智能插头参考设计 - 带ESP8266 WIFI模块的MP161非隔离式降压稳压器

参考设计

2.1 功能框图

图1: 功能框图

2.2 相关解决方案

本参考设计基于以下MPS解决方案:

MPS 集成电路	描述
MP161B-33	高电压降压稳压器

2.3 系统规格

参数	规格
输入电压范围	90 V to 265 V AC
输出电压	12 V ± 1.5% DC
额定负载	12 V / 17.5mA, 3.3V / (70 mA for T1 – 250 mA for T2)
峰值输出电流	270 mA （12V输出）
LDO输出电压	3.3 ±1.5% V
LDO输出电流	70 – 250 mA
开关频率	40 kHz （标称条件下）
板尺寸	50 x 50 x 30 mm
效率	> 90 %
12V输出纹波	17 mV（标称条件下）
Wi-Fi协议	基于802.11 b/g/n (HT20) ESP8266

2.4 MP161: 集成式、非隔离式降压稳压器

MP161集成了一个700V开关稳压器、一个低压差线性稳压器和两个通道继电器驱动器。它具有一种特殊的待机模式，可以最大程度地降低待机功耗。MP161专为家庭自动化、工业自动化以及任何采用继电器和MCU的其他应用而设计。

特性

• 集成700V MOSFET和电流源
• 带内部环路补偿的恒定电压调节
• 通过调频优化了轻载效率
• 待机模式
• 通过峰值电流调制实现了防可闻噪声操作
• 可调或固定12V输出
• 低工作电流
• 过温保护（OTP）、短路保护（SCP）、过载保护（OLP）和过压保护（OVP）

图2: MP161内部功能模块图

3 设计

3.1.1 电感选择

MP161的最小关断时间为9.5 us或12 us，具体取决于IC变体是A还是B/C，这决定了最大输出功率。通过公式1，我们可以估算出连续导通模式（CCM）下的过载点（OLP）。

当采用1 mH电感时，考虑容差在内，可以保证3.3W的输出功率。

$$P_{o\;max}=V_o \left(I_{L\;limit} - {V_oτ_{min\;⁡off}} \over 2L \right)$$

3.1.2 输出电容选择

选择输出电容是为了满足纹波要求，在本设计中选为150mV。

通过公式2我们可以估算出，在连续导通模式（CCM）下，输出电容为100uF时的电压纹波为33 mV。

$$V_{out\;ripple}=\frac{\Delta_i}{8f_s C_o }+\Delta_i R_{ESR}$$

3.2 Wi-Fi 模块功耗

下图描述了Wi-Fi模块的功耗。其周期性负载曲线将被视为标称负载条件（表1）。 其中：T1为97 ms，T2为1.5 ms，T为T1 + T2。

图3: Wi-Fi 模块功耗

3.3 原理图

下面的两个原理图分别描述了功率级（图4）原理和通信（图5）原理。

3.4 BOM

数量	标识	生产商PN	生产商	值
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: 功率级材料清单

数量	标识	生产商 PN	生产商	封装	值
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: ESP8266 PCB材料清单

3.5 PCB 布局

为提供更加紧凑的解决方案，我们将系统分为两块不同的板，一块用于实现功率级（图4），另一块用于Wi-Fi模块（图5）。一旦选定这种解决方案，应考虑如下注意事项：

• 即使这是一个非隔离式高电压变换器，也同样要考虑走线间的距离。因为板上存在交流电（90V至265V AC），因此建议在L和N之间预留2.5mm距离，在高低压之间预留1.2mm距离。
• 电源回路中有高dV / dt电压节点和高dI / dt电流，因此必须使用去耦电容。

图6：PCB电源底层（蓝色）和顶层（红色）

图7：PCB ESP8266底层（蓝色）和顶层（红色）

4 测试结果

4.1 时域波形

图14: 待机功耗（待机负载）

4.2 散热测量

作者	Oriol Cos
设施	MPS 巴塞罗那
日期	May 14, 2019
环境条件	25ºC / 31% / 1013 hPa
IC	MP161B-33
EVM	-
拓扑	Buck
用户	-
标准	EN50011
电气条件	标称条件
测试设备	LISN: HM6050-2
	频谱分析仪： R&S FPC1500
	软件: Elektra v2.20

EN5001
检波器		类别	频率 [MHz]	限值 [dBµV]
准峰值		B	0.15 - 0.5	65-55
			0.5 - 5	45
			5 - 30	60
峰值		B	0.15 - 0.5	55 - 45
			0.5 - 5	45
			5 - 30	50
端口		结果	检波器pan>	类别
输入	L	通过	Pk, Qp	B
	N	通过

测试结果详情

测试结果远远超出限值，足以证明该板满足标准。

图16: 系统装置

4.3.1 输入端口: 实时 (L)

图17: 实时传导发射频谱

4.3.2 输入端口: 中性(N)

图18：中性传导发射频谱

启动

图19: 系统组件

请按照以下步骤快速启动系统。

1. 将交流电源预设为90 VAC≤VIN≤265 VAC。
2. 关闭电源。
3. 修改Wi-Fi凭据，以允许模块访问路由器（图20）。
4. 采用FTDI 232-TTL转换器接口连接电路板和PC（图21）。
   • 若接口为5V，请勿连接引脚3（VCC）以避免损坏Wi-Fi模块。 然后打开交流电源，对设备进行设置。3V3将由内部LDO生成。
   • 否则（3V3输出），PC将为模块供电，可以连接VCC引脚。
   

   图20: Wi-Fi 凭证

   
   

   图21: RX-TX 接口

5. 打开终端，对ESP8266模块进行设置。设置完成后（图22），模块将通过通信端口发送IP地址（图23）。
6. 然后可以通过浏览器，使用该IP与继电器进行交互（图24）。

5.1 网页布局

通过网页可直接与ESP8266模块进行交互。ESP8266模块与MP161上的集成驱动器相连，因此用户一旦按下“GPIO 5”按钮，继电器即改变其状态。

图24: 网页布局