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


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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

mp161

リファレンスデザイン

2.1 ブロック図

block diagram

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 90 V ~ 265 V AC
出力電圧 12 V ± 1.5% DC
公称荷重 12 V / 17.5mA、3.3V /(T1の場合は70mA - T2の場合は250mA)
ピーク出力電流 270 mA(12V出力で)
LDOの出力電圧 3.3 ±1.5% V
LDOの出力電流 70 ~ 250 mA
スイッチング周波数 40 kHz(公称条件下)
基板形状 50 x 50 x 30 mm 
効率 > 90 %
12V出力リップ 17 mV(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チャン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

  • 集積された700V MOSFETと電流源
  • 内部ループ補償による定電圧レギュレーション
  • 周波数変調による最適化された軽負荷時効率
  • スタンバイモード
  • ピーク電流変調による可聴ノイズ対策動作
  • 調整可能または固定の12V出力
  • 低動作電流
  • 過熱保護(OTP)、短絡保護(SCP)、過負荷保護(OLP)、および過電圧保護(OVP)

  • 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

    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12 us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。

    Figure 3: Block diagram

    図3:ブロック図

    3.3 回路図

    このボードは、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4:パワーステージ(整流器+ DC / DC)

    図5:Wi-Fiモジュール

    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
    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
    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。
    6.2
    6

    図6:PCB電源の最下層(青)と最上層(赤)

    7
    7.71

    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

    8

    図8:入力電流と電圧。(公称負荷で)

    9

    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))

    10

    図10:出力電圧とLDO。(公称負荷で)

    11

    図11:負荷動作(公称負荷で)

    12

    図12:LDO電圧リップル。(公称Wi-Fi負荷)

    13

    図13:通常の動作消費。(公称負荷で)

    14

    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ー: 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

    結果は、ボードが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

    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)

    17

    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) 18

    図18:中性伝導放散スペクトル

    5 立ち上がり

    19

    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。

    1. AC電源装置を90VAC ≤ VIN ≤ 265VACに事前設定します。
    2. 電力供給をオンにします。
    3. モジュールがルーター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)。
    4. 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)。
        • インターフェイスが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。
      20

      図20:Wi-Fiクレデンシャル /p>

       

    5. 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)。   
    6. 次に、このIPを使用してブラウザーに移動し、リレーと対話できます(図24)。

    5.1 Webレイアウト

    Web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の集積ドライバー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。

    24

    図24:Webレイアウト