Rancang sirkuit smps 5v / 3.3v kompak Anda sendiri untuk proyek tertanam dan iot

Cara kasar untuk memberi daya pada rangkaian DC Anda dengan hantaran listrik AC adalah dengan menggunakan trafo step-down untuk menurunkan tegangan listrik 230V dan menambahkan beberapa dioda sebagai penyearah jembatan. Tetapi karena ukuran ruang yang besar dan kekurangan lainnya, itu tidak dapat digunakan untuk semua keperluan. Cara lain yang paling populer dan profesional adalah dengan menggunakan Switch Mode Power Supply Circuit untuk mengubah sumber listrik AC Anda menjadi berbagai tegangan DC seperti yang diperlukan, hampir setiap elektronik konsumen dari adaptor 12V normal hingga Pengisi Daya Laptop memiliki sirkuit SMPS untuk menyediakan DC yang diperlukan. daya keluaran.

Di circuitdigest, kami telah membangun beberapa sirkuit SMPS yang populeruntuk rating yang berbeda yaitu rangkaian SMPS 12V 1A Viper 22A, 5V 2A SMPS, dan rangkaian SMPS 12V 1A yang masing-masing dapat digunakan untuk aplikasi yang berbeda. Kali ini kita akan membangun SMP yang dapat digunakan untuk keperluan umum dan memiliki bentuk modul yang sederhana untuk digunakan dalam situasi yang berhubungan dengan ruang. Saat ini, Internet of Things menggunakan berbagai prosesor berbasis wifi seperti NodeMCU, ESP32, dan ESP12E, dll. Yang beroperasi pada 5V atau 3.3V. Modul ini sangat kompak dan karenanya untuk memberi daya pada papan ini, masuk akal untuk menggunakan sirkuit SMPS yang lebih kecil yang dapat dipasang di papan yang sama, daripada menggunakan sirkuit SMPS yang terpisah. Karenanya dalam artikel ini, kita akan belajar bagaimana membangun sirkuit SMPS yang dapat menghasilkan output 5V atau 3,3V (perangkat keras dapat dikonfigurasi menggunakan jumper), desain sirkuit dan tata letak PCB juga disediakan, sehingga Anda dapat memasukkannya ke dalam desain yang ada.Di sini papan PCB kami diproduksi oleh PCBGoGo, sebuah prototipe PCB berkualitas tinggi yang berbasis di Cina dan perusahaan jasa perakitan PCB.

Peringkat SMPS adalah 5V atau 3,3V 1,5A karena sebagian besar papan pengembangan menggunakan tegangan level logika 5V atau 3,3V dan 1,5A seharusnya cukup baik untuk sebagian besar aplikasi berbasis IoT. Namun perlu diketahui bahwa SMP ini tidak memiliki filter di bagian masukan untuk mengurangi ukuran dan biaya. Oleh karena itu, SMP ini hanya dapat digunakan untuk menyalakan papan mikrokontroler atau keperluan pengisian daya. Pastikan itu akan terlindungi dari jangkauan pengguna saat beroperasi.

Peringatan: Bekerja dengan sirkuit SMPS bisa berbahaya karena melibatkan tegangan listrik AC yang berpotensi mematikan. Jangan mencoba membuat ini jika Anda tidak memiliki pengalaman bekerja dengan sumber listrik AC. Selalu berhati-hati dengan kabel listrik dan kapasitor yang diisi, gunakan alat pelindung dan pengawasan jika diperlukan. Anda telah diperingatkan!!

Spesifikasi Papan SMPS 5V / 3.3V

SMPS akan memiliki spesifikasi sebagai berikut.

1. 85VAC sampai 230VAC masukan.
2. 5V atau 3.3V output 2A yang dapat dipilih.
3. Konstruksi rangka terbuka
4. Perlindungan sirkuit pendek dan tegangan lebih
5. Ukuran kecil dengan fitur berbiaya rendah.

