Thiết kế mạch nguồn 5V – 3.3V : Một cách thô sơ để cấp nguồn cho các mạch DC của bạn với nguồn AC là sử dụng một biến áp hạ áp để giảm điện áp nguồn 230V và thêm một vài điốt làm bộ chỉnh lưu cầu . Nhưng do kích thước không gian khổng lồ và những nhược điểm khác, nó không thể được sử dụng cho mọi mục đích. Một cách phổ biến và chuyên nghiệp khác là sử dụng mạch nguồn swicth để chuyển đổi nguồn điện AC của bạn thành một loạt điện áp DC theo yêu cầu, hầu hết mọi thiết bị điện tử tiêu dùng từ bộ chuyển đổi 12V thông thường đến Bộ sạc máy tính xách tay đều có mạch SMPS để cung cấp DC cần thiết Công suất ra.
Chúng tôi đã xây dựng một số mạch SMPS phổ biến cho các xếp hạng khác nhau, cụ thể là mạch 12V 1A Viper 22A SMPS , 5V 2A SMPS và mạch 12V 1A SMPS, mỗi mạch có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Lần này, chúng tôi sẽ xây dựng một SMPS có thể được sử dụng cho các mục đích chung và có hình dạng mô-đun đơn giản để sử dụng trong các tình huống liên quan đến không gian. Ngày nay, Internet of Things sử dụng nhiều bộ xử lý dựa trên wifi khác nhau như NodeMCU, ESP32 và ESP12E, v.v. hoạt động trên 5V hoặc 3.3V. Các mô-đun này rất nhỏ gọn và do đó để cung cấp năng lượng cho các bảng này, sẽ rất hợp lý khi sử dụng các mạch SMPS nhỏ hơn có thể đi trên cùng một bảng, thay vì sử dụng một mạch SMPS riêng biệt. Do đó, trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách xây dựng một mạch SMPS có thể xuất ra 5V hoặc 3.3V (có thể cấu hình phần cứng bằng jumper).
Đánh giá của SMPS là 5V hoặc 3.3V 1.5A vì hầu hết các bord phát triển sử dụng điện áp mức logic 5V hoặc 3.3V và 1.5A nên đủ tốt cho hầu hết các ứng dụng dựa trên IoT. Nhưng lưu ý rằng SMPS này không có bất kỳ bộ lọc nào trong phần đầu vào để giảm kích thước và chi phí. Do đó, SMPS này chỉ có thể được sử dụng để cấp nguồn cho bo mạch vi điều khiển hoặc mục đích sạc.
Cảnh báo : Làm việc với mạch SMPS có thể nguy hiểm vì nó liên quan đến điện áp nguồn AC có khả năng gây chết người. Đừng cố tạo điều này nếu bạn không có kinh nghiệm làm việc với nguồn điện AC. Luôn thận trọng với dây dẫn điện và tụ điện tích điện, sử dụng các công cụ bảo vệ và giám sát nếu cần. Bạn đã được cảnh báo!!
Thông số kỹ thuật bo mạch 5V / 3.3V SMPS
SMPS sẽ có các thông số kỹ thuật sau.
- Đầu vào 85VAC đến 230VAC.
- Đầu ra 2A có thể lựa chọn 5V hoặc 3.3V.
- Kết cấu khung mở
- Ngắn mạch và bảo vệ quá áp
- Kích thước nhỏ với các tính năng chi phí thấp.
Vật liệu cần thiết cho mạch SMPS (BOM) Thiết kế mạch nguồn 5V – 3.3V
- Cầu chì 1A 250VAC
- Cầu diode DB107
- 10uF / 400V
- Diode P6KE
- UF4007
- 2Meg – 2 chiếc – 0805
- 2.2nF 250VAC
- TNY284DG
- Gói 10uF / 16V – 0805
- PC817
- 1k – 0805
- 22R – 2 cái – 0805
- 100 nF – 0805
- TL431
- SR360
- 470pF 100V – 0805
- 1000uF 16V
- 3.3uH – Lõi trống
- 2.2nF 250VAC
Lưu ý : Tất cả các bộ phận đã được lựa chọn để dễ dàng cung cấp cho các nhà thiết kế. Biến áp SMPS phải được xây dựng tùy chỉnh bằng cách sử dụng biểu dữ liệu này . Bạn có thể sử dụng một nhà cung cấp để chế tạo một hoặc thiết kế và cuộn biến áp SMPS của bạn bằng cách sử dụng liên kết.
