【成功案例】PI TNY280型离线式开关电源IC在燃气电磁阀智能适配器中的应用

时间： 2019-04-02 来源：世强

技术问答

几个月前应客户委托设计一款燃气电磁阀的智能适配开关，该开关用于升级如下图1中传统燃气报警关阀装置的使用便捷性，这种燃气关断装置通常由手动阀门、直通电磁阀组成，其中直通电磁阀与燃气泄漏报警器连接，在燃气泄漏时电磁阀会关闭，除此之外用户要想关闭燃气就只能通过手动阀门实现，在物联网快速发展的今天，必须手动去关阀会使得用户体验较差。鉴于这种考虑，客户需要在这个基础上去做智能化升级，通过增加WiFi控制的方式在保持原有燃气报警器及直通电磁阀的控制方式上去实现远程关阀操作（如用户长时间离家但是忘了将燃气手动阀关闭，这种情况就可以通过手机等其它方式远程控制关阀，提升使用的安全性）。

图1 传统带燃气泄漏报警器安装使用示意图

客户提供的如下图2中所示的这种电磁阀采用“直流脉冲驱动/手动”的方式进行关阀操作，通过“手动复位”的方式进行开阀操作，电磁阀驱动电流≤2A（脉冲），电压为DC-9V（脉冲，在9~15V均可以工作）。

图2 燃气专用PL100-DN15型电磁阀实物

鉴于以上的需求，本次智能化升级设计采用如下图3的方式来升级，在保持常规的燃气报警器与电磁阀连接控制的前提下，本次采用增加一个类似智能插座的电磁阀智能适配器，通过与原有的燃气泄漏报警器形成并联工作机制来实现。考虑到功能较为简单，本适配器直接使用WiFi模组作为适配器的主控制器（通过直接修改WiFi模组固件的方式实现），采用家用AC-220V供电，通过AC-DC方式得到DC-9V电压，在经过LDO降压的方式得到3.3V用于给WiFi模组供电，WiFi模组除了接收用后的控制命令，也可以检测燃气报警器输出到电磁阀控制电压从而间接的判断是否存在燃气泄漏的情况，然后将相关的工作状态数据上传到云端。

图3 燃气电磁阀智能化控制升级方案框图

根据设计方案，电磁阀需要9V的脉冲控制电压，因此首先需要完成家用AC-220V到DC-9V的转变，且电磁阀需要≤2A的脉冲控制电流，因此在选择AC-DC芯片的时候就需要考虑最大功率，且选用隔离型的AC-DC芯片可以提升使用安全性，这里选用Power Integrations的TinySwitch-III系列的TNY280P型芯片来实现AC-DC的转换（具体型号TNY280PN,也可以选用TNY280G型，两款型号仅封装不同而已），该芯片具有以下特点：

• 简单的开/关控制，无需环路补偿；

• 通过BP/M引脚电容值可选择不同的电流限流点；

- 更高的电流限流点可得到更高的峰值功率，或在开放式应用中得到更高的连续输出功率；

- 更低的电流限流点可提高封闭式适配器/充电器设计的效率；

- 可允许TinySwitch-III系列相邻产品之间相互替换，而无需重新设计电路；

• 严格的I2f参数公差范围降低系统成本；

- 高效利用MOSFET及磁芯材料的功率输出能力；

- 降低了最大过载功率，从而降低变压器、初级箝位及次级元件的成本；

• 导通时间延长-更低输入电压下维持输出的稳定/维持时间, 可以使用更低容量的输入电解电容；

• 自偏置：无需偏置绕组或偏置元件；

• 频率抖动降低EMI滤波成本；

• 引脚布局简化了PCB板上的散热铺铜的设计；

• 源极引脚为“电气”上的安静点, 从而降低了EMI ；

TNY280P型芯片可以实现230VAC ±15%应用中输出20W的适配器功率（36.5W的峰值/开放式功率），因此完全可以满足本次设计中电磁阀供电控制所需的功率要求，通过使用Power Integrations公司提供的PI Expert软件，可以很方便的设计出需要的应用电路（但是有些细节需要根据实际情况略作调整，如变压器线圈的绕组、磁芯气隙、隔离带等都会对实际输出电压及产品的EMI产生一定的影响），使用软件设计出如下图4的AC-DC转换电路实现DC-9V输出（AC-DC转换部分可以参考PI Expert软件提供的电路板布局图，如下图5所示），这里设计输出为9V/2.2A（采用EE25磁芯，初级绕组N1为85T/1x0.28mm，偏置绕组N2为9T/2*0.28mm，次级绕组N3为6T/3x0.45mm T.I.W.），然后使用常用的AMS1117-3.3芯片来实现DC-9V到DC-3.3V的降压转换：

图4 使用TNY280P设计的AC-DC隔离型转换电路

图5 使用TNY280P设计的AC-DC电路板布局图及说明

完成电压转换之后，接下来就使用ESP8266型WiFi模组来实现联网与输出控制设计，该WiFi模组自带一个ADC接口（可支持0~1V的AD检测电压范围），这里用于检测AC-DC转换出来的DC-9V电压，采用电阻分压的方式实现（检测电压值在8~12V均视为可给电磁阀通电，不再此范围则不给电磁阀通电以免造成损坏），然后在用另一组分压电路来检测外部燃气泄漏报警器给电磁阀输出的电压状态（这里只需要分压之后识别高低电平接口），用于间接的识别燃气是否泄漏，设计电路如下图6所示：

图6 WiFi模组与报警器输出检测电路

最后，加上电磁阀供电控制电路与相应的接口电路即可完成整体的设计，这里采用如下图7的应用电路，J2用于连接燃气泄漏报警器的输出端，J4用于连接电磁阀，WiFi模组通输出信号控制MOS管Q1实现9V/2A脉冲输出，并通过两颗SS34二极管D10与D11将适配器的输出信号与原有报警器的输出信号实现并联，然后接入到电磁阀，实现燃气电磁阀智能化控制升级的目的。

图7 电磁阀供电控制电路与报警器接口电路

选型器件参考：

TNY280PN型离线式开关IC数据手册：https://ac-dc.powerint.cn/sites/default/files/product-docs/tny274-280CN.pdf

AMS1117型LDO芯片数据手册：https://www.sekorm.com/doc/976726.html

2N5551型三极管数据手册：https://www.sekorm.com/doc/424312.html

AOD4185型P-MOS管数据手册：https://www.sekorm.com/doc/582551.html

SS34型二极管数据手册：https://www.sekorm.com/doc/384087.html

FOD817AS型光耦数据手册：https://www.sekorm.com/doc/471459.html

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全部评论（4）

maomao Lv8. 研究员 2019-04-02

支持
沉浮 Lv7. 资深专家 2019-04-02

不错
用户56731903 Lv9. 科学家 2019-04-02

学习了！！！
行行摄摄 Lv7. 资深专家 2019-04-02

学习一下

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