Bahan yang Dibutuhkan untuk Sirkuit SMPS (BOM)

1. Sekering 1A 250VAC Pukulan Lambat
2. Diode Bridge DB107
3. 10uF / 400V
4. Dioda P6KE
5. UF4007
6. 2Meg - 2 Pcs - paket 0805
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. Paket 10uF / 16V - 0805
10. PC817
11. 1k - 0805 paket
12. 22R - 2 lembar - paket 0805
13. Paket 100 nF - 0805
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - 0805 paket
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH - Inti drum
19. 2.2nF 250VAC

Catatan: Semua bagian dipilih agar mudah tersedia bagi desainer. Transformator SMPS harus dibuat khusus menggunakan lembar data ini. Anda dapat menggunakan vendor untuk membuatnya atau merancang dan memutar trafo SMPS Anda menggunakan tautan.

SMP ini dirancang menggunakan IC integrasi daya TNY284DG. Ini SMP Diver IC paling cocok untuk ini SMP sebagai IC tersedia dalam paket SMD serta watt ini cocok untuk tujuan tersebut. Gambar di bawah ini menunjukkan spesifikasi watt TNY284DG.

Seperti yang bisa kita lihat, TNY284DG sangat cocok untuk pilihan kita. Karena konstruksinya adalah rangka terbuka, maka watt output akan sesuai dengan 8,5W. Artinya dapat dengan mudah menyediakan 1,5A pada 5V.

Diagram Sirkuit SMPS 5V / 3.3V

Pembangunan SMP ini cukup sederhana dan lurus ke depan. Desain ini menggunakan chipset Power Integration sebagai IC driver SMPS. Skema rangkaiannya dapat dilihat pada gambar di bawah ini-

Konstruksi dan Pekerjaan

Sebelum langsung membuat bagian prototipe, mari kita jelajahi operasi sirkuit. Sirkuit memiliki bagian-bagian berikut-

1. Perlindungan Input
2. Konversi AC-DC
3. Sirkuit driver atau sirkuit Switching
4. Perlindungan penguncian di bawah tegangan.
5. Sirkuit penjepit
6. Magnet dan isolasi galvanik
7. Penyaringan EMI
8. Rectifier Sekunder dan sirkuit snubber
9. Bagian Filter
10. Bagian umpan balik.

Perlindungan Input

F1 adalah sekering tiup lambat yang akan melindungi SMP dari beban tinggi dan kondisi gangguan. Bagian masukan SMPS tidak menggunakan pertimbangan filter EMI. Ini adalah sekering tiup lambat 1A 250VAC dan yang akan melindungi SMP dalam kondisi rusak. Namun sekring ini dapat diubah menjadi sekring kaca. Anda juga dapat membaca artikel tentang berbagai jenis sekring.

Konversi AC-DC

B1 adalah penyearah jembatan dioda. Ini adalah DB107, jembatan dioda 1A 700V. Ini akan mengubah input AC menjadi tegangan DC. Selain itu, kapasitor 10uF 400V akan sangat penting untuk memperbaiki riak DC dan itu akan memberikan keluaran DC yang mulus ke sirkuit driver serta Transformer.

Sirkuit Driver atau Sirkuit Switching

Ini adalah komponen utama dari SMP ini. Sisi utama transformator dikontrol dengan benar oleh rangkaian switching TNY284DG. Frekuensi switching 120-132 kHz. Karena frekuensi switching yang tinggi ini, transformator yang lebih kecil dapat digunakan.

Diagram pinout di atas menunjukkan pinout TNY284DG. Driver switching IC1 yaitu TNY284DG menggunakan kapasitor C2 10uF 16V. Kapasitor ini memberikan output DC yang mulus ke sirkuit internal TNY284DG.

Perlindungan Penguncian Di Bawah Tegangan

Trafo bertindak sebagai induktor besar. Oleh karena itu, dalam setiap siklus switching, transformator menginduksi lonjakan tegangan tinggi karena induktor kebocoran transformator. Dioda Zener D1 yang merupakan dioda P6KE160, menjepit rangkaian tegangan keluaran dan D2 yaitu UF4007, dioda Ultra-Cepat memblokir lonjakan tegangan tinggi ini dan meredamnya ke nilai yang aman yang bermanfaat untuk menyimpan pin DRAIN dari TNY284DG.

Magnetics dan Galvanic Isolation

Trafo bersifat feromagnetik dan tidak hanya mengubah AC tegangan tinggi menjadi ac tegangan rendah tetapi juga menyediakan isolasi galvanik. Trafo tersebut adalah Trafo EE16. Spesifikasi detail trafo dapat dilihat di lembar data trafo yang telah dibagikan sebelumnya di bagian bahan yang dibutuhkan.

