임베디드 및 IoT 프로젝트를위한 나만의 컴팩트 한 5v / 3.3v smps 회로 설계

AC 주전원으로 DC 회로에 전원을 공급하는 조잡한 방법은 230V 주전원 전압을 낮추고 몇 개의 다이오드를 브리지 정류기로 추가하기 위해 강압 변압기를 사용하는 것입니다. 그러나 거대한 공간 크기와 기타 단점으로 인해 모든 용도로 사용할 수는 없습니다. 가장 인기 있고 전문적인 또 다른 방법은 스위치 모드 전원 공급 장치 회로를 사용하여 필요에 따라 AC 주전원을 광범위한 DC 전압으로 변환하는 것입니다. 일반 12V 어댑터에서 랩톱 충전기까지 거의 모든 가전 제품에는 필요한 DC를 제공하는 SMPS 회로가 있습니다. 출력 파워.

Circuitdigest에서는 이미 인기있는 SMPS 회로를 거의 구축하지 않았습니다.다른 등급, 즉 각각 다른 애플리케이션에 사용할 수있는 12V 1A Viper 22A SMPS, 5V 2A SMPS 및 12V 1A SMPS 회로. 이번에는 범용으로 사용할 수 있고 공간과 관련된 상황에서 사용할 수있는 단순한 모듈 형태의 SMPS를 구축 할 것입니다. 요즘 사물 인터넷은 5V 또는 3.3V에서 작동하는 NodeMCU, ESP32 및 ESP12E 등과 같은 다양한 Wi-Fi 기반 프로세서를 사용합니다. 이러한 모듈은 매우 콤팩트하므로이 보드에 전원을 공급하려면 별도의 SMPS 회로를 사용하는 대신 동일한 보드에 사용할 수있는 더 작은 SMPS 회로를 사용하는 것이 좋습니다. 따라서이 기사에서는 5V 또는 3.3V (점퍼를 사용하여 하드웨어 구성 가능)를 출력 할 수있는 SMPS 회로를 구축하는 방법을 배우고 회로 설계 및 PCB 레이아웃도 제공하므로이를 기존 설계에 간단히 이식 할 수 있습니다.여기에서 우리의 PCB 보드는 중국 기반의 저가 고품질 PCB 프로토 타입 및 PCB 조립 서비스 회사 인 PCBGoGo에서 제조합니다.

SMPS의 정격은 대부분의 개발 기판이 5V 또는 3.3V 로직 레벨 전압을 사용하고 1.5A는 대부분의 IoT 기반 애플리케이션에 충분하므로 5V 또는 3.3V 1.5A입니다. 그러나이 SMPS에는 크기와 비용을 줄이기 위해 입력 섹션에 필터가 없습니다. 따라서이 SMPS는 마이크로 컨트롤러 보드에 전원을 공급하거나 충전 목적으로 만 사용할 수 있습니다. 작동 중에는 사용자의 손이 닿지 않는지 확인하십시오.

경고: SMPS 회로로 작업하는 것은 잠재적으로 치명적일 수있는 AC 주전원 전압을 포함하므로 위험 할 수 있습니다. AC 주전원으로 작업 한 경험이없는 경우이를 구축하지 마십시오. 활선 및 충전 된 커패시터에 항상주의를 기울이고 필요한 경우 보호 도구 및 감독을 사용하십시오. 경고를 받았습니다 !!

5V / 3.3V SMPS 보드 사양

SMPS의 사양은 다음과 같습니다.

1. 85VAC ~ 230VAC 입력.
2. 5V 또는 3.3V 선택 가능한 2A 출력.
3. 오픈 프레임 구조
4. 단락 및 과전압 보호
5. 저비용 기능을 갖춘 작은 크기.

SMPS 회로 (BOM)에 필요한 재료

1. 퓨즈 1A 250VAC 슬로우 블로우
2. 다이오드 브리지 DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE 다이오드
5. UF4007
6. 2Meg – 2 개 – 0805 패키지
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V – 0805 패키지
10. PC817
11. 1k – 0805 패키지
12. 22R – 2 개-0805 패키지
13. 100 nF – 0805 패키지
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V – 0805 패키지
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH – 드럼 코어
19. 2.2nF 250VAC

참고: 모든 부품은 설계자가 쉽게 사용할 수 있도록 선택되었습니다. SMPS 변환기는이 데이터 시트를 사용하여 맞춤 빌드해야합니다. 공급 업체를 사용하여 하나를 만들거나 링크를 사용하여 SMPS 변압기를 설계하고 감을 수 있습니다.

