Concevez votre propre circuit SMPS compact 5v / 3.3v pour les projets embarqués et iot

Un moyen grossier d'alimenter vos circuits CC avec le secteur AC consiste à utiliser un transformateur abaisseur pour abaisser la tension secteur 230V et ajouter quelques diodes comme redresseur en pont. Mais en raison de la taille énorme de l'espace et d'autres inconvénients, il ne peut pas être utilisé à toutes fins. Un autre moyen le plus populaire et le plus professionnel consiste à utiliser des circuits d'alimentation à découpage pour convertir votre secteur CA en une large gamme de tension CC selon les besoins, presque tous les appareils électroniques grand public, de l'adaptateur 12V normal au chargeur pour ordinateur portable, ont un circuit SMPS pour fournir le CC requis. puissance de sortie.

Chez circuitdigest, nous avons déjà construit quelques circuits SMPS populairespour différentes valeurs nominales, à savoir le circuit 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS et 12V 1A SMPS, chacun pouvant être utilisé pour différentes applications. Cette fois, nous allons construire un SMPS qui peut être utilisé à des fins générales et qui a une forme de module simple à utiliser dans des situations liées à l'espace. De nos jours, l'Internet des objets utilise divers processeurs basés sur le wifi comme NodeMCU, ESP32 et ESP12E, etc. qui fonctionnent sur 5V ou 3,3V. Ces modules sont très compacts et, par conséquent, pour alimenter ces cartes, il est logique d'utiliser des circuits SMPS plus petits qui peuvent aller sur la même carte, au lieu d'utiliser un circuit SMPS séparé. Par conséquent, dans cet article, nous allons apprendre à construire un circuit SMPS qui peut produire 5 V ou 3,3 V (configurable par le matériel à l'aide d'un cavalier), la conception du circuit et la disposition du circuit imprimé sont également fournies, vous pouvez donc simplement le porter dans votre conception existante.Ici, nos cartes de circuits imprimés sont fabriquées par PCBGoGo, une société de services de prototypes de circuits imprimés et d'assemblage de circuits imprimés de haute qualité basée en Chine.

La cote du SMPS est de 5 V ou 3,3 V 1,5 A car la plupart des cartes de développement utilisent des tensions de niveau logique 5 V ou 3,3 V et 1,5 A devrait être suffisant pour la plupart des applications basées sur l'IoT. Mais notez que ce SMPS n'a pas de filtres dans la section d'entrée pour réduire la taille et le coût. Par conséquent, ce SMPS ne peut être utilisé que pour alimenter des cartes de microcontrôleur ou à des fins de charge. Assurez-vous qu'il sera couvert de la portée de l'utilisateur lorsqu'il est en fonctionnement.

Avertissement: travailler avec des circuits SMPS peut être dangereux car il implique une tension secteur CA potentiellement mortelle. N'essayez pas de le construire si vous n'avez aucune expérience de travail avec le secteur. Soyez toujours prudent avec les fils sous tension et les condensateurs chargés, utilisez des outils de protection et une supervision si nécessaire. Tu étais prévenu!!

Spécifications de la carte SMPS 5V / 3.3V

Le SMPS aura les spécifications suivantes.

1. Entrée 85VAC à 230VAC.
2. Sortie 2A sélectionnable 5V ou 3,3V.
3. Construction à cadre ouvert
4. Protection contre les courts-circuits et les surtensions
5. Petite taille avec des fonctionnalités à faible coût.

Matériel requis pour le circuit SMPS (BOM)

1. Fusible 1A 250VAC à coup lent
2. Pont de diodes DB107
3. 10uF / 400V
4. Diode P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 pièces - paquet 0805
7. 2,2 nF 250 VCA
8. TNY284DG
9. Paquet 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. 1k - paquet 0805
12. 22R - 2 pièces - emballage 0805
13. Paquet de 100 nF - 0805
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - Emballage 0805
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - noyau de tambour
19. 2,2 nF 250 VCA

Remarque: toutes les pièces ont été sélectionnées pour être facilement disponibles pour les concepteurs. Le transformateur SMPS doit être construit sur mesure à l'aide de cette fiche technique. Vous pouvez soit utiliser un fournisseur pour en construire un, soit concevoir et enrouler votre transformateur SMPS en utilisant le lien.