SMPS này được thiết kế sử dụng IC tích hợp nguồn TNY284DG . SMPS Diver IC là phù hợp nhất cho điều này SMPS như IC có sẵn trong gói SMD cũng như công suất phù hợp cho mục đích này. Hình ảnh dưới đây là thông số kỹ thuật công suất của TNY284DG.
Như chúng ta thấy, TNY284DG là lựa chọn hoàn hảo. Vì cấu trúc là một khung mở, nó sẽ phù hợp với công suất đầu ra là 8,5W. Có nghĩa là nó có thể dễ dàng cung cấp 1.5A ở 5V.
Sơ đồ mạch 5V / 3.3V SMPS
Việc xây dựng SMPS này khá đơn giản và dễ hiểu. Thiết kế này sử dụng chipset Tích hợp nguồn làm IC điều khiển SMPS. Sơ đồ của mạch có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây.
Xây dựng và làm việc thiết kế mạch nguồn 5V – 3.3V
Trước khi đi thẳng vào xây dựng phần nguyên mẫu, chúng ta hãy khám phá hoạt động của mạch. Mạch có các phần sau-
- Bảo vệ đầu vào
- Chuyển đổi AC-DC
- Mạch trình điều khiển hoặc mạch chuyển mạch
- Bảo vệ khóa điện áp thấp.
- Mạch kẹp
- Từ tính và cách ly điện
- Lọc EMI
- Bộ chỉnh lưu thứ cấp và mạch snubber
- Bộ lọc Phần
- Phần phản hồi.
Bảo vệ đầu vào
F1 là cầu chì slow bow sẽ bảo vệ SMPS khỏi các điều kiện tải cao và lỗi. Phần đầu vào SMPS không sử dụng bất kỳ cân nhắc nào về bộ lọc EMI. Đây là cầu chì thổi chậm 1A 250VAC và sẽ bảo vệ SMPS trong các điều kiện lỗi. Tuy nhiên, cầu chì này có thể được thay đổi thành cầu chì thủy tinh. Bạn cũng có thể xem thêm bài viết về các loại cầu chì .
Cầu chì thổi chậm (slow bow) là loại cầu chì có thể xử lý dòng điện tăng tạm thời vượt quá định mức hiện tại của cầu chì. … Cầu chì thổi chậm chỉ nổ khi nó nhận được dòng điện duy trì tăng vọt trong một khoảng thời gian, chẳng hạn như đoản mạch.
Chuyển đổi AC-DC Thiết kế mạch nguồn 5V – 3.3V
B1 là chỉnh lưu cầu diode. Đây là DB107 , một cầu diode 1A 700V. Điều này sẽ chuyển đổi đầu vào AC thành điện áp DC. Ngoài ra, tụ điện 10uF 400V sẽ rất cần thiết để chỉnh lưu gợn sóng DC và nó sẽ cung cấp đầu ra DC thông suốt cho mạch trình điều khiển cũng như Biến áp.
Trình điều khiển hoặc Mạch chuyển mạch
Nó là thành phần chính của SMPS này. Phía sơ cấp của máy biến áp được điều khiển thích hợp bởi mạch chuyển đổi TNY284DG. Tần số chuyển mạch là 120-132 kHz. Do tần số chuyển mạch cao này, có thể sử dụng các máy biến áp nhỏ hơn.
Sơ đồ sơ đồ chân trên hiển thị sơ đồ chân TNY284DG. Trình điều khiển chuyển mạch IC1 là TNY284DG sử dụng C2 một tụ điện 10uF 16V. Tụ điện này cung cấp một đầu ra DC mượt mà cho mạch bên trong của TNY284DG.
Khóa điện áp thấp.
Bảo vệ khóa điện áp thấp được thực hiện bởi điện trở shunt R1 và R2. Nó được sử dụng khi SMPS chuyển sang chế độ tự động khởi động lại và nhận biết điện áp đường dây. Điện trở này phát hiện xem điện áp AC đầu vào có nằm trong phạm vi hay không.
Mạch kẹp
Máy biến áp hoạt động như một cuộn cảm cực lớn. Do đó, trong mỗi chu kỳ đóng cắt, máy biến áp tạo ra điện áp cao do cuộn cảm rò của máy biến áp. Diode Zener D1 là diode P6KE160 , kẹp mạch điện áp đầu ra và D2 là UF4007 , một diode Ultra-Fast chặn các xung điện áp cao này và làm ẩm nó đến giá trị an toàn, điều này có lợi để tiết kiệm chân DRAIN của TNY284DG .