이 SMPS는 전력 통합 IC TNY284DG를 사용하여 설계되었습니다. 이 SMPS 다이버 IC 는 이 SMPS 에 가장 적합합니다. IC는 SMD 패키지로 제공되고 전력량이 목적에 적합하기 때문입니다. 아래 이미지는 TNY284DG의 와트 사양을 보여줍니다.

보시다시피 TNY284DG는 우리의 옵션에 완벽합니다. 구조가 오픈 프레임이므로 8.5W의 출력 와트와 일치합니다. 즉, 5V에서 1.5A를 쉽게 제공 할 수 있습니다.

5V / 3.3V SMPS 회로도

이 SMPS의 구성은 매우 간단하고 간단합니다. 이 디자인은 Power Integration 칩셋을 SMPS 드라이버 IC로 사용합니다. 회로의 개략도는 아래 이미지에서 볼 수 있습니다.

건설 및 작업

프로토 타입 부품을 제작하기 전에 회로 작동을 살펴 보겠습니다. 회로에는 다음 섹션이 있습니다.

1. 입력 보호
2. AC-DC 변환
3. 드라이버 회로 또는 스위칭 회로
4. 저전압 차단 보호.
5. 클램프 회로
6. 자기 및 갈바닉 절연
7. EMI 필터링
8. 2 차 정류기 및 스 너버 회로
9. 필터 섹션
10. 피드백 섹션.

입력 보호

F1은 고부하 및 오류 조건으로부터 SMPS를 보호하는 슬로우 블로우 퓨즈입니다. SMPS 입력 섹션은 EMI 필터 고려 사항을 사용하지 않습니다. 이것은 1A 250VAC 슬로우 블로우 퓨즈이며 고장 상태에서 SMPS를 보호합니다. 그러나이 퓨즈는 유리 퓨즈로 변경할 수 있습니다. 다양한 유형의 퓨즈에 대한 기사를 확인할 수도 있습니다.

AC-DC 변환

B1은 다이오드 브리지 정류기입니다. 이것은 1A 700V 다이오드 브리지 인 DB107 입니다. 이것은 AC 입력을 DC 전압으로 변환합니다. 또한 10uF 400V 커패시터는 DC 리플 정류에 필수적이며 변압기뿐만 아니라 드라이버 회로에 부드러운 DC 출력을 제공합니다.

드라이버 회로 또는 스위칭 회로

이 SMPS의 주요 구성 요소입니다. 변압기의 1 차측은 스위칭 회로 TNY284DG에 의해 적절하게 제어됩니다. 스위칭 주파수는 120-132kHz입니다. 이 높은 스위칭 주파수로 인해 더 작은 변압기를 사용할 수 있습니다.

위의 핀아웃 다이어그램은 TNY284DG 핀아웃을 보여줍니다. TNY284DG 인 스위칭 드라이버 IC1은 C2, 10uF 16V 커패시터를 사용합니다. 이 커패시터는 TNY284DG의 내부 회로에 부드러운 DC 출력을 제공합니다.

저전압 차단 보호

변압기는 거대한 인덕터 역할을합니다. 따라서 각 스위칭 사이클에서 변압기는 변압기의 누설 인덕터로 인해 고전압 스파이크를 유발합니다. P6KE160 다이오드 인 제너 다이오드 D1 은 출력 전압 회로를 클램핑하고 UF4007 인 D2는 초고속 다이오드로이 고전압 스파이크를 차단하고 TNY284DG의 DRAIN 핀을 저장하는 데 도움이되는 안전한 값으로 감쇠합니다..

자기 및 갈바닉 절연

변압기는 강자성이며 고전압 AC를 저전압 AC로 변환 할뿐만 아니라 갈바닉 절연도 제공합니다. 변압기는 EE16 변압기입니다. 자세한 변압기 사양은 이전에 필요한 재료 섹션에서 공유 한 변압기 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다.

