por nuestra PCB. Luego, puede seleccionar un método de envío preferido según sus necesidades.

Paso 3: El paso final es cargar el archivo Gerber y proceder con el pago. Para asegurarse de que el proceso sea fluido, PCBGOGO verifica si su archivo Gerber es válido antes de proceder con el pago. De esta manera, puede estar seguro de que su PCB es amigable con la fabricación y le llegará cuando esté comprometido.

Montaje de la PCB

Después de que se ordenó la placa, me llegó después de algunos días a través del servicio de mensajería en una caja bien empaquetada, bien etiquetada y, como siempre, la calidad de la placa fue increíble. El PCB que recibí se muestra a continuación. Como puede ver, tanto la capa superior como la inferior han resultado como se esperaba.

Las vías y las almohadillas eran todas del tamaño correcto. Me tomó alrededor de 15 minutos ensamblar la placa PCB a un circuito de trabajo. El tablero ensamblado se muestra a continuación.

Probando nuestro circuito SMPS de 5V / 3.3V

Iquesters Solutions proporcionó los componentes y la infraestructura de prueba. Sin embargo, el transformador está hecho a mano, también puede construir su propio transformador SMPS. Aquí, con fines de prueba, el transformador está hecho para 1A. Se puede utilizar la relación de vueltas adecuada para un transformador de 1,5 A según las especificaciones del transformador dadas. Nuestra placa SMPS se ve así cuando se realiza el montaje.

Ahora, para probar nuestra placa SMPS, la encenderé usando un Variac y usaré una carga de CC electrónica para ajustar la corriente de salida. La siguiente imagen muestra mi antigua configuración de carga de CC ajustable conectada a nuestra placa SMPS. Puede probarlo con cualquier carga de su elección, pero el uso de una carga de CC ajustable lo ayudará a evaluar sus tarjetas de suministro de energía. También puede construir fácilmente su propia carga de CC electrónica ajustable basada en Arduino siguiendo este enlace.

Como puede ver en la imagen de abajo, probé nuestro circuito SMPS para 5V y 3.3V cambiando el pin de puente. La corriente de salida se probó para hasta 850 mA, pero también puede llegar hasta 1,5 A según el diseño de su transformador.

Para obtener más información sobre las pruebas y la construcción, consulte el enlace del video a continuación. Espero que hayas disfrutado del artículo y hayas aprendido algo útil. Si tiene alguna pregunta, déjela en la sección de comentarios a continuación o utilice nuestros foros.