Magnetics và Galvanic Isolation
Máy biến áp là sắt từ và nó không chỉ chuyển đổi điện áp cao AC thành điện áp thấp xoay chiều mà còn cung cấp cách ly điện. Máy biến áp là Máy biến áp EE16. Thông số kỹ thuật máy biến áp chi tiết có thể được xem trong bảng dữ liệu máy biến áp đã được chia sẻ trước đó trong phần vật liệu yêu cầu.
Bộ lọc EMI
Lọc EMI được thực hiện bởi tụ điện C3. Tụ C3 là tụ điện 2.2nF 250VAC điện áp cao, giúp tăng khả năng miễn nhiễm của mạch và giảm nhiễu EMI cao.
Bộ chỉnh lưu thứ cấp và mạch Snubber
Đầu ra từ máy biến áp được chỉnh lưu bằng cách sử dụng điốt Schottky SR360. Đây là một Diode 60V 3A. Diode Schottky D3 này cung cấp đầu ra DC từ máy biến áp được chỉnh lưu thêm bởi tụ điện C6 lớn 1000uF 16V.
Đầu ra của máy biến áp cung cấp một gợn sóng bị triệt tiêu bởi mạch snubber được tạo ra bởi điện trở giá trị thấp và tụ điện mắc nối tiếp song song với bộ chỉnh lưu đầu ra. Điện trở có giá trị thấp là 22R và tụ điện có giá trị thấp là 470 pF. Hai thành phần R8 và C5 này tạo ra mạch snubber ở phần ngõ ra DC.
Bộ lọc LC
Phần bộ lọc được tạo bằng cấu hình LC. C là tụ lọc C6. Nó là một tụ điện ESR Thấp để loại bỏ gợn sóng tốt hơn với giá trị 100uF 16V và cuộn cảm L1 là cuộn cảm lõi trống 3,3uH.
Phần phản hồi
Điện áp đầu ra được cảm nhận bởi U1 TL431 bằng một bộ chia điện áp. Do đó, bất cứ khi nào bộ chia điện áp tạo ra điện áp hoàn hảo, TL431 sẽ bật một bộ ghép lựa chọn là PC817 , được ký hiệu là OK1.
Vì có hai hoạt động điện áp có thể lựa chọn 3,3V và 5V, có hai bộ phân áp được tạo ra bằng cách sử dụng ba điện trở R3, R4 và R5. R5 là chung cho tất cả hai bộ chia nhưng R3 và R4 có thể thay đổi bằng cách sử dụng một jumper. Sau khi cảm nhận dòng, U1, bộ ghép quang được điều khiển để tiếp tục kích hoạt TNY284DG và cách ly phần điện tử cảm nhận phản hồi thứ cấp với bộ điều khiển phía chính.
Trong lần khởi động đầu tiên, vì đây là cấu hình flyback, trình điều khiển bật chuyển đổi và chờ phản hồi từ optocoupler. Nếu mọi thứ bình thường, trình điều khiển tiếp tục chuyển đổi, nếu không thì bỏ qua các chu kỳ chuyển đổi trừ khi mọi thứ trở nên bình thường.
Thiết kế PCB SMPS
Khi mạch được hoàn thiện, bạn có thể kiểm tra nó trên một bo mạch hoàn thiện và sau đó bắt đầu với thiết kế PCB của bạn. Chúng tôi đã sử dụng đại bàng để thiết kế PCB của mình, bạn có thể xem hình ảnh bố cục bên dưới. Bạn cũng có thể tải xuống các tập tin thiết kế từ liên kết bên dưới.
Như bạn có thể thấy kích thước bảng là 63mm cho 32mm, đó là một kích thước nhỏ. Các thành phần được đặt ở một khoảng cách an toàn để đảm bảo hoạt động an toàn. Mặt trên và mặt dưới của PCB của chúng tôi được hiển thị trong hình ảnh dưới đây. Nó là một bảng PCB hai lớp với độ dày dự kiến là 35um đồng. Diode đầu ra và IC điều khiển cần được xem xét nhiệt đặc biệt cho các mục đích liên quan đến tản nhiệt. Ngoài ra, ở mặt thứ cấp thông qua đường khâu được thực hiện để kết nối mặt đất tốt hơn.