Ce SMPS est conçu en utilisant le circuit intégré d'intégration de puissance TNY284DG. Ce circuit intégré SMPS Diver convient le mieux à ce SMPS car le circuit intégré est disponible dans un boîtier SMD et que la puissance est adaptée à cet effet. L'image ci-dessous montre la spécification de puissance du TNY284DG.

Comme nous pouvons le voir, TNY284DG est parfait pour notre option. Comme la construction est un cadre ouvert, elle correspondra à la puissance de sortie de 8,5 W. Cela signifie qu'il peut facilement fournir 1,5 A à 5 V.

Schéma de circuit SMPS 5V / 3.3V

La construction de ce SMPS est assez simple et directe. Cette conception utilise le chipset Power Integration comme circuit intégré de pilote SMPS. Le schéma du circuit peut être vu dans l'image ci-dessous-

Construction et travail

Avant de commencer directement à construire la pièce prototype, explorons le fonctionnement des circuits. Le circuit comprend les sections suivantes:

1. Protection d'entrée
2. Conversion AC-DC
3. Circuit de pilote ou circuit de commutation
4. Protection de verrouillage de sous-tension.
5. Circuit de serrage
6. Isolation magnétique et galvanique
7. Filtrage EMI
8. Redresseur secondaire et circuit d'amortissement
9. Section Filtre
10. Section de rétroaction.

Protection d'entrée

F1 est un fusible à fusion lente qui protégera le SMPS des conditions de charge et de défaut élevées. La section d'entrée SMPS n'utilise aucune considération de filtre EMI. Il s'agit d'un fusible à fusion lente 1A 250VAC et qui protégera le SMPS en cas de défaut. Cependant, ce fusible peut être remplacé par un fusible en verre. Vous pouvez également consulter l'article sur les différents types de fusibles.

Conversion AC-DC

B1 est le redresseur en pont de diodes. Il s'agit du DB107, un pont de diodes 1A 700V. Cela convertira l'entrée CA en tension CC. De plus, le condensateur 10uF 400V sera essentiel pour redresser l'ondulation CC et il fournira une sortie CC fluide au circuit d'attaque ainsi qu'au transformateur.

Circuit de pilote ou circuit de commutation

C'est le composant principal de ce SMPS. Le côté primaire du transformateur est correctement contrôlé par le circuit de commutation TNY284DG. La fréquence de commutation est de 120-132 kHz. En raison de cette fréquence de commutation élevée, des transformateurs plus petits peuvent être utilisés.

Le schéma de brochage ci-dessus montre les brochages TNY284DG. Le pilote de commutation IC1 qui est TNY284DG utilise C2 un condensateur 10uF 16V. Ce condensateur fournit une sortie continue régulière au circuit interne du TNY284DG.

Protection de verrouillage de sous-tension

Le transformateur agit comme un énorme inducteur. Par conséquent, à chaque cycle de commutation, le transformateur induit des pics de tension élevés dus à l'inductance de fuite du transformateur. La diode Zener D1 qui est une diode P6KE160, serre le circuit de tension de sortie et le D2 qui est UF4007, une diode ultra-rapide bloque ces pointes de haute tension et l'amortit à une valeur sûre qui est bénéfique pour sauver la broche DRAIN du TNY284DG.

Isolation magnétique et galvanique

Le transformateur est ferromagnétique et non seulement il convertit le courant alternatif haute tension en courant alternatif basse tension, mais il fournit également une isolation galvanique. Le transformateur est un transformateur EE16. Les spécifications détaillées du transformateur peuvent être vues dans la fiche technique du transformateur qui a été partagée plus tôt dans la section des matériaux requis.