Filter EMI

Penyaringan EMI dilakukan oleh kapasitor C3. Kapasitor C3 adalah kapasitor 2.2nF 250VAC tegangan tinggi, yang meningkatkan kekebalan rangkaian dan mengurangi interferensi EMI tinggi.

Rectifier Sekunder dan Sirkuit Snubber

Output dari transformator diperbaiki menggunakan dioda Schottky SR360. Ini adalah Diode 60V 3A. Dioda Schottky D3 ini menyediakan output DC dari transformator yang selanjutnya diperbaiki oleh kapasitor C6 1000uF 16V yang besar.

Output dari transformator memberikan riak dering yang ditekan oleh rangkaian snubber yang dibuat oleh resistor dan kapasitor nilai rendah dalam koneksi seri yang paralel dengan penyearah keluaran. Resistor nilai rendah adalah 22R dan kapasitor nilai rendah adalah 470 pF. Kedua komponen R8 dan C5 ini membuat sirkuit snubber di bagian keluaran DC.

Bagian Filter

Bagian filter dibuat menggunakan konfigurasi LC. C adalah kapasitor filter C6. Ini adalah kapasitor ESR Rendah untuk penolakan riak yang lebih baik dengan nilai 100uF 16V dan induktor L1 adalah induktor inti drum 3.3uH.

Bagian Umpan Balik

Tegangan keluaran dirasakan oleh U1 TL431 oleh pembagi tegangan. Oleh karena itu, setiap kali pembagi tegangan menghasilkan tegangan yang sempurna, TL431 menyalakan opt coupler yaitu PC817, dilambangkan sebagai OK1.

Karena ada dua operasi tegangan yang dapat dipilih 3.3V dan 5V, ada dua pembagi tegangan yang dibuat menggunakan tiga resistor R3, R4, dan R5. R5 umum untuk kedua pembagi tetapi R3 dan R4 dapat diganti menggunakan jumper. Setelah merasakan garis, U1, optocoupler dikontrol yang selanjutnya memicu TNY284DG dan secara galvanis mengisolasi bagian penginderaan umpan balik sekunder dengan pengontrol sisi utama.

Selama penyalaan pertama, karena ini adalah konfigurasi flyback, pengemudi menyalakan sakelar dan menunggu respons dari optocoupler. Jika semuanya normal, pengemudi melanjutkan peralihan, jika tidak lewati siklus peralihan kecuali semuanya menjadi normal.

Merancang PCB SMPS Kami

Setelah rangkaian selesai, Anda dapat mengujinya di papan kinerja dan kemudian mulai dengan desain PCB Anda. Kami telah menggunakan eagle untuk mendesain PCB kami, Anda dapat melihat gambar tata letak di bawah ini. Anda juga dapat mengunduh file desain dari tautan di bawah ini.

• Skema Elang dan Desain PCB untuk SMP 5V / 3.3V

Seperti yang Anda lihat, ukuran papan adalah 63mm untuk 32mm, yang merupakan ukuran yang cukup kecil. Komponen ditempatkan pada jarak yang aman untuk memastikan pengoperasian yang aman. Sisi atas dan bawah PCB kami ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Ini adalah papan PCB lapis ganda dengan ketebalan direncanakan 35um tembaga. Dioda keluaran dan IC driver memerlukan pertimbangan termal khusus untuk tujuan terkait pembuangan panas. Juga, di sisi sekunder melalui jahitan dilakukan untuk konektivitas ground yang lebih baik.

Anda juga dapat melihat bahwa beberapa komponen SMD ditempatkan di bagian belakang papan untuk menjaga ukuran modul dalam dimensi kecil. Ada beberapa pertimbangan desain yang harus Anda ikuti jika Anda mendesain SMPS PCB, lihat artikel ini di Panduan Tata Letak Desain SMPS PCB untuk mengetahui lebih lanjut.

Fabrikasi PCB untuk Sirkuit SMPS 12v 1A

Sekarang kami memahami cara kerja skema, kami dapat melanjutkan dengan membangun PCB untuk SMP kami. Karena ini adalah sirkuit SMPS, PCB direkomendasikan karena dapat menangani masalah kebisingan dan isolasi. Tata letak PCB untuk rangkaian di atas juga tersedia untuk diunduh sebagai Gerber dari tautan.

