用于空间约束应用的紧凑型3.3V/1.5A开关电源电路的设计与构建

开关电源（SMPS）是一个有趣的组件，它在一两英寸的空间内使用紧凑的设计，并且可以很容易地焊接在PCB中。这是电子行业的一块热门蛋糕，有很多公司生产这种东西。如果我们能建立一个标准，那该有多好开关电源电路它可以安装在有限的空间内，并且可以是基于物联网的应用程序以及不同的微控制器项目的一部分。

在这个项目中，我们将建立3.3V、1.5A的紧凑型电源达到目的的额定功率。为了在PCB上构建这种SMPS电路，我们从PCB通道在本教程中，我们已经对其进行了组装和测试。请记住，这不是一个商用的，并且在输入中没有适当的保护。此外，由于我们需要将其用于日常爱好项目，SMPS的大小也至关重要。它不包括任何浪涌和保险丝保护，这是工业SMPS中的必备品。如果您想添加此项，请单独使用保护措施。此前，我们还建立了12V 15W开关电源电路使用PCB，所以对如何为PSU项目（电源单元）设计PCB感兴趣的人也可以检查一下。

3.3V 1.5A开关电源电路——设计规范

开关电源将具有以下规格。

1. 185VAC-230VAC输入
2. 3.3V至1.5A输出。
3. 开放式框架结构
4. 短路保护
5. 体积小，具有低成本功能

该开关电源是使用功率集成IC设计的TNY284DG吨选择它是因为SMD封装尺寸小，并且当使用230VAC作为输入时，它支持高达11瓦的功率。由于我们使用的是额定电压为3.3V和1.5A的SMPS，因此我们的功率为4.95瓦，很好地位于11瓦的峰值或开帧功率范围内。

下表显示了TNY284DG的功率规格。

正如我们所看到的，TNY284DG非常适合我们的选择，并且由于我们的SMPS的结构是开放式框架，因此它将与输出功率相匹配。如果你想了解更多关于这个IC的信息。请查看TNY284DG IC数据表。

构建3.3V/1.5A物联网SMPS电路所需的组件

组件列表非常简单，您可以在当地的爱好商店中找到大部分组件。你在当地商店里找不到的一个不寻常的部分是反激变压器，你需要自己制作。

1. 二极管桥ABS8-SMD
2. 22uF/400V
3. SMBJ160A至SMD
4. UF1JB-SMD
5. 2毫克–2个–0805包装
6. 0.068nF 250伏交流电
7. TNY284DG吨
8. 0.1uF/50V–2件-0805封装
9. 第817页
10. 1k–0805包装
11. 16R–1件-0805包装
12. 680 pF–50V–0805封装
13. TL431型
14. 不锈钢34a-不锈钢
15. 680pF 50V–0805封装
16. 3300uF 16伏
17. 3.3uH–鼓芯
18. 2.2纳法250VAC
19. 2公里–0805
20. 6.1k至0805
21. 10R NTC（浪涌限流器）–10D-9

紧凑型3.3V/1.5A开关电源电路-示意图

这种SMPS的结构遵循基本的反激结构。此设计使用电源集成芯片组作为SMPS驱动IC。电路的示意图可以在下面给出的图像中看到。

3.3V/1.5A开关电源电路的结构与工作

在直接构建原型部件之前，让我们先探讨一下电路操作。

电路有以下部分。

1. 交直流转换
2. 驱动器电路或开关电路
3. 欠压锁定保护。
4. 箝位电路
5. 磁性和电流隔离
6. EMI滤波
7. 次级整流器和缓冲电路
8. 过滤器部分
9. 反馈部分

交直流转换：

B1是二极管桥式整流器。这是一个ABS8整流器，一个1A 800V二极管桥，用于转换交流电（AC）输入到高压DC。众所周知，在从AC整流为DC之后，我们需要一个大容量电容器来整流DC纹波，它将为驱动器电路提供平滑的DC输出，22uF 400V电容器C1充当相同的滤波电容器，它将向驱动器电路和变压器提供滤波的DC输出。

驱动器电路或开关电路：

它是这种开关电源的主要部件。变压器的初级侧由开关电路TNY284DG适当控制。开关频率为128-132Khz，而默认频率为132Khz。由于这种高开关频率，可以使用较小的变压器。

上述引脚图显示了TNY284DG引脚。漏极引脚是切换变压器的引脚。漏极引脚开关波形如下图所示。

开关驱动器IC1是TNY284DG，需要一个旁路电容器，用于内部产生的5.85V使用C2一个0.1uF 16V电容器。TNY284DG需要完美运行，而该电容器对运行至关重要。

欠压闭锁保护：

欠电压锁定是在低电压检测期间关闭SMPS的特征。在这种情况下，该输入电压是使用感测电阻器R1和R2来完成的。如果输入电压低于所需的工作电压，SMPS将进入自动重启模式，直到电压稳定。

箝位电路：

电感器会产生高EMF电压，这对驱动器IC来说是危险的，并可能损坏设备。在这里，变压器就像一个巨大的电感器。因此，在每个开关周期中，由于变压器的漏电感齐纳二极管VR1是SMBJ160A二极管，用于箝位输出电压，D5是UF1JB，是超快二极管，用于阻挡这种高电压尖峰并将其阻尼到安全值。在这个过程中，TNY284DG的排水管脚不会被高感应电压损坏。

