智能插頭參考設計 - 帶有 ESP8266 的 MP161 非隔離式降壓穩(wěn)壓器
1.1 說明
如今，一切都是相連的。那么為什么不也連接墻上的插頭呢？MPS 展示了帶有 MP161 部件的參考設計，可讓客戶加入物聯(lián)網市場。這是一個兩板的產品，一個用于DC/DC轉換器和繼電器，另一個用于Wi-Fi模塊。該配置設計用于插入墻上插頭。
1.2 特點
· 集成IC供電方案（12V + 3V3 + Relay Driver）
· Wi-Fi 802.11 b/g/n (HT20) 協(xié)議
· 35.4 mW 待機操作下的有功輸入功率
1.3 應用
物聯(lián)網非隔離設計
參考設計
2.1 框圖
圖 1：框圖
2.2 相關解決方案
此參考設計基于以下 MPS 解決方案：
| MPS集成電路 | 描述 |
|---|---|
| MP161B-33 | 高壓降壓穩(wěn)壓器 |
2.3 系統(tǒng)規(guī)格
| 范圍 | 規(guī)格 |
|---|---|
| 輸入電壓范圍 | 90 V 至 265 V 交流電 |
| 輸出電壓 | 12 V ± 1.5% 直流 |
| 額定負載 | 12 V / 17.5mA、3.3V /（T1 為 70 mA – T2 為 250 mA） |
| 峰值輸出電流 | 270 mA（12V 輸出時） |
| LDO 輸出電壓 | 3.3 ±1.5% V |
| LDO 輸出電流 | 70 – 250 毫安 |
| 開關頻率 | 40 kHz（在標稱條件下） |
| 電路板外形 | 50 x 50 x 30 毫米 |
| 效率 | > 90% |
| 12V 輸出紋波 | 17 mV（標稱條件下） |
| 無線協(xié)議 | 基于 802.11 b/g/n (HT20) ESP8266 |
2.4 MP161：集成非隔離降壓穩(wěn)壓器
MP161 集成了一個 700V 開關穩(wěn)壓器、一個低壓差線性穩(wěn)壓器和兩個通道繼電器驅動器。MP161 還具有特殊的待機模式，可將待機功耗降至最低。MP161 專為家庭自動化、工業(yè)自動化以及采用繼電器和 MCU 的任何其他應用而設計。
特征
· 集成 700V MosFET 和電流源
· 具有內部環(huán)路補償的恒壓調節(jié)
· 通過頻率調制優(yōu)化輕載效率
· 待機模式
· 通過峰值電流調制進行抗可聽噪聲操作
· 可調或固定 12V 輸出
· 低工作電流
· 過溫保護 (OTP)、短路保護 (SCP)、過載保護 (OLP) 和過壓保護 (OVP)
繼電器驅動器
· 2 Ω 導通電阻
· 軌電壓高達 30V
· 集成續(xù)流二極管
· 標稱關閉驅動器
低壓降 (LDO) 線性穩(wěn)壓器
· 高達 30V 的輸入電壓
· 固定輸出，有 3V3 和 5V 選項
· 過溫保護 (OTP)
圖 2：MP161 的內部框圖
3 設計
3.1.1 電感選擇
MP161 的最短關斷時間為 9.5 或 12 us，具體取決于 IC 變體 A 或 B/C，這決定了最大輸出功率。與 eq。1 我們可以估計連續(xù)導通模式 (CCM) 下的過載點 (OLP)
考慮到容差，使用 1 mH 電感器我們可以保證 3.3W 的輸出功率。
Pomax=Vo(ILlimit?Voτminoff2L)
3.1.2 輸出電容
我們選擇輸出電容器以滿足紋波要求。在這種情況下是 150mV。
使用 eq.2，我們可以估計 CCM 下的電壓紋波：33 mV，100uF
Voutripple=Δi8fsCo+ΔiRESR
3.2 Wi-Fi模塊消耗
Wi-Fi 模塊消耗如下圖所示。該周期性負載曲線將被視為標稱負載條件（表 1）。其中：T1 為 97 ms，T2 為 1.5 ms，T 為 T1+T2。
圖 3：框圖
3.3 原理圖
該板分為兩個原理圖文件，以便將功率級（圖 4）和通信（圖 5）分開。
圖 4：功率級（整流器 + DC/DC）
圖 5：Wi-Fi 模塊
3.5 PCB 布局
為了提供緊湊的解決方案，我們將系統(tǒng)分為不同的板，一個用于功率級（圖 4），另一個用于 Wi-Fi 模塊（圖 5）。一旦路由我們擁有的此類解決方案，應考慮這些主題：
· 即使這是一個非隔離的高壓轉換器，也不意味著我們不必關心走線之間的距離。我們在這塊板上有交流電（90-265 Vac），所以建議在 L 和 N 之間留出 2.5mm，在高電壓和低電壓之間留出 1.2mm。
· 我們在電源回路中有高 dV/dt 電壓節(jié)點和高 dI/dt 電流，因此必須使用去耦電容器。
圖 6：PCB 電源底層（藍色）和頂層（紅色）
圖 7：PCB ESP8266 底層（藍色）和頂層（紅色）
4 測試結果
4.1 時域波形
圖 8：輸入電流和電壓。（額定負載）
圖 9：二極管正負極電壓。（Vin 265Vac，Vo 12V，Io 270mA（SW 圖 1））
圖 10：輸出電壓和 LDO。（額定負載）
4.3.1 輸入端口：Live (L)
圖 17：實時傳導發(fā)射頻譜
4.3.2 輸入端口：中性（N）
圖 18：中性傳導發(fā)射光譜
啟動
圖 19：系統(tǒng)組件
請按照以下步驟快速啟動系統(tǒng)。
1. 將交流電源預設為 90 VAC ≤ VIN ≤ 265 VAC。
2. 關閉電源
3. 修改 Wi-Fi 憑據以允許模塊訪問路由器（圖 20）。
4. 使用 FTDI 232-TTL 轉換器接口連接電路板和 PC（圖 21）。
§ 如果接口為5V，請勿連接 3 腳（VCC），否則會損壞 Wi-Fi 模塊。在這種情況下，打開交流電源對設備進行編程。3V3 將由內部 LDO 產生
§ 否則（3V3 輸出）PC 將為模塊供電，您可以連接 VCC 引腳。
圖 20：Wi-Fi 憑證
圖 21：RX-TX 接口
5. 打開終端并對 ESP8266 模塊進行編程。該過程完成后（圖 22），模塊將通過通信端口發(fā)送 IP 地址（圖 23）。
6. 然后，您可以使用此 IP 訪問瀏覽器并與中繼進行交互（圖 24）。
5.1 網頁布局
網頁直接與 ESP8266 模塊交互。該模塊與 MP161 上的集成驅動程序連接，因此一旦用戶點擊按鈕“GPIO 5”，繼電器將改變其狀態(tài)。
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