为嵌入式和物联网项目设计自己的紧凑型5v / 3.3v smps电路

使用交流市电为直流电路供电的一种粗略方法是使用降压变压器来降低230V市电电压，并添加几个二极管作为桥式整流器。但是由于巨大的空间大小和其他缺点，它不能用于所有目的。另一种最受欢迎​​和专业的方法是使用开关模式电源电路，根据需要将交流电源转换为宽范围的直流电压，从普通的12V适配器到笔记本电脑充电器的几乎所有消费电子产品都具有SMPS电路来提供所需的DC。输出功率。

在Circuitdigest上，我们已经建立了一些流行的SMPS电路针对不同的额定值，即12V 1A Viper 22A SMPS，5V 2A SMPS和12V 1A SMPS电路，每种电路均可用于不同的应用。这次，我们将构建一个SMPS，该SMPS可用于一般用途，并且具有简单的模块形状，可用于与空间有关的情况。如今，物联网使用各种基于wifi的处理器，例如NodeMCU，ESP32和ESP12E等，它们以5V或3.3V工作。这些模块非常紧凑，因此要为这些板供电，使用可以在同一板上使用的较小SMPS电路而不是使用单独的SMPS电路是有意义的。因此，在本文中，我们将学习如何构建一个可以输出5V或3.3V（可使用跳线配置的硬件）的SMPS电路，还提供了电路设计和PCB布局，因此您可以简单地将其移植到现有设计中。在这里，我们的PCB板由PCBGoGo制造，PCBGoGo是一家中国低成本，高质量的PCB原型和PCB组装服务公司。

SMPS的额定值为5V或3.3V 1.5A，因为大多数开发板使用5V或3.3V逻辑电平电压，而1.5A应该足以满足大多数基于IoT的应用。但是请注意，此SMPS在输入部分中没有任何过滤器以减小尺寸和成本。因此，该SMPS只能用于为微控制器板供电或充电。操作时，请确保将其遮盖在用户够不到的地方。

警告：使用SMPS电路可能会很危险，因为它涉及交流电源电压，这可能会致命。如果您没有使用交流电源的经验，请不要尝试构建它。始终小心带电的电线和带电的电容器，必要时使用保护工具和监督。你被警告了！！

5V / 3.3V SMPS板规格

SMPS将具有以下规格。

1. 85VAC至230VAC输入。
2. 5V或3.3V可选2A输出。
3. 开放式结构
4. 短路和过压保护
5. 体积小，具有低成本功能。

SMPS电路（BOM）所需的材料

1. 保险丝1A 250VAC慢熔
2. 二极管桥DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE二极管
5. UF4007
6. 2Meg – 2件– 0805包装
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V – 0805封装
10. PC817
11. 1k – 0805包装
12. 22R – 2个– 0805包装
13. 100 nF – 0805封装
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V – 0805封装
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH –鼓芯
19. 2.2nF 250VAC

注意：选择所有零件以便设计人员可以轻松使用。SMPS变压器必须使用此数据表进行定制构建。您可以使用供应商来构建，也可以使用链接设计和缠绕SMPS变压器。

该SMPS使用电源集成IC TNY284DG设计。该SMPS Diver IC最适合此SMPS，因为该IC采用SMD封装，并且功率也适合于此目的。下图显示了TNY284DG的功率规格。

如我们所见，TNY284DG非常适合我们的选择。由于结构是开放式框架，因此将匹配8.5W的输出功率。这意味着它可以轻松在5V电压下提供1.5A电流。

5V / 3.3V SMPS电路图

该SMPS的构建非常简单直接。该设计使用Power Integration芯片组作为SMPS驱动器IC。电路原理图可以在下图中看到-

施工与工作

在直接构建原型零件之前，让我们探索电路操作。该电路包括以下部分：

1. 输入保护
2. AC-DC转换
3. 驱动器电路或开关电路
4. 欠压锁定保护。
5. 钳位电路
6. 磁电隔离
7. EMI滤波
8. 次级整流器和缓冲电路
9. 过滤部分
10. 反馈部分。

输入保护

F1是一种慢熔保险丝，可以保护SMPS免受高负载和故障情况的影响。SMPS输入部分不使用任何EMI滤波器考虑因素。这是一个1A 250VAC慢熔保险丝，它将在故障情况下保护SMPS。但是，可以将此保险丝更改为玻璃保险丝。您也可以查看有关不同类型保险丝的文章。

AC-DC转换

B1是二极管桥式整流器。这就是DB107，1A 700V二极管电桥。这会将交流输入转换为直流电压。此外，10uF 400V电容器对于整流DC纹波至关重要，它将为驱动器电路和变压器提供平滑的DC输出。

驱动电路或开关电路

它是此SMPS的主要组件。变压器的初级侧由开关电路TNY284DG适当地控制。开关频率为120-132 kHz。由于开关频率高，因此可以使用较小的变压器。

上面的引脚图显示了TNY284DG引脚排列。TNY284DG的开关驱动器IC1使用10uF 16V电容器C2。该电容器可为TNY284DG的内部电路提供平滑的DC输出。

欠压锁定保护

变压器起着巨大的电感器的作用。因此，在每个开关周期中，由于变压器的漏感，变压器会感应出高电压尖峰。齐纳二极管D1为P6KE160二极管，钳位输出电压电路，而D2为UF4007，超快二极管阻止此高压尖峰并将其阻尼到安全值，这有利于节省TNY284DG的DRAIN引脚。

电磁隔离

变压器是铁磁的，不仅将高压交流电转换为低压交流电，而且还提供电流隔离。该变压器是EE16变压器。有关变压器的详细规格，请参见之前在“所需材料”部分共享的变压器数据表。