磁性和电流隔离：

变压器由铁磁性材料。它不仅将高电压AC转换为低电压AC，而且还提供电流隔离，出于安全原因，电流隔离很重要，因此，低压电路与高压AC或DC输入隔离。

变压器由EE13变压器铁芯制成。详细的变压器规格如下所示。由于变压器尺寸较小，因此使用了EE13。

变压器规格 

EMI滤波器：

EMI滤波由C3电容器完成。C3电容器是一个高电压0.068nF 250VAC电容器，它增加了电路抗扰度并减少了高EMI干扰。

次级整流器和缓冲电路：

由于开关，变压器的输出也是交流电，需要使用肖特基二极管在这种情况下，我们使用SMA封装中可用的SS34A肖特基二极管。这是一个40V 3A肖特基二极管。由于输出电流为1.5A，因此最好选择至少两倍的额定电流，因此3A非常适合此应用。该肖特基二极管D6提供来自变压器的DC输出，该DC输出由大的1500uF 10V电容器C6进一步整流。

变压器的输出提供了由缓冲电路其由与输出整流器并联的串联连接的低值电阻器和电容器产生。这是需要的，原因与变压器的输入被箝位的原因相同。振铃纹波可能会变得过高，从而导致输出二极管失效。该缓冲电路由低值电阻器16R和低值电容器680pF组成。这两个部件R3和C5在DC输出部分中创建缓冲电路。

过滤器部分：

过滤器部分是使用LC滤波器配置它将提高纹波抑制的稳定性，这对关键应用至关重要。C是滤波电容器C7。最好使用低ESR电容器来更好地抑制纹波，其值为100uF 16V，并且电感器L1是3.3uH鼓芯电感器。

反馈部分：

反馈部分由三部分组成——分压器、TL431和光耦。当驱动器IC第一次导通时，它开始第一个开关周期，该周期反映在输出中。分流调节器TL431使用分压器来感测这一点。TL431的参考感测电压为2.495V。如果它感测到电压，它会打开光耦，光耦会将此数据提供给TNY284DG。所有开关周期都会发生这种情况，如果发生了什么事情，这个反馈回路就会断开，驱动器IC就会进入自动重启模式。这里，TL431是U3，而光耦合器是U2，PC817。对于3.3V输出电压，使用两个电阻器R6和R7.U2来创建分压器。光耦合器进一步将次级反馈感测部分与初级侧控制器电隔离。分压器使用2k电阻器用于R6，6.1k电阻器用于R7。当输出电压为3.3V时，该分压器将在TL431两端提供2.495V。

3.3V/1.5A紧凑型物联网开关电源的PCB设计

SMPS是用鹰设计的，它太小了，4.5厘米x 25厘米。

顶面：

上面的图片显示了顶部。它是一块双层PCB板，计划厚度为70微米的铜。由于制作铜基散热片的尺寸小且位置有限，因此需要高厚度。输出二极管和驱动器IC出于散热相关目的需要特殊的热考虑。

此外，在次级侧，通过缝合实现了更好的地面连接。

底部：

SMD元件也被放置在板的背面，以保持模块的尺寸较小。

从PCBWay订购PCB

完成设计后，您可以继续订购PCB：

步骤1：去https://www.pcbway.com/，如果这是你第一次，请注册。然后，在PCB原型选项卡中，输入PCB的尺寸、层数和所需的PCB数量。

第2步：单击“立即报价”按钮继续操作。您将进入一个页面，在那里您需要设置一些额外的参数，如Board type、Layers、Material for PCB、Thickness等。大多数参数都是默认选择的，但如果您选择特定的参数，可以在此处进行选择。

步骤3：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保流程顺利，PCBWAY在继续付款之前验证您的Gerber文件是否有效。通过这种方式，您可以确保您的PCB是制造友好的，并且您将收到承诺。

组装我们的3.3V 1.5A SMPS板

几天后，我们收到了包装整齐的PCB，PCB质量一如既往。板的顶层和底层如下所示：

在确保轨迹和足迹正确无误后，我开始组装PCB。图中显示了完全焊接的电路板的外观。

正如您所看到的，所有部件都已正确焊接。你可能会发现很难从货架上买到合适的变压器和电感器，所以最好联系定制制造商。变压器的规格表已经在上面讨论过了。

如果你还没有准备好与定制制造商接洽，你也可以自己制作变压器。在我们之前的一篇文章中，我们向您展示了如何为开关电源设计自己的斩波变压器，如果您感兴趣，可以查看一下，并使用共享的specsheet构建转换器。

输入电压和输出电压测试

SMPS板现在已经准备好进行测试，我使用自动变压器来改变输入交流电压，并使用万用表来测量SMPS电路的输入和输出电压。

正如你所看到的，输出电压是3.29V，接近我们想要的3.3V。我还将输入交流电压从90V改变到240V，发现输出电压恒定在3.3V。

您可以查看此页面底部的视频以进行完整的测试。

3.3V 1.5A开关电源-负载测试

我们使用可调直流负载机来加载SMPS板，看看不同电流消耗下的输出电压是如何保持的。这基于Arduino的可调直流负载机也是我们以前建造的，如果你感兴趣，可以去看看。测试设置如下所示。

钳形表用于测量SMPS的输出电流，万用表用于测量开关电源的输出电压。正如你所看到的，即使在不同的电流值下，输出电压也几乎保持在3.3V。

我能够测试高达1.3A的电流，输出电压没有下降到3.28V以下，这很好。您可以在下面链接的视频中查看完整的测试过程。

使用我们的SMPS板为NodeMCU和其他微控制器供电

我无法检查这块板上的波纹或噪音，但我确实尝试为各种微控制器模块供电，如下图所示的ESP8266。

该模块工作起来没有任何问题，我相信当你为你的物联网设备制作自己的定制电源时，这种设计会很有用。希望这个教程很有趣，你学到了一些有用的东西。完整的工作也可以在下面链接的视频中找到。

如果你有任何问题，你可以在下面的评论区发表，或者使用我们的技术论坛开始讨论。