Projete seu próprio circuito smps 5v / 3,3v compacto para projetos embarcados e iot

Uma maneira rudimentar de alimentar seus circuitos CC com alimentação CA é usar um transformador redutor para reduzir a tensão de alimentação de 230 V e adicionar alguns diodos como retificador de ponte. Mas, devido ao grande tamanho do espaço e outras desvantagens, ele não pode ser usado para todos os fins. Outra forma mais popular e profissional é usar circuitos de fonte de alimentação comutada para converter sua rede elétrica CA em uma ampla faixa de voltagem CC conforme necessário, quase todos os produtos eletrônicos de consumo, desde o adaptador normal de 12 V até um carregador de laptop, tem um circuito SMPS para fornecer a CC necessária potência de saída.

No circuitdigest, já construímos alguns circuitos SMPS popularespara diferentes classificações, a saber, 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS e 12V 1A SMPS, cada um dos quais pode ser usado para diferentes aplicações. Desta vez, iremos construir um SMPS que pode ser usado para propósitos gerais e tem um formato de módulo simples para ser usado em situações relacionadas ao espaço. Hoje em dia, a Internet das Coisas usa vários processadores baseados em wi-fi como NodeMCU, ESP32 e ESP12E, etc. que operam em 5V ou 3.3V. Esses módulos são altamente compactos e, portanto, para alimentar essas placas, faz sentido usar circuitos SMPS menores que podem ir na mesma placa, em vez de usar um circuito SMPS separado. Portanto, neste artigo, aprenderemos como construir um circuito SMPS que pode produzir 5 V ou 3,3 V (hardware configurável usando jumper), o projeto do circuito e o layout do PCB também são fornecidos, para que você possa simplesmente transferi-lo para o projeto existente.Aqui, nossas placas de PCB são fabricadas pela PCBGoGo, uma empresa de serviços de montagem de PCB e protótipo de PCB de baixo custo e alta qualidade com base na China.

A classificação do SMPS é 5 V ou 3,3 V 1,5 A, pois a maioria da placa de desenvolvimento usa tensões de nível lógico de 5 V ou 3,3 V e 1,5 A deve ser bom o suficiente para a maioria das aplicações baseadas em IoT. Mas observe que este SMPS não possui filtros na seção de entrada para reduzir o tamanho e o custo. Portanto, este SMPS pode ser usado apenas para alimentar placas de microcontrolador ou para fins de carregamento. Certifique-se de que ele esteja coberto do alcance do usuário durante a operação.

Aviso: Trabalhar com circuitos SMPS pode ser perigoso, pois envolve tensão de alimentação CA, que é potencialmente letal. Não tente construí-lo se não tiver experiência em trabalhar com rede elétrica CA. Sempre tenha cuidado com fios energizados e capacitores carregados, use ferramentas de proteção e supervisão, se necessário. Você foi avisado!!

Especificações da placa SMPS 5V / 3,3V

O SMPS terá as seguintes especificações.

85VAC a 230VAC entrada.
Saída 2A selecionável de 5 V ou 3,3 V.
Construção de moldura aberta
Proteção contra curto-circuito e sobretensão
Tamanho pequeno com recursos de baixo custo.

Materiais necessários para o circuito SMPS (BOM)

Fusível 1A 250VAC Slow Blow
Ponte de Diodo DB107
10uF / 400V
Diodo P6KE
UF4007
2Meg - 2 unidades - pacote 0805
2.2nF 250VAC
TNY284DG
10uF / 16V - pacote 0805
PC817
Pacote 1k - 0805
22R - 2pcs - pacote 0805
Pacote 100 nF - 0805
TL431
SR360
470pF 100V - pacote 0805
1000uF 16V
3,3uH - núcleo de bateria
2.2nF 250VAC

Nota: Todas as peças foram selecionadas para serem facilmente disponibilizadas aos designers. O transformador SMPS deve ser feito sob medida usando esta folha de dados. Você pode usar um fornecedor para construir um ou projetar e enrolar seu transformador SMPS usando o link.

Este SMPS é projetado usando integração de energia IC TNY284DG. Este SMPS Diver IC é mais adequado para este SMPS, pois o IC está disponível no pacote SMD, bem como a potência é adequada para o propósito. A imagem abaixo mostra a especificação de potência do TNY284DG.

Como podemos ver, TNY284DG é perfeito para nossa opção. Como a construção é aberta, ela corresponderá à potência de saída de 8,5W. O que significa que pode fornecer facilmente 1,5A a 5V.

