組み込みおよびIoTプロジェクト用に独自のコンパクトな5v / 3.3vsmps回路を設計する

AC主電源でDC回路に電力を供給する大まかな方法​​は、230V主電源電圧を降圧し、ブリッジ整流器として2つのダイオードを追加するために降圧トランスを使用することです。ただし、スペースが大きいなどの欠点があるため、すべての目的に使用できるわけではありません。もう1つの最も一般的で専門的な方法は、スイッチモード電源回路を使用してACメインを必要に応じて広範囲のDC電圧に変換することです。通常の12Vアダプターからラップトップ充電器まで、ほぼすべての家電製品に必要なDCを提供するSMPS回路があります出力電力。

サーキットダイジェストでは、すでにいくつかの人気のあるSMPS回路を構築していますさまざまな定格、つまり12V 1A Viper 22A SMPS、5V 2A SMPS、および12V 1A SMPS回路用で、それぞれさまざまなアプリケーションに使用できます。今回は、一般的な用途に使用でき、宇宙関連の状況で使用できるシンプルなモジュール形状のSMPSを構築します。現在、モノのインターネットは、5Vまたは3.3Vで動作するNodeMCU、ESP32、ESP12Eなどのさまざまなwifiベースのプロセッサを使用しています。これらのモジュールは非常にコンパクトであるため、これらのボードに電力を供給するために、別個のSMPS回路を使用する代わりに、同じボード上に配置できるより小さなSMPS回路を使用することは理にかなっています。したがって、この記事では、5Vまたは3.3V（ジャンパーを使用して構成可能なハードウェア）を出力できるSMPS回路を構築する方法を学習します。回路設計とPCBレイアウトも提供されるため、これを既存の設計に簡単に移植できます。ここで私たちのPCBボードは、中国を拠点とする低コストで高品質のPCBプロトタイプおよびPCBアセンブリサービス会社であるPCBGoGoによって製造されています。

ほとんどの開発ボードは5Vまたは3.3Vのロジックレベル電圧を使用するため、SMPSの定格は5Vまたは3.3V 1.5Aであり、ほとんどのIoTベースのアプリケーションには1.5Aで十分です。ただし、このSMPSには、サイズとコストを削減するためのフィルターが入力セクションにないことに注意してください。したがって、このSMPSは、マイクロコントローラーボードへの電力供給または充電目的でのみ使用できます。操作中は、ユーザーの手の届かないところにあることを確認してください。

警告：SMPS回路での作業は、致命的となる可能性のあるAC主電源電圧を伴うため危険な場合があります。AC電源の使用経験がない場合は、これを構築しようとしないでください。活線と充電されたコンデンサには常に注意を払い、必要に応じて保護ツールと監視を使用してください。あなたは警告されました！

5V / 3.3VSMPSボードの仕様

SMPSの仕様は以下のとおりです。

1. 85VAC〜230VAC入力。
2. 5Vまたは3.3Vの選択可能な2A出力。
3. オープンフレーム構造
4. 短絡および過電圧保護
5. 低コストの機能を備えた小型サイズ。

SMPS回路（BOM）に必要な材料

1. ヒューズ1A250VACスローブロー
2. ダイオードブリッジDB107
3. 10uF / 400V
4. P6KEダイオード
5. UF4007
6. 2メガ– 2個–0805パッケージ
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V –0805パッケージ
10. PC817
11. 1k –0805パッケージ
12. 22R –2個-0805パッケージ
13. 100 nF –0805パッケージ
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V –0805パッケージ
17. 1000uF 16V
18. 3.3uH –ドラムコア
19. 2.2nF 250VAC

注：すべての部品は、設計者が簡単に利用できるように選択されています。SMPSトランスフォーマーは、このデータシートを使用してカスタムビルドする必要があります。ベンダーを使用して構築するか、リンクを使用してSMPSトランスを設計および巻線することができます。

このSMPSは、Power Integration ICTNY284DGを使用して設計されています。このSMPSダイバーICは、ICがSMDパッケージで提供されており、ワット数が目的に適しているため、このSMPSに最適です。下の画像は、TNY284DGのワット数仕様を示しています。

ご覧のとおり、TNY284DGは私たちのオプションに最適です。構造がオープンフレームであるため、8.5Wの出力ワット数に適合します。つまり、5Vで1.5Aを簡単に供給できます。

5V / 3.3VSMPS回路図

このSMPSの構築は非常にシンプルで簡単です。この設計では、PowerIntegrationチップセットをSMPSドライバICとして使用します。回路図は下の画像で見ることができます-