• Unduh file Gerber untuk Sirkuit SMPS 5V / 3.3V

Sekarang desain kita sudah siap, sekarang saatnya membuatnya dibuat menggunakan file Gerber. Untuk menyelesaikan PCB dari PCBGOGO cukup mudah, cukup ikuti langkah-langkah di bawah ini-

Langkah 1: Masuk ke www.pcbgogo.com, daftar jika ini adalah pertama kalinya Anda. Kemudian di tab Prototipe PCB, masukkan dimensi PCB Anda, jumlah lapisan, dan jumlah PCB yang Anda butuhkan. Dengan asumsi PCB berukuran 80cm × 80cm, Anda dapat mengatur dimensinya seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Langkah 2: Lanjutkan dengan mengklik tombol Kutip Sekarang . Anda akan dibawa ke halaman di mana untuk mengatur beberapa parameter tambahan jika diperlukan seperti material yang digunakan jarak trek, dll. Tetapi kebanyakan nilai default akan berfungsi dengan baik. Satu-satunya hal yang harus kita pertimbangkan di sini adalah harga dan waktu. Seperti yang Anda lihat, Build Time hanya 2-3 hari dan biayanya hanya $ 5 untuk PCB kami. Anda kemudian dapat memilih metode pengiriman yang disukai berdasarkan kebutuhan Anda.

Langkah 3: Langkah terakhir adalah mengunggah file Gerber dan melanjutkan pembayaran. Untuk memastikan prosesnya lancar, PCBGOGO akan memverifikasi apakah file Gerber Anda valid sebelum melanjutkan pembayaran. Dengan cara ini, Anda dapat yakin bahwa PCB Anda ramah fabrikasi dan akan menghubungi Anda sesuai komitmen.

Merakit PCB

Setelah papan dipesan, papan itu sampai kepada saya setelah beberapa hari melalui kurir dalam kotak berlabel rapi yang dikemas dengan baik, dan seperti biasa kualitas PCBnya luar biasa. PCB yang saya terima ditampilkan di bawah ini. Seperti yang Anda lihat, lapisan atas dan bawah telah berubah seperti yang diharapkan.

Vias dan pad semuanya dalam ukuran yang tepat. Butuh waktu sekitar 15 menit untuk memasang papan PCB ke sirkuit yang berfungsi. Papan yang dirakit ditunjukkan di bawah ini.

Menguji Sirkuit SMPS 5V / 3.3V kami

Komponen dan infrastruktur pengujian disediakan oleh Iquesters Solutions. Namun, Transformer dibuat dengan tangan, Anda juga dapat membuat transformator SMP Anda sendiri. Disini untuk keperluan pengujian, trafo dibuat untuk 1A. Seseorang dapat menggunakan rasio putaran yang tepat untuk trafo 1.5A sesuai spesifikasi trafo yang diberikan. Papan SMPS kami terlihat seperti ini saat perakitan selesai.

Sekarang untuk menguji papan SMPS kami, saya akan menjalankannya menggunakan Variac dan menggunakan beban DC Elektronik untuk menyesuaikan arus keluaran. Gambar di bawah ini menunjukkan pengaturan beban DC lama saya yang dapat disesuaikan yang terhubung ke papan SMPS kami. Anda dapat mengujinya dengan beban apa pun yang Anda pilih, tetapi menggunakan beban DC yang dapat disesuaikan akan membantu Anda mengevaluasi papan catu daya Anda. Anda juga dapat dengan mudah membangun Beban DC Elektronik yang Dapat Disesuaikan berbasis Arduino Anda sendiri dengan mengikuti tautan ini.

Seperti yang Anda lihat pada gambar di bawah ini, saya menguji sirkuit SMPS kami untuk 5V dan 3.3V dengan mengubah pin jumper. Arus keluaran diuji hingga 850mA tetapi Anda juga dapat mencapai 1,5A berdasarkan desain transformator Anda.

Untuk info lebih lanjut tentang pengujian dan konstruksi, silakan lihat tautan video di bawah ini. Saya harap Anda menikmati artikel ini dan mempelajari sesuatu yang bermanfaat. Jika Anda memiliki pertanyaan, silakan tinggalkan di bagian komentar di bawah atau gunakan forum kami.