为嵌入式和物联网项目设计自己的紧凑5V/3.3V SMPS电路

用交流电源为直流电路供电的一种粗略方法是使用降压变压器降压230V电源电压，并添加一对二极管作为桥式整流器。但由于巨大的空间尺寸和其他缺点，它不能用于所有目的。另一种最流行和专业的方法是使用开关模式电源电路将交流电源转换为所需的大范围直流电压，几乎所有消费电子产品，从普通的12V适配器到笔记本电脑充电器，都有一个SMPS电路来提供所需的直流输出功率。

在circuitdigest，我们已经为不同的等级构建了几种流行的SMPS电路，即12V 1A Viper 22A SMPS， 5V 2A SMPS和12V 1A SMPS电路，每种电路都可以用于不同的应用。这一次，我们将构建一个可用于一般用途的SMPS，它具有简单的模块形状，可用于与空间相关的情况。如今，物联网使用各种基于wifi的处理器，如NodeMCU， ESP32和ESP12E等，它们的工作电压为5V或3.3V。这些模块非常紧凑，因此为这些电路板供电，使用可以在同一板上的更小的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可以输出5V或3.3V的SMPS电路(硬件可使用跳线配置)，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的设计中。在这里，我们的PCB板是由PCBGoGo制造的，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，1.5A对于大多数基于物联网的应用来说应该足够好。但请注意，该SMPS在输入部分没有任何过滤器，以减少尺寸和成本。因此，该SMPS只能用于为微控制器板供电或充电。确保在操作时将其覆盖在用户够不着的地方。

警告：使用SMPS电路可能是危险的，因为它涉及交流电源电压，这可能是致命的。如果您没有使用交流电源的经验，请不要尝试构建此。对带电电线和带电电容器始终保持谨慎，使用保护工具并在需要时进行监督。我已经警告过你了!!

5V/3.3V SMPS单板规格

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.开放式框架结构

4.短路和过压保护

5.体积小，成本低。

SMPS电路所需材料(BOM)

•保险丝1A 250VAC慢熔断

•二极管桥接DB107

•10uF / 400V

•P6KE二极管

•UF4007

•2Meg - 2个- 0805包装

•2.2 nf 250伏

•TNY284DG

•10uF / 16V - 0805封装

•PC817

•1k - 0805包

•22R - 2个- 0805包装

•100nf - 0805包

•TL431

•SR360

•470pF 100V - 0805封装

•1000年佛罗里达大学16 v

•3.3uH -鼓芯

•2.2 nf 250伏

注：所有部件的选择都是为了便于设计人员获取。SMPS变压器必须使用此数据表自定义构建。您既可以使用供应商来构建一个，也可以使用链接来设计和缠绕您的SMPS变压器。

本SMPS采用电源集成IC TNY284DG设计。该SMPS Diver IC最适合该SMPS，因为该IC采用SMD封装，并且其瓦数适合该用途。下图为TNY284DG的瓦数规格。

正如我们所看到的，TNY284DG非常适合我们的选择。由于结构为开放式框架，因此将匹配8.5W的输出功率。这意味着它可以在5V电压下轻松提供1.5A。

5V/3.3V SMPS电路图

这个SMPS的构造非常简单和直接。本设计采用Power Integration芯片组作为SMPS驱动IC。电路原理图如下图所示

建设和工作

在直接进入构建原型部分之前，让我们探索电路操作。电路有以下几个部分-

•输入保护

•交直流转换

•驱动电路或开关电路

•欠压闭锁保护。

•钳位电路

•磁学和电流隔离

•EMI滤波

•二次整流器和缓冲电路

•过滤部分

•反馈部分。

输入保护

F1是一种慢熔保险丝，可保护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。这是一个1A 250VAC慢熔保险丝，将在故障条件下保护SMPS。但是，这种保险丝可以换成玻璃保险丝。您还可以查看有关不同类型保险丝的文章。

交直流转换

B1是二极管桥式整流器。这是DB107，一个1A 700V二极管桥。这将把交流输入转换成直流电压。此外，10uF 400V电容对于整流直流纹波至关重要，它将为驱动电路和变压器提供平滑的直流输出。

驱动电路或开关电路

它是该SMPS的主要组成部分。变压器的一次侧由开关电路TNY284DG适当控制。开关频率为120- 132khz。由于这种高开关频率，可以使用较小的变压器。

上面的引脚图显示了TNY284DG的引脚。开关驱动器IC1是TNY284DG，使用C2一个10uF 16V电容。该电容为TNY284DG的内部电路提供平滑的直流输出。

欠压闭锁保护。

欠压闭锁保护由感测电阻R1和R2完成。当SMPS进入自动重启模式并检测线路电压时使用。该电阻检测输入交流电压是否在范围内。

钳位电路

变压器起着巨大电感器的作用。因此，在每个开关周期中，由于变压器的漏电电感，变压器会产生高电压尖峰。齐纳二极管D1是一个P6KE160二极管，箝位输出电压电路和D2是UF4007，一个超快二极管阻挡这个高压尖峰并将其阻尼到一个安全值，这有利于节省TNY284DG的DRAIN引脚。