EMI 필터

EMI 필터링은 C3 커패시터에 의해 수행됩니다. C3 커패시터는 고전압 2.2nF 250VAC 커패시터로 회로 내성을 높이고 높은 EMI 간섭을 줄입니다.

2 차 정류기 및 스 너버 회로

트랜스포머의 출력은 쇼트 키 다이오드 SR360을 사용하여 정류됩니다. 이것은 60V 3A 다이오드입니다. 이 쇼트 키 다이오드 D3는 대형 1000uF 16V 커패시터 C6에 의해 더 정류되는 변압기의 DC 출력을 제공합니다.

변압기의 출력은 출력 정류기와 병렬로 연결된 저값 저항 및 커패시터에 의해 생성되는 스 너버 회로에 의해 억제되는 링잉 리플을 제공합니다. 낮은 값의 저항은 22R이고 낮은 값의 커패시터는 470pF입니다. 이 두 구성 요소 R8 및 C5는 DC 출력 섹션에서 스 너버 회로를 생성합니다.

필터 섹션

필터 섹션은 LC 구성을 사용하여 생성됩니다. C는 필터 커패시터 C6입니다. 100uF 16V의 값으로 더 나은 리플 제거를위한 낮은 ESR 커패시터이며 인덕터 L1은 3.3uH 드럼 코어 인덕터입니다.

피드백 섹션

출력 전압은 전압 분배기에 의해 U1 TL431에 의해 감지됩니다. 따라서 전압 분배기가 완벽한 전압을 생성 할 때마다 TL431은 OK1 으로 표시된 PC817 인 opt 커플러를 켭니다.

3.3V 및 5V에서 선택할 수있는 두 개의 전압 작동이 있으므로 세 개의 저항 R3, R4 및 R5를 사용하여 생성 된 두 개의 전압 분배기가 있습니다. R5는 두 분배기 모두에 공통이지만 R3 및 R4는 점퍼를 사용하여 변경할 수 있습니다. 라인 U1을 감지 한 후 옵토 커플러가 제어되어 TNY284DG를 추가로 트리거하고 1 차측 컨트롤러로 2 차 피드백 감지 부분을 전기적으로 분리합니다.

이것은 플라이 백 구성이므로 첫 번째 전원을 켜는 동안 드라이버는 스위칭을 켜고 옵토 커플러의 응답을 기다립니다. 모든 것이 정상이면 드라이버는 스위칭을 계속하고 그렇지 않으면 모든 것이 정상이되지 않는 한 스위칭 사이클을 건너 뜁니다.

SMPS PCB 설계

회로가 완성되면 성능 기판에서 테스트 한 다음 PCB 설계로 시작할 수 있습니다. 우리는 독수리를 사용하여 PCB를 설계했으며 아래 레이아웃 이미지를 확인할 수 있습니다. 아래 링크에서 디자인 파일을 다운로드 할 수도 있습니다.

• 5V / 3.3V SMPS를위한 Eagle 회로도 및 PCB 설계

보시다시피 보드 크기는 32mm의 경우 63mm로 상당히 작은 크기입니다. 구성품은 안전한 작동을 위해 안전한 거리에 배치됩니다. PCB의 상단과 하단은 아래 이미지에 나와 있습니다. 계획된 두께 35um의 구리 더블 레이어 PCB 보드입니다. 출력 다이오드 및 드라이버 IC는 방열 관련 목적을 위해 특별한 열 고려 사항이 필요합니다. 또한, 더 나은 접지 연결을 위해 2 차 측에서 스티칭을 통해 이루어집니다.

모듈 크기를 작은 치수로 유지하기 위해 보드 뒷면에 SMD 구성 요소가 거의 없다는 것을 알 수 있습니다. SMPS PCB를 설계하는 경우 따라야 할 설계 고려 사항이 거의 없습니다. 자세한 내용은 SMPS PCB 설계 레이아웃 가이드에서이 기사를 확인하십시오.

