這系列的文章紀錄Tiny-Aux的整個製作過程，包含一開始的發想、設計，一直到電路製作以及軟體撰寫。當然還會記錄其中遇到困難，還有暫時達不到的目標等等。
首先先讓我們看為什麼需要這種卡片型電源，以及卡片型電源為我們帶來的好處有什麼？{alertInfo}
目錄
設計理念
在電子電路的開發過程中，常常會需要完全隔離的電源供應器來提供元件驅動電力，或者利用隔離的特性來保護較昂貴的零件。往往這類零件所需要的功率不大，但是卻須要搬大又重的電源供應器來完成這件事。為了解決搬運又大又重器材的困擾，我設計了一個卡片型的輔助電源。這樣就可以隨時隨地透過他來為我的專案供電。不管是在示波器前還是在電腦旁邊，只要有USB電源，就可以產生完全隔離的電源，保護其他零件。但是不同零件對於電壓要求也不一樣，所以我希望這個電源能夠產生不同電壓的電源來應付所有的情況。
常見晶片的額定電壓電壓是3.3V 跟5V，而常見電晶體的驅動電壓是12V 或24V。這兩種應用會是大多數需要隔離電源的場合。之外，我想要做到傳統類比店員沒辦法做的事情，例如監測電壓電流的狀態，調整輸出電壓等功能，最後決定用數位的方式來把USB供給的5V分別轉換成3.3V, 5V, 12V與24V。以下是Tiny-Aux的規格：
架構
既然使用USB作為電源，那何不使用USB type-C介面來當作輸入呢？而USB type-C又支援Power Delivery，這表示我的輸入電壓可以從5V到20V，寬廣的輸入電壓對應到寬廣的輸出電壓，最適合這種特性的電路拓樸就是返馳式轉換器。返馳式轉換器不僅接受寬範圍的電壓之外，也提供良好的絕緣特性。
要允許20V高電壓輸入，板子上勢必要有一個DC-DC轉換器來把20V轉換成微處理機所需要的3.3V。我使用德州儀器生產的TPS62177來完成這件事。而USB type-C的Power Delivery功能則使用ON Semi生產的FUSB302作為通訊介面，負責跟充電器要20V高電壓。接著最重要的主控制器則使用STM32L432，80MHz核心來推動兩組完全獨立的返馳式轉換器。整體架構圖如下：
板載自身電源
有了整體架構之後，第一步先來完成3.3伏特的電源供應。TPS62177是一顆切換頻率高達1MHz的同步降壓轉換器，他把電晶體包在裡面，這樣子就可以大大的減低外部所需要的零件數量，與他相似的姊妹產品是TPS62175。兩者差別在於62177是固定3.3伏特的輸出，而262175則是可調電壓輸出。下圖是TPS62177的內部方塊圖：
從中可以看到這顆IC內部除了主要的功率控制系統(Power Control)外，還包含電晶體驅動器(Gate Drive)、電流偵測器(Comp)、回授系統(feed-back loop)、休眠控制等等，最重要的還有軟啟動(Soft-start)、過溫度保護(OTP)、低電壓保護(UVLO)等功能。依據Datasheet，我用Kicad畫出電路圖如下：
關於零件選用，62177是一個非常小型的轉換器，實際大小只有3mmx2mm大，又為了達到我卡片型電源的目標，所有的外部元件我都希望越薄越好。在LCSC上，我找到這個電感SMNR4010-100MT 他的厚度只有1毫米非常適合我這次的應用。另外輸出的濾波電容我也使用MLCC來縮小體積。下圖就是實際TPS62177的電路區域。
電路的Layout，有幾點需要注意：首先，輸入電容要盡可能地靠近晶片，這在所有的電路都適用。這種電容叫做濾波電容，是用來把晶片電源上的雜訊濾除，避免IC誤動作。接著，切換式電源最重要的電感也要盡可能靠近IC，同時讓輸出迴路盡可能小。這麼做的原因是要減少電路損失以及雜訊對周邊電路的影響。資料手冊還有提到第三點，要將回授電阻與敏感電路避開電感迴路，為的也是避免耦合到開關切換時的雜訊。但我們用的62177是固定輸出，沒有回授電阻的問題。我的電路Layout可以參考如下：
小節
最初想做這個專案，其實是想作成名片的形式，每次有需要交換名片的場合就可以拿出來展現一下技術。但深入設計之後發現，光是變壓器就沒辦法把厚度控制在5mm以內，乾脆改個方向做成小型化數位電源。但基本需求還是不變，要有一個完全物理隔離的電源供應器，同時希望能使用目前最普及的TypeC作為電源供應，Tiny-Aux就此誕生。
下一篇文將會介紹功率級的設計與控制，以及硬體實作。
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