スマートプラグリファレンスデザイン - ESP8266を備えたMP161非絶縁型降圧レギュレータ
1 概要
1.1 説明
今日ではすべてがつながっています。したがって、壁のプラグも接続しない手はありません。MPSは、利用者がIoT市場に参加できるよう、MP161パーツを使用したリファレンスデザインを提供します。これは2つのボード製品で、1つはDC/DCコンバータとリレー用で、もう1つはWi-Fiモジュール用です。形態は壁のプラグに収まるように設計されています。
1.2 機能
- 集積IC供給ソリューション（12V + 3V3 +リレードライバ）
- Wi-Fi 802.11 b / g / n（HT20）プロトコル
- スタンバイ動作時の35.4mWの活性入力電
1.3 アプリケーション
IoT非分離設計
リファレンスデザイン
2.1 ブロック図
図1: ブロック図
2.2 関連ソリューション
このリファレンスデザインは、次の MPS ソリューションに基づいています。
| MPS集積回路 | 説明 |
| MP161B-33 | 高電圧降圧レギュレータ |
2.3 システム仕様
| パラメータ | 仕様 |
| 入力電圧範囲 | 90V～265V AC |
| 出力電圧 | 12V ± 1.5% DC |
| 公称荷重 | 12V / 17.5mA、3.3V /（T1の場合は70mA - T2の場合は250mA） |
| ピーク出力電流 | 270mA (12V出力で) |
| LDOの出力電圧 | 3.3 ±1.5% V |
| LDOの出力電流 | 70～250mA |
| スイッチング周波数 | 40kHz（公称条件下） |
| 基板形状 | 50 x 50 x 30 mm |
| 効率 | > 90% |
| 12V出力リップ | 17mV（公称条件下） |
| Wi-Fiプロトコル | 802.11 b/g/n (HT20) ESP8266 ベース |
2.4 MP161: 集積された非絶縁型降圧レギュレータ
MP161は、700Vスイッチングレギュレータで、低ドロップアウトリニアレギュレータ、および2チャネルのリレードライバを集積しています。MP161には、待機電力を最小限に抑えるための特別なスタンバイモードもあります。MP161は、ホームオートメーション、産業オートメーション、およびリレーとMCUを採用するその他のアプリケーション向けに設計されています。
機能
リレードライバ
- 2Ωオン状態抵抗
- 最大30Vのレール電圧
- 集積フリーホイーリングダイオード
- 名目オフドライバ
低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレータ
- 最大30Vの入力電圧
- 固定出力、3V3および5Vオプション付き
- 過熱保護 (OTP)
図2: MP161の内部ブロック図
3 デザイン
3.1.1 インダクタの選択
MP161の最小オフ時間は、IC異型AまたはB / Cに応じて、9.5または12usであり、最大出力電力を決めます。式1で連続伝導モード (CCM) での過負荷ポイント (OLP) を推定できます。
1 mHのインダクタを使用すると、許容誤差を考慮して、出力電力3.3Wを保証できます。
$$P_{o\;max}=V_o \left(I_{L\;limit} - {V_oτ_{min\;off}} \over 2L \right)$$3.1.2出力コンデンサ
リップル要件を満たすための出力コンデンサを選択します。この場合は150mVです。
式.2を使用すると、CCMでの電圧リップルを推定できます。100uFで33mVとなります。
$$V_{out\;ripple}=\frac{\Delta_i}{8f_s C_o }+\Delta_i R_{ESR}$$3.2 Wi-Fiモジュールの消費
Wi-Fiモジュールの消費量を次の図に示します。この周期的な負荷プロファイルは、公称負荷条件と見なされます（表1）。位置: T1は97ミリ秒、T2は1.5ミリ秒、TはT1 + T2です。
図3: ブロック図
3.3 回路図
この基板は、電力段 (図4) と通信 (図5) を分離するために、2つの回路図ファイルに分割されています。
図4: パワーステージ（整流器+ DC / DC）
図5: Wi-Fiモジュール
3.4 部品表
| 数量 | 指示子 | メーカー製品番号 | メーカー | 値 |
| 7 | C1, C4, C5, C6, C7, J1, J2 | NS | ||
| 7 | J4, J8, R1, R4, R6, R9 | NS | ||
| 1 | C2 | 1206 220nF | 220nF | |
| 1 | C3 | 0603 47pF | 47pF | |
| 1 | C8 | 0603 1uF 25V | 1u 25V | |
| 1 | C9 | 860021373005 | Wurth | 3.3uF 400V |
| 1 | C10 | 1206 1uF | 1uF | |
| 1 | C11 | EKRG250ETD101MF09D | United Chemi-Con | 100uF 25V |
| 1 | C12 | F861BG224M310C | KEMET | F861BG224M310C |
| 1 | C14 | 1206 100nF | 100nF | |
| 2 | D1, D3 | RS1J | DIODES | RS1J |
| 1 | D2 | DF04S-T | Diodes Incorporated | DF04S-T |
| 1 | F1 | 3403.0156.24 | Schurter | 0.1 A / 250 VAC |
| 1 | L1 | DR0608-105L | Coilcraft | DR0608-105L |
| 1 | L2 | RLB0914-102KL | BOURNS | 1mH 0.3A |
| 2 | R2, R12 | 0603 0R | 0R | |