Filtre EMI

Le filtrage EMI est effectué par le condensateur C3. Le condensateur C3 est un condensateur haute tension 2.2nF 250VAC, qui augmente l'immunité du circuit et réduit les interférences EMI élevées.

Redresseur secondaire et circuit d'amortisseur

La sortie du transformateur est redressée à l'aide d'une diode Schottky SR360. Il s'agit d'une diode 60V 3A. Cette diode Schottky D3 fournit une sortie CC du transformateur qui est en outre redressée par le grand condensateur C6 de 1000 uF 16V.

La sortie du transformateur fournit une ondulation de sonnerie qui est supprimée par le circuit d'amortissement qui est créé par la résistance de faible valeur et le condensateur en série qui est en parallèle avec le redresseur de sortie. La résistance de faible valeur est de 22R et le condensateur de faible valeur est de 470 pF. Ces deux composants R8 et C5 créent le circuit d'amortissement dans la section de sortie CC.

Section Filtre

La section de filtre est créée à l'aide d'une configuration LC. Le C est le condensateur de filtrage C6. Il s'agit d'un condensateur à faible ESR pour un meilleur rejet d'ondulation avec une valeur de 100uF 16V et l'inductance L1 est une inductance à noyau de tambour de 3,3uH.

Section de rétroaction

La tension de sortie est détectée par le U1 TL431 par un diviseur de tension. Par conséquent, chaque fois que le diviseur de tension produit une tension parfaite, le TL431 active un coupleur optique qui est PC817, noté OK1.

Comme il y a deux fonctionnements de tension sélectionnables 3,3 V et 5 V, il y a deux diviseurs de tension créés à l'aide de trois résistances R3, R4 et R5. R5 est commun aux deux diviseurs, mais les R3 et R4 sont modifiables à l'aide d'un cavalier. Après avoir détecté la ligne, U1, l'optocoupleur est commandé, ce qui déclenche en outre le TNY284DG et isole galvaniquement la partie de détection de rétroaction secondaire avec le contrôleur côté primaire.

Lors de la première mise sous tension, comme il s'agit d'une configuration flyback, le conducteur active la commutation et attend la réponse de l'optocoupleur. Si tout est normal, le conducteur continue la commutation, sinon saute les cycles de commutation à moins que tout devienne normal.

Conception de notre PCB SMPS

Une fois le circuit finalisé, vous pouvez le tester sur une carte de performance, puis commencer par la conception de votre PCB. Nous avons utilisé eagle pour concevoir notre PCB, vous pouvez consulter l'image de mise en page ci-dessous. Vous pouvez également télécharger les fichiers de conception à partir du lien ci-dessous.

• Schémas Eagle et conception de circuits imprimés pour SMPS 5 V / 3,3 V

Comme vous pouvez le voir, la taille de la carte est de 63 mm pour 32 mm, ce qui est une taille décemment petite. Les composants sont placés à une distance de sécurité pour assurer un fonctionnement sûr. La face supérieure et la face inférieure de notre PCB sont illustrées dans l'image ci-dessous. C'est une carte PCB à double couche avec une épaisseur prévue de 35 um de cuivre. La diode de sortie et le circuit intégré de commande nécessitent une considération thermique spéciale à des fins liées à la dissipation thermique. En outre, sur le côté secondaire, des coutures sont effectuées pour une meilleure connectivité au sol.

Vous pouvez également remarquer que peu de composants SMD sont placés à l'arrière de la carte pour maintenir la taille du module dans une petite dimension. Il y a quelques considérations de conception que vous devez suivre si vous concevez votre PCB SMPS, consultez cet article sur le Guide de disposition de conception de PCB SMPS pour en savoir plus.

Fabrication de PCB pour circuit SMPS 12v 1A

Maintenant que nous comprenons comment fonctionnent les schémas, nous pouvons procéder à la construction du PCB pour notre SMPS. Puisqu'il s'agit d'un circuit SMPS, un PCB est recommandé car il pourrait traiter des problèmes de bruit et d'isolation. La mise en page PCB pour le circuit ci-dessus est également disponible pour téléchargement en tant que Gerber à partir du lien.