EMI滤波器

EMI滤波由C3电容器完成。C3电容器是2.2nF 250VAC高压电容器，可提高电路抗扰度并减少高EMI干扰。

次级整流器和缓冲电路

变压器的输出使用肖特基二极管SR360进行整流。这是一个60V 3A二极管。肖特基二极管D3提供了来自变压器的DC输出，该输出由1000uF的16V大电容C6进一步整流。

变压器的输出提供了振铃纹波，该振铃纹波由缓冲电路抑制，该缓冲电路由与输出整流器并联的串联的低值电阻器和电容器产生。低值电阻为22R，低值电容器为470 pF。这两个组件R8和C5在DC输出部分中创建缓冲电路。

过滤部分

过滤器部分是使用LC配置创建的。C是滤波电容器C6。它是一款低ESR电容器，具有更好的纹波抑制性能，其值为100uF 16V，电感L1为3.3uH鼓形磁芯电感。

反馈部分

U1 TL431通过分压器感测输出电压。因此，每当分压器产生理想电压时，TL431都会打开一个光耦合器，即PC817，表示为OK1。

由于有3.3V和5V两种可选电压工作，因此使用三个电阻R3，R4和R5创建了两个分压器。R5对所有两个分频器都是通用的，但R3和R4可使用跳线更改。在检测到线路U1之后，控制光耦合器，该光耦合器进一步触发TNY284DG，并与初级侧控制器电流隔离次级反馈检测部分。

在第一次上电期间，由于这是反激式配置，因此驱动器会打开开关并等待光耦合器的响应。如果一切正常，驱动程序将继续进行切换，否则，除非一切正常，否则请跳过切换周期。

设计我们的SMPS PCB

电路完成后，您可以在性能板上对其进行测试，然后开始进行PCB设计。我们已经使用Eagle设计我们的PCB，您可以查看下面的布局图。您也可以从下面的链接下载设计文件。

• 用于5V / 3.3V SMPS的Eagle原理图和PCB设计

如您所见，电路板尺寸为32毫米为63毫米，这是一个相当小的尺寸。组件之间应保持安全距离，以确保安全操作。下图显示了PCB的顶面和底面。它是双层PCB板，计划的铜厚度为35um。为了散热相关的目的，输出二极管和驱动器IC需要特殊的散热考虑。另外，在次级侧通过缝合进行了连接，以实现更好的地面连接。

您还可以注意到，在板子的背面放置了很少的SMD组件，以将模块尺寸保持在较小的尺寸。如果要设计SMPS PCB，则需要遵循一些设计注意事项，有关更多信息，请查看SMPS PCB设计布局指南中的本文。

用于12v 1A SMPS电路的制造PCB

现在我们了解了原理图的工作原理，我们可以继续为SMPS构建PCB。由于这是SMPS电路，因此建议使用PCB，因为它可能会处理噪声和隔离问题。上述电路的PCB布局也可以从链接下载Gerber。

• 下载用于5V / 3.3V SMPS电路的Gerber文件

现在我们的设计已经准备就绪，是时候使用Gerber文件制作它们了。要从PCBGOGO制作PCB很容易，只需执行以下步骤-

第1步： 进入www.pcbgogo.com，如果这是您第一次，请注册。然后在“ PCB原型”选项卡中，输入PCB的尺寸，层数以及所需的PCB数。假设PCB为80cm×80cm，则可以如下设置尺寸。

第2步： 单击 立即报价 按钮继续。如果需要，您将转到一个页面，在其中设置一些其他参数，例如使用的轨道间距等材料。但是大多数情况下，默认值都可以正常工作。我们在这里唯一需要考虑的是价格和时间。如您所见，构建时间仅为2-3天，而PCB的成本仅为5美元。然后，您可以根据需要选择首选的运输方式。

第3步： 最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保过程顺利进行，PCBGOGO在继续付款之前会验证您的Gerber文件是否有效。这样，您可以确保您的PCB易于加工，并且能够按承诺达到您的要求。

组装PCB

订购该板后，经过几天的快递，它被装在包装整齐，贴有标签的盒子中，到达了我身边，就像往常一样，PCB的质量很棒。我收到的PCB如下所示。如您所见，顶层和底层都已达到预期。

通孔和焊盘尺寸均正确。我花了大约15分钟的时间才能将PCB板组装到正常工作的电路上。组装好的板如下图所示。

测试我们的5V / 3.3V SMPS电路

组件和测试基础结构由Iquesters Solutions提供。但是，该变压器是手工制造的，您也可以构建自己的SMPS变压器。在此出于测试目的，制造的变压器为1A。可以根据给定的变压器规格为1.5A变压器使用合适的匝数比。组装完成后，我们的SMPS板看起来像这样。

现在要测试我们的SMPS板，我将使用Variac对其进行插拔，并使用电子直流负载来调整输出电流。下图显示了连接到我们的SMPS板上的旧的可调直流负载设置。您可以在选择的任何负载下对其进行测试，但是使用可调直流负载将有助于您评估电源板。您也可以通过以下链接轻松构建自己的基于Arduino的可调电子直流负载。

如您在下图中所看到的，我通过更改跳线引脚测试了5V和3.3V的SMPS电路。测试了高达850mA的输出电流，但根据您的变压器设计，您也可以达到1.5A。

有关测试和构造的更多信息，请查看下面的视频链接。希望您喜欢这篇文章并学到一些有用的东西。如有任何疑问，请将其留在下面的评论部分或使用我们的论坛。