建設と作業

プロトタイプパーツの作成に取り掛かる前に、回路の動作について見ていきましょう。回路には次のセクションがあります-

1. 入力保護
2. AC-DC変換
3. ドライバ回路またはスイッチング回路
4. 低電圧ロックアウト保護。
5. クランプ回路
6. 磁気およびガルバニック絶縁
7. EMIフィルタリング
8. 二次整流器とスナバ回路
9. フィルターセクション
10. フィードバックセクション。

入力保護

F1は、SMPSを高負荷および障害状態から保護するスローブローヒューズです。SMPS入力セクションでは、EMIフィルターに関する考慮事項は使用されていません。これは1A250VACスローブローヒューズであり、障害状態でSMPSを保護します。ただし、このヒューズはガラスヒューズに変更できます。さまざまな種類のヒューズに関する記事もご覧ください。

AC-DC変換

B1はダイオードブリッジ整流器です。これはDB107、1A700Vダイオードブリッジです。これにより、AC入力がDC電圧に変換されます。さらに、10uF 400Vコンデンサは、DCリップルを整流するために不可欠であり、ドライバ回路とトランスにスムーズなDC出力を提供します。

ドライバー回路またはスイッチング回路

これは、このSMPSの主要コンポーネントです。トランスの一次側は、スイッチング回路TNY284DGによって適切に制御されます。スイッチング周波数は120〜132kHzです。この高いスイッチング周波数により、より小さなトランスを使用できます。

上のピン配置図は、TNY284DGのピン配置を示しています。TNY284DGであるスイッチングドライバIC1は、C2に10uFの16Vコンデンサを使用します。このコンデンサは、TNY284DGの内部回路にスムーズなDC出力を提供します。

低電圧ロックアウト保護

トランスは巨大なインダクタとして機能します。したがって、各スイッチングサイクルで、トランスはトランスの漏れインダクタによって高電圧スパイクを誘導します。P6KE160ダイオードであるツェナーダイオードD1は出力電圧回路をクランプし、D2はUF4007であり、超高速ダイオードはこの高電圧スパイクをブロックし、TNY284DGのDRAINピンを節約するのに有益な安全な値に減衰します。 。

磁気およびガルバニック絶縁

トランスは強磁性であり、高電圧ACを低電圧ACに変換するだけでなく、ガルバニック絶縁も提供します。トランスはEE16トランスです。詳細な変圧器の仕様は、必要な材料のセクションで以前に共有された変圧器のデータシートに記載されています。

EMIフィルター

EMIフィルタリングはC3コンデンサによって行われます。C3コンデンサは高電圧2.2nF250VACコンデンサであり、回路の耐性を高め、高EMI干渉を低減します。

二次整流器とスナバ回路

トランスからの出力は、ショットキーダイオードSR360を使用して整流されます。これは60V3Aダイオードです。このショットキーダイオードD3は、トランスからのDC出力を提供します。この出力は、大きな1000uF16VコンデンサC6によってさらに整流されます。

トランスの出力は、出力整流器と並列に接続された小さな値の抵抗とコンデンサによって生成されるスナバ回路によって抑制されるリンギングリップルを提供します。値の小さい抵抗は22Rで、値の小さいコンデンサは470pFです。これらの2つのコンポーネントR8とC5は、DC出力セクションにスナバ回路を作成します。

フィルターセクション

フィルタセクションは、LC構成を使用して作成されます。CはフィルタコンデンサC6です。これは、100uF 16Vの値でリップル除去を改善するための低ESRコンデンサであり、インダクタL1は3.3uHドラムコアインダクタです。

フィードバックセクション

出力電圧は、分圧器によってU1TL431によって検出されます。したがって、分圧器が完全な電圧を生成するときはいつでも、TL431はOK1として示されるPC817であるオプトカプラーをオンにします。

3.3Vと5Vの2つの選択可能な電圧動作があるため、3つの抵抗R3、R4、およびR5を使用して作成された2つの分圧器があります。R5は2つの仕切りすべてに共通ですが、R3とR4はジャンパーを使用して変更できます。ラインU1を検出した後、オプトカプラーが制御され、TNY284DGがさらにトリガーされ、2次フィードバック検出部分が1次側コントローラーで電気的に絶縁されます。

これはフライバック構成であるため、最初の電源投入時に、ドライバーはスイッチングをオンにして、オプトカプラーからの応答を待ちます。すべてが正常な場合、ドライバーは切り替えを続行します。それ以外の場合は、すべてが正常にならない限り、切り替えサイクルをスキップします。