• Télécharger le fichier Gerber pour le circuit SMPS 5V / 3.3V

Maintenant que notre conception est prête, il est temps de les fabriquer à l'aide du fichier Gerber. Pour faire le PCB à partir de PCBGOGO est assez facile, suivez simplement les étapes ci-dessous:

Étape 1: Accédez à www.pcbgogo.com, inscrivez-vous si c'est votre première fois. Ensuite, dans l'onglet Prototype PCB, entrez les dimensions de votre PCB, le nombre de couches et le nombre de PCB dont vous avez besoin. En supposant que le PCB mesure 80 cm × 80 cm, vous pouvez définir les dimensions comme indiqué ci-dessous.

Étape 2: Continuez en cliquant sur le bouton Soumettre maintenant . Vous serez redirigé vers une page où définir quelques paramètres supplémentaires si nécessaire, comme le matériau utilisé, l'espacement des pistes, etc. Mais la plupart du temps, les valeurs par défaut fonctionneront bien. La seule chose que nous devons considérer ici est le prix et le temps. Comme vous pouvez le voir, le temps de construction n'est que de 2-3 jours et il ne coûte que 5 $ pour notre PCB. Vous pouvez ensuite sélectionner une méthode d'expédition préférée en fonction de vos besoins.

Étape 3: La dernière étape consiste à télécharger le fichier Gerber et à procéder au paiement. Pour s'assurer que le processus se déroule sans heurts, PCBGOGO vérifie si votre fichier Gerber est valide avant de procéder au paiement. De cette façon, vous pouvez être sûr que votre PCB est facile à fabriquer et vous atteindra comme engagé.

Assemblage du PCB

Une fois la carte commandée, elle m'est parvenue au bout de quelques jours par courrier dans une boîte bien emballée soigneusement étiquetée et, comme toujours, la qualité du PCB était excellente. Le PCB que j'ai reçu est illustré ci-dessous. Comme vous le voyez, les couches supérieure et inférieure se sont déroulées comme prévu.

Les vias et les pads étaient tous de la bonne taille. Il m'a fallu environ 15 minutes pour assembler une carte PCB à un circuit de travail. La carte assemblée est illustrée ci-dessous.

Test de notre circuit SMPS 5V / 3.3V

Les composants et l'infrastructure de test ont été fournis par Iquesters Solutions. Cependant, le transformateur est fait à la main, vous pouvez également construire votre propre transformateur SMPS. Ici à des fins de test, le transformateur est fait pour 1A. On peut utiliser le bon rapport de rotation pour un transformateur de 1,5 A selon les spécifications du transformateur données. Notre carte SMPS ressemble à ceci lorsque l'assemblage est terminé.

Maintenant, pour tester notre carte SMPS, je vais la mettre sous tension à l'aide d'un Variac et utiliser une charge CC électronique pour ajuster le courant de sortie. L'image ci-dessous montre mon ancienne configuration de charge DC réglable connectée à notre carte SMPS. Vous pouvez le tester avec n'importe quelle charge de votre choix, mais l'utilisation d'une charge CC réglable vous aidera à évaluer vos cartes d'alimentation. Vous pouvez également créer facilement votre propre charge CC électronique réglable basée sur Arduino en suivant ce lien.

Comme vous pouvez le voir dans l'image ci-dessous, j'ai testé notre circuit SMPS pour 5V et 3,3V en changeant la broche du cavalier. Le courant de sortie a été testé jusqu'à 850 mA, mais vous pouvez également aller jusqu'à 1,5 A en fonction de la conception de votre transformateur.

Pour plus d'informations sur les tests et la construction, veuillez consulter le lien vidéo ci-dessous. J'espère que vous avez apprécié l'article et appris quelque chose d'utile. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section commentaires ci-dessous ou utilisez nos forums.