Diagrama de circuito SMPS 5V / 3,3V

A construção deste SMPS é bastante simples e direta. Este projeto usa o chipset Power Integration como um driver IC SMPS. O esquema do circuito pode ser visto na imagem abaixo

Construção e Trabalho

Antes de ir direto para a construção do protótipo, vamos explorar a operação do circuito. O circuito tem as seguintes seções-

Proteção de entrada
Conversão AC-DC
Circuito do driver ou circuito de comutação
Proteção de bloqueio de subtensão.
Circuito de grampo
Isolamento magnético e galvânico
Filtragem EMI
Retificador secundário e circuito de amortecimento
Seção de Filtro
Seção de feedback.

Proteção de entrada

F1 é um fusível de queima lenta que protegerá o SMPS de altas cargas e condições de falha. A seção de entrada SMPS não usa quaisquer considerações de filtro EMI. Este é um fusível de queima lenta 1A 250VAC e que protegerá o SMPS em condições de falha. No entanto, esse fusível pode ser alterado para um fusível de vidro. Você também pode verificar o artigo sobre diferentes tipos de fusíveis.

Conversão AC-DC

B1 é o retificador de ponte de diodo. Este é o DB107, uma ponte de diodo 1A 700V. Isso converterá a entrada CA em tensão CC. Além disso, o capacitor de 10uF 400V será essencial para retificar a ondulação DC e fornecerá uma saída DC suave para o circuito do driver, bem como para o transformador.

Circuito de driver ou circuito de comutação

É o principal componente deste SMPS. O lado primário do transformador é devidamente controlado pelo circuito de chaveamento TNY284DG. A frequência de chaveamento é 120-132 kHz. Devido a esta alta frequência de chaveamento, transformadores menores podem ser usados.

O diagrama de pinagem acima está mostrando as pinagens TNY284DG. O driver de comutação IC1 que é TNY284DG usa C2 um capacitor de 10uF 16V. Este capacitor fornece uma saída contínua de corrente contínua para o circuito interno de TNY284DG.

Proteção de travamento de subtensão

O transformador atua como um grande indutor. Portanto, em cada ciclo de chaveamento, o transformador induz picos de alta tensão devido ao indutor de fuga do transformador. O diodo Zener D1, que é um diodo P6KE160, fixa o circuito de tensão de saída e o D2, que é UF4007, um diodo Ultra-rápido bloqueia esses picos de alta tensão e amortece-o para um valor seguro que é benéfico para salvar o pino DRAIN do TNY284DG.

Magnético e Isolamento Galvânico

O transformador é ferromagnético e não apenas converte CA de alta tensão em CA de baixa tensão, mas também fornece isolamento galvânico. O transformador é um transformador EE16. A especificação detalhada do transformador pode ser vista na ficha técnica do transformador que foi compartilhada anteriormente na seção de materiais necessários.

Filtro EMI

A filtragem EMI é feita pelo capacitor C3. O capacitor C3 é um capacitor de alta voltagem 2.2nF 250VAC, que aumenta a imunidade do circuito e reduz a alta interferência EMI.

Circuito Retificador Secundário e Snubber

A saída do transformador é retificada usando um diodo Schottky SR360. Este é um diodo 60V 3A. Este diodo Schottky D3 fornece saída DC do transformador que é posteriormente retificado pelo grande capacitor C6 de 1000uF 16V.

A saída do transformador fornece uma ondulação de toque que é suprimida pelo circuito de amortecimento, que é criado pelo resistor de baixo valor e pelo capacitor em conexão em série que está em paralelo com o retificador de saída. O resistor de baixo valor é 22R e o capacitor de baixo valor é 470 pF. Esses dois componentes R8 e C5 criam o circuito de amortecimento na seção de saída CC.

Seção de Filtro

A seção de filtro é criada usando uma configuração LC. OC é o capacitor do filtro C6. É um capacitor Low ESR para melhor rejeição de ondulação com um valor de 100uF 16V e o indutor L1 é um indutor de núcleo de bateria de 3,3uH.

Seção de Feedback

A tensão de saída é detectada pelo U1 TL431 por um divisor de tensão. Portanto, sempre que o divisor de tensão produz uma tensão perfeita, o TL431 liga um acoplador opt que é o PC817, denotado como OK1.

Como há duas operações de tensão selecionáveis de 3,3 V e 5 V, há dois divisores de tensão criados usando três resistores R3, R4 e R5. R5 é comum para todos os dois divisores, mas o R3 e R4 podem ser trocados usando um jumper. Depois de detectar a linha U1, o optoacoplador é controlado, o que aciona ainda mais o TNY284DG e isola galvanicamente a porção de detecção de feedback secundário com o controlador lateral primário.

Durante a primeira energização, por se tratar de uma configuração flyback, o driver liga a chaveamento e aguarda a resposta do optoacoplador. Se tudo estiver normal, o driver continua a comutação, caso contrário, pule os ciclos de comutação a menos que tudo fique normal.

Projetando nosso PCB SMPS

Assim que o circuito for finalizado, você pode testá-lo em uma placa de desempenho e, em seguida, começar com o design do seu PCB. Usamos o Eagle para projetar nosso PCB, você pode verificar a imagem de layout abaixo. Você também pode baixar os arquivos de design no link abaixo.