12v 1A SMPS 회로 용 PCB 제작

이제 회로도가 어떻게 작동하는지 이해 했으므로 SMPS 용 PCB 구축을 진행할 수 있습니다. 이것은 SMPS 회로이기 때문에 노이즈 및 절연 문제를 처리 할 수있는 PCB를 권장합니다. 위 회로의 PCB 레이아웃은 링크에서 Gerber로 다운로드 할 수도 있습니다.

• 5V / 3.3V SMPS 회로 용 Gerber 파일 다운로드

이제 디자인이 준비되었으므로 Gerber 파일을 사용하여 제작할 때입니다. PCBGOGO에서 PCB를 수행하는 것은 매우 쉽습니다. 아래 단계를 따르십시오.

1 단계: www.pcbgogo.com에 접속하여 처음이라면 가입하십시오. 그런 다음 PCB 프로토 타입 탭에서 PCB 치수, 레이어 수 및 필요한 PCB 수를 입력합니다. PCB가 80cm × 80cm라고 가정하면 아래와 같이 치수를 설정할 수 있습니다.

2 단계: 지금 견적 버튼 을 클릭하여 진행 합니다. 트랙 간격 등을 사용하는 재료와 같이 필요한 경우 몇 가지 추가 매개 변수를 설정할 수있는 페이지로 이동합니다. 그러나 대부분 기본값은 정상적으로 작동합니다. 여기서 고려해야 할 유일한 것은 가격과 시간입니다. 보시다시피 빌드 시간은 2 ~ 3 일이며 PCB 비용은 5 달러입니다. 그런 다음 요구 사항에 따라 선호하는 배송 방법을 선택할 수 있습니다.

3 단계: 마지막 단계는 Gerber 파일을 업로드하고 결제를 진행하는 것입니다. 프로세스가 원활한 지 확인하기 위해 PCBGOGO는 지불을 진행하기 전에 Gerber 파일이 유효한지 확인합니다. 이렇게하면 PCB가 제작에 친숙하고 약속 된대로 도달 할 수 있습니다.

PCB 조립

보드를 주문한 후 며칠 후 잘 포장 된 상자에 택배를 통해 배달되었고, 항상 그렇듯이 PCB의 품질은 굉장했습니다. 제가받은 PCB는 아래와 같습니다. 보시다시피 상단 및 하단 레이어가 모두 예상대로 나타납니다.

비아와 패드는 모두 적절한 크기였습니다. PCB 보드를 작동 회로에 조립하는 데 약 15 분이 걸렸습니다. 조립 된 보드는 아래와 같습니다.

5V / 3.3V SMPS 회로 테스트

구성 요소와 테스트 인프라는 Iquesters Solutions에서 제공했습니다. 그러나 Transformer는 수제이므로 자신 만의 SMPS 변압기를 만들 수도 있습니다. 여기서 테스트 목적으로 변압기는 1A 용으로 제작되었습니다. 주어진 변압기 사양에 따라 1.5A 변압기에 적절한 권선비를 사용할 수 있습니다. 조립이 끝나면 SMPS 보드는 이렇게 생겼습니다.

이제 SMPS 보드를 테스트하기 위해 Variac을 사용하여 전원을 공급하고 전자 DC 부하를 사용하여 출력 전류를 조정합니다. 아래 이미지는 SMPS 보드에 연결된 이전 조정 가능한 DC 부하 설정을 보여줍니다. 원하는 부하로 테스트 할 수 있지만 조정 가능한 DC 부하를 사용하면 전원 공급 장치 보드를 평가하는 데 도움이됩니다. 이 링크를 따라 가면 Arduino 기반 조정 가능한 전자 DC 부하를 쉽게 구축 할 수도 있습니다.

아래 이미지에서 볼 수 있듯이 점퍼 핀을 변경하여 5V 및 3.3V 모두에 대해 SMPS 회로를 테스트했습니다. 출력 전류는 최대 850mA까지 테스트되었지만 변압기 설계에 따라 1.5A까지 이동할 수도 있습니다.

테스트 및 시공에 대한 자세한 내용은 아래 비디오 링크를 확인하십시오. 기사를 즐겁게 읽고 유용한 것을 배웠기를 바랍니다. 질문이 있으시면 아래 댓글란에 남겨 주시거나 포럼을 이용 해주세요.