| 1 | RL1 | PE014012 | OEG - TE CONNECTIVITY | PE014012 |
| 1 | U1 | MP161B-33 | Monolithic Power Systems | MP161 |
| 1 | VAR1 | B72660M0271K072 | EPCOS | B72660M0271K072 |
表3: 電力段の部品表
| 数量 | 指示子 | メーカー 製品番号 | メーカー | 実装面積 | 値 |
| 1 | C1 | 1206 100nF | 1206 | 100nF | |
| 7 | D1, J1, J2, J3, Q1, Q2, R1 | NS | |||
| 7 | R2, R4, R5, R6, R9, R13, R17 | NS | |||
| 1 | J4 | JS202011SCQN | C&K | DIP-SWITCH | JS202011SCQN |
| R3, R12, R14 | 0603 0R | 0603 | 0R | ||
| R7, R8, R10, R11, R16, R18 | 0603 10k | 0603 | 10k | ||
| 1 | R15 | 1206 0R | 1206 | 0R | |
| 2 | S1, S2 | FSMSMTR | TE Connectivity | TE FSM6JSMA | FSMSMTR |
| 1 | U1 | ESP-12S | RF-Solutions | ESP8266 ESP-12-S | ESP-12S |
表4: ESP8266PCBの部品表
3.5 PCBレイアウト
コンパクトなソリューションを提供するために、システムを別々のボードに分割しました。1つは電力段用 (図4)、もう1つはWi-Fiモジュール用 (図5) です。これらのトピックは、次のタイプのソリューションを配線設計するときに考慮に入れる必要があります。
- これは絶縁されていない高電圧コンバータですが、トレース間の距離を気にする必要がないという意味ではありません。このボードにはAC (90-265 Vac) があるため、LとNの間に2.5mm、高電圧と低電圧の間に1.2mmを残すことをお勧めします。
- 電力ループには高いdV/dt電圧ノードと高いdI/dt電流があるため、デカップリングコンデンサの使用は必須です。
図6: PCB電源の最下層 (青) と最上層 (赤)
図7: PCB ESP8266の最下層 (青) と最上層 (赤)
4 試験結果
4.1 時間領域の波形
図8: 入力電流と電圧。（公称負荷で）
図9: ダイオードのアノード-カソード電圧 (Vin 265Vac、Vo 12V、Io 270mA (SW図1))
図10: 出力電圧とLDO。(公称負荷で)
図11: 負荷動作 (公称負荷で)
図12: LDO電圧リップル。（公称Wi-Fi負荷）
図13: 通常の動作消費。（公称負荷で）
図14: スタンバイ操作の消費。（待機負荷）
4.2 熱測定
| 著者 | Oriol Cos |
| 事業所 | MPSバルセロナ |
| 日付 | 2019年5月14日 |
| 環境条件 | 25oC / 31% / 1013 hPa |
| IC | MP161B-33 |
| EVM | - |
| トポロジー | 降圧 |
| - | |
| 標準 | EN50011 |
| 電気的条件 | 公称条件 |
| 試験装置 | LISN: HM6050-2 |
| スペクトラムアナライザ: R&S FPC1500 | |
| ソフトウェア: Elektra v2.20 |
| EN5001 | ||||
| 検出器 | クラス | 周波数[MHz] | 制限[dBμV] | |
| 準ピーク | B | 0.15 - 0.5 | 65-55 | |
| 0.5 - 5 | 45 | |||
| 5 - 30 | 60 | |||
| ピーク | B | 0.15 - 0.5 | 55 - 45 | |
| 0.5 - 5 | 45 | |||
| 5 - 30 | 50 | |||
| ポート | 結果 | 検出器 | クラス | |
| 入力 | L | 合格 | Pk, Qp | B |
| N | 合格 | |||
結果の詳細
結果として、基板は規格限界から十分に余裕があります。
図16: システムのセットアップ
4.3.1 入力ポート：ライブ（L）
図17: ライブ伝導放散スペクトル
4.3.2 入力ポート：ニュートラル（N） 
図18: 中性伝導放散スペクトル
5 立ち上がり
図19：システムコンポーネント
以下の手順に従って、システムをクイックスタートしてください。
- AC電源装置を90VAC ≤ VIN ≤ 265VACに事前設定します。
- 電力供給をオンにします。
- モジュールがルータにアクセスできるようにWi-Fiクレデンシャルを変更します (図20)。
- ボードとPCをFTDI 232-TTLコンバーターインターフェースで接続します (図21)。
- インタフェースが5Vの場合、Wi-Fiモジュールが損傷するため、ピン3 (VCC) を接続しないでください。この場合、AC電源をオンにしてデバイスをプログラムします。3V3は内部LDOによって生成されます
- それ以外の場合 (3V3出力)、PCがモジュールを供給し、VCCピンを接続できます。
図20: Wi-Fiクレデンシャル /p>
- ターミナルを開き、ESP8266モジュールをプログラムします。プロセスが終了すると (図22)、モジュールは通信ポートを介してIPアドレスを送信します (図23)。
- 次に、このIPを使用してブラウザに移動し、リレーと対話できます (図24)。
5.1 ウェブレイアウト
ウェブページはESP8266モジュールと直接やりとりします。モジュールはMP161の集積ドライバに接続されているため、ユーザーが「GPIO 5」ボタンを押すと、リレーの状態が変化します。
図24: ウェブレイアウト
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