SMPSPCBの設計

回路が完成したら、パフォーマンスボードでテストして、PCB設計から始めることができます。PCBの設計にはイーグルを使用しました。以下のレイアウト画像を確認してください。以下のリンクからデザインファイルをダウンロードすることもできます。

• 5V / 3.3VSMPS用のイーグル回路図とPCB設計

ご覧のとおり、ボードサイズは32mmで63mmで、かなり小さいサイズです。コンポーネントは安全な距離に配置され、安全な操作を保証します。PCBの上面と下面を下の画像に示します。これは、35umの銅の計画厚さを持つ2層PCBボードです。出力ダイオードとドライバICは、熱放散に関連する目的のために特別な熱的考慮が必要です。また、二次側では、アース接続を改善するためにステッチを介して行われます。

また、モジュールサイズを小さい寸法に保つために、ボードの裏側にSMDコンポーネントがほとんど配置されていないことにも気付くでしょう。SMPS PCBを設計する場合に従う必要のある設計上の考慮事項はほとんどありません。詳細については、SMPSPCB設計レイアウトガイドのこの記事を確認してください。

12v 1ASMPS回路用のPCBの製造

回路図がどのように機能するかを理解したので、SMPS用のPCBの構築に進むことができます。これはSMPS回路であるため、ノイズと絶縁の問題に対処できるPCBをお勧めします。上記の回路のPCBレイアウトは、リンクからGerberとしてダウンロードすることもできます。

• 5V / 3.3VSMPS回路のガーバーファイルをダウンロード

これで設計の準備が整いました。ガーバーファイルを使用して設計を行うときが来ました。PCBGOGOからPCBを完成させるのは非常に簡単で、以下の手順に従ってください-

ステップ1： www.pcbgogo.comにアクセスし、初めての場合はサインアップします。次に、[PCBプロトタイプ]タブで、PCBの寸法、層の数、および必要なPCBの数を入力します。PCBを80cm×80cmとすると、以下のように寸法を設定できます。

ステップ2： [ 今すぐ見積もり ]ボタンをクリックして 続行し ます。必要に応じて、使用するトラック間隔など、いくつかの追加パラメータを設定するページが表示されます。ただし、ほとんどの場合、デフォルト値で問題なく機能します。ここで考慮しなければならないのは、価格と時間だけです。ご覧のとおり、ビルド時間はわずか2〜3日で、PCBのコストはわずか5ドルです。その後、要件に基づいて希望の配送方法を選択できます。

ステップ3： 最後のステップは、ガーバーファイルをアップロードして支払いを続行することです。プロセスがスムーズであることを確認するために、PCBGOGOは、支払いを続行する前に、ガーバーファイルが有効かどうかを確認します。このようにして、PCBが製造に適していて、コミットされたとおりに到達することを確認できます。

PCBの組み立て

ボードが注文された後、それはきちんとラベル付けされたよく詰められた箱の中で宅配便を通して数日後に私に届きました、そしていつものようにPCBの品質は素晴らしかったです。私が受け取ったPCBを以下に示します。ご覧のとおり、上層と下層の両方が期待どおりになっています。

ビアとパッドはすべて適切なサイズでした。PCBボードを動作回路に組み立てるのに約15分かかりました。組み立てたボードを以下に示します。

5V / 3.3VSMPS回路のテスト

コンポーネントとテストインフラストラクチャは、IquestersSolutionsによって提供されました。ただし、トランスフォーマーは手作りであるため、独自のSMPSトランスフォーマーを構築することもできます。ここではテスト目的で、トランスは1A用に作られています。与えられたトランスの仕様に従って、1.5Aトランスに適切な巻数比を使用できます。組み立てが完了すると、SMPSボードは次のようになります。

ここで、SMPSボードをテストするために、Variacを使用して電源を投入し、電子DC負荷を使用して出力電流を調整します。以下の画像は、SMPSボードに接続された古い調整可能なDC負荷のセットアップを示しています。任意の負荷でテストできますが、調整可能なDC負荷を使用すると、電源ボードを評価するのに役立ちます。このリンクをたどることで、独自のArduinoベースの調整可能な電子DC負荷を簡単に構築することもできます。

下の画像でわかるように、ジャンパーピンを変更してSMPS回路を5Vと3.3Vの両方でテストしました。出力電流は最大850mAでテストされましたが、トランスの設計に基づいて1.5Aまで上げることもできます。

テストと構築の詳細については、以下のビデオリンクをご覧ください。この記事を楽しんで、何か役立つことを学んだことを願っています。ご不明な点がございましたら、下のコメントセクションに残すか、フォーラムをご利用ください。