Eagle Schematics e PCB Design para 5V / 3,3V SMPS

Como você pode ver, o tamanho da placa é de 63 mm para 32 mm, que é um tamanho decentemente pequeno. Os componentes são colocados a uma distância segura para garantir uma operação segura. O lado superior e o lado inferior do nosso PCB são mostrados na imagem abaixo. É uma placa PCB de camada dupla com uma espessura planejada de 35um de cobre. O diodo de saída e o IC do driver precisam de consideração térmica especial para fins relacionados à dissipação de calor. Além disso, no lado secundário, a costura é feita para melhor conectividade com o solo.

Você também pode notar que alguns componentes SMD são colocados na parte traseira da placa para manter o tamanho do módulo em uma pequena dimensão. Existem algumas considerações de design que você deve seguir se estiver projetando seu PCB SMPS, verifique este artigo no Guia de Layout de design de PCB SMPS para saber mais.

Fabricação de PCB para circuito 12v 1A SMPS

Agora que entendemos como o esquema funciona, podemos prosseguir com a construção do PCB para nosso SMPS. Como este é um circuito SMPS, um PCB é recomendado, pois pode lidar com problemas de ruído e isolamento. O layout do PCB para o circuito acima também está disponível para download como Gerber no link.

Baixe o arquivo Gerber para 5V / 3,3V SMPS Circuit

Agora que nosso projeto está pronto, é hora de fabricá-los usando o arquivo Gerber. Para fazer o PCB do PCBGOGO é bastante fácil, basta seguir as etapas abaixo-

Etapa 1: Acesse www.pcbgogo.com, inscreva-se se esta for sua primeira vez. Em seguida, na guia Protótipo de PCB, insira as dimensões de seu PCB, o número de camadas e o número de PCB que você precisa. Assumindo que o PCB tem 80 cm × 80 cm, você pode definir as dimensões conforme mostrado abaixo.

Etapa 2: Continue clicando no botão Citar Agora . Você será levado a uma página onde definir alguns parâmetros adicionais, se necessário, como o material usado, espaçamento entre pistas, etc. Mas principalmente os valores padrão funcionarão bem. A única coisa que devemos considerar aqui é o preço e o tempo. Como você pode ver, o Build Time é de apenas 2-3 dias e custa apenas US $ 5 para o nosso PCB. Você pode então selecionar um método de envio preferido com base em sua necessidade.

Etapa 3: A última etapa é fazer o upload do arquivo Gerber e prosseguir com o pagamento. Para garantir que o processo seja tranquilo, o PCBGOGO verifica se seu arquivo Gerber é válido antes de prosseguir com o pagamento. Dessa forma, você pode ter certeza de que seu PCB é amigável para a fabricação e chegará até você quando estiver comprometido.

Montagem do PCB

Depois que a placa foi encomendada, ela chegou até mim depois de alguns dias por meio de correio em uma caixa bem embalada e bem etiquetada e, como sempre, a qualidade do PCB era incrível. O PCB que foi recebido por mim é mostrado abaixo. Como você pode ver, as camadas superior e inferior resultaram conforme o esperado.

As vias e os pads estavam todos no tamanho certo. Levei cerca de 15 minutos para montar a placa PCB em um circuito de trabalho. A placa montada é mostrada abaixo.

Testando nosso circuito SMPS 5V / 3,3V

Os componentes e a infraestrutura de teste foram fornecidos pela Iquesters Solutions. No entanto, o transformador é feito à mão, você também pode construir seu próprio transformador SMPS. Aqui, para fins de teste, o transformador é feito para 1A. Pode-se usar a relação de espiras adequada para o transformador de 1,5 A de acordo com as especificações do transformador fornecidas. Nossa placa SMPS fica assim quando a montagem é feita.

Agora, para testar nossa placa SMPS, irei alimentá-la usando um Variac e usar uma carga CC eletrônica para ajustar a corrente de saída. A imagem abaixo mostra minha antiga configuração de carga DC ajustável conectada à nossa placa SMPS. Você pode testá-lo com qualquer carga de sua escolha, mas usar uma carga CC ajustável o ajudará a avaliar suas placas de fonte de alimentação. Você também pode construir facilmente sua própria Carga CC Eletrônica Ajustável baseada em Arduino, seguindo este link.

Como você pode ver na imagem abaixo, testei nosso circuito SMPS para 5 V e 3,3 V, alterando o pino do jumper. A corrente de saída foi testada para até 850mA, mas você também pode ir até 1,5A com base no projeto do transformador.

Para mais informações sobre os testes e construção, confira o link de vídeo abaixo. Espero que tenha gostado do artigo e aprendido algo útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe-as na seção de comentários abaixo ou use nossos fóruns.