磁学和电流隔离

变压器是铁磁性的，它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。该变压器为EE16 transformer。详细的变压器规格可以在之前在材料要求部分共享的变压器数据表中看到。

EMI滤波器

电磁干扰滤波由C3电容完成。C3电容采用高压2.2nF 250VAC电容，增加了电路抗扰度，降低了高电磁干扰。

二次整流器和缓冲器电路

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。这个肖特基二极管D3提供变压器的直流输出，由大型1000uF 16V电容器C6进一步整流。

变压器的输出提供了一个振铃纹波，该纹波被缓冲电路抑制，缓冲电路是由与输出整流器并联的串联的低值电阻和电容器产生的。低值电阻为22R，低值电容为470pf，这两个元件R8和C5在直流输出部分创建缓冲电路。

过滤部分

过滤器部分使用LC配置创建。C为滤波电容C6。它是一个低ESR电容，具有更好的纹波抑制，值为100uF 16V，电感L1为3.3uH鼓芯电感。

反馈部分

输出电压由U1 TL431通过分压器检测。因此，每当分压器产生完美电压时，TL431打开一个opt耦合器，该耦合器是PC817，表示为OK1。

由于有两种可选电压操作3.3V和5V，因此使用三个电阻R3， R4和R5创建了两个分压器。R5是常见的所有两个分频器，但R3和R4是可变的使用跳线。在检测到线路U1后，光耦合器被控制，进一步触发TNY284DG，并与主侧控制器电隔离二次反馈检测部分。

在第一次上电期间，由于这是一个反激配置，驱动器打开开关并等待来自光耦合器的响应。如果一切正常，驱动程序继续切换，否则跳过切换周期，除非一切正常。

设计我们的SMPS PCB

一旦电路完成，你可以在一个完美的板上测试它，然后开始你的PCB设计。我们已经使用eagle来设计我们的PCB，你可以看看下面的布局图。您也可以从下面的链接下载设计文件。

正如你所看到的，32毫米的板尺寸是63毫米，这是一个体面的小尺寸。元器件放置在安全距离处，确保操作安全。我们PCB的顶部和底部如下图所示。它是一个双层PCB板，规划厚度为35um的铜。输出二极管和驱动IC需要特殊的散热考虑。此外，在二次侧通过拼接完成更好的地面连接。

您还可以注意到，很少有SMD组件被放置在板的背面，以保持模块尺寸在一个小尺寸。如果您正在设计SMPS PCB，您必须遵循的设计注意事项很少，请查看这篇关于SMPS PCB设计布局指南的文章以了解更多信息。

用于12v1a SMPS电路的PCB制作

现在我们了解了原理图是如何工作的，我们可以继续为我们的SMPS构建PCB。由于这是一个SMPS电路，建议使用PCB，因为它可以处理噪声和隔离问题。上述电路的PCB布局也可从链接下载。

现在我们的设计已经准备好了，是时候使用Gerber文件制作它们了。要从PCBGOGO获得PCB很容易，只需遵循以下步骤即可

步骤1：登录，如果是第一次，就注册。然后在PCB Prototype选项卡中，输入PCB的尺寸，层数和所需PCB的数量。假设PCB为80cm×80cm，您可以如下所示设置尺寸。

步骤2：点击Quote Now按钮继续。你将被带到一个页面，在那里设置一些额外的参数，如果需要，如材料使用轨道间距等。但大多数情况下，默认值可以正常工作。我们唯一要考虑的是价格和时间。正如你所看到的，构建时间只有2-3天，我们的PCB只需要5美元。然后，您可以根据您的需求选择首选的运输方式。

步骤3：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保付款过程顺利进行，PCBGOGO会在付款前验证您的Gerber文件是否有效。这样，您可以确保您的PCB是制造友好的，并将达到您的承诺。

组装PCB

电路板订购后，几天后，它通过快递送到了我手中，装在一个标签整齐、包装良好的盒子里，和往常一样，PCB的质量非常好。我收到的PCB如下所示正如您所看到的，顶层和底层的结果都如预期的那样。

过孔和衬垫的尺寸都很合适。我花了大约15分钟组装到PCB板到工作电路。组装板如下所示。

测试5V/3.3V SMPS电路

组件和测试基础设施由Iquesters Solutions提供。但是，变压器是手工制作的，您也可以构建自己的SMPS变压器。这里为了测试的目的，变压器是为1A制造的。可以根据给定的变压器规格使用1.5A变压器的适当匝数比。当组装完成时，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为其供电，并使用电子直流负载来调整输出电流。下图显示了我的旧可调直流负载设置连接到我们的SMPS板。您可以选择任何负载进行测试，但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。

如下图所示，我通过改变跳线引脚测试了5V和3.3V的SMPS电路。输出电流测试为高达850mA，但您也可以根据您的变压器设计达到1.5A。

本文编译自circuitdigest