在暑假中无所事事的我收到了一个制作电路板儿的活, 要求如下:

  • 6* 5V USB 电源输出.
  • 6* 9V DC 电源输出.
  • 输出功率未知.
  • 供电不限.
  • 电路板上印有公司二维码.

因为实在闲的没事儿, 况且那个公司跟我关系不错, 允许我发布相关文章和账单, 就果断接下了.

模块:

我首先想到的是既然 5V / 9V 都是常用的标准电压, 很多现成的三端稳压集成电路 (如 LM7805 / LM7809) 就应该可以胜任这种工作, 但这次活儿的难点在于"输出功率未知", 也就是说, 每一个 usb 口可能需要输出 2A 左右的电流, 就连进口 ST 品牌的 7805 才能达到 1.5A 的水平. 况且一块儿板儿上堆 12 个 78 系列的芯片也不见得是多么优雅的设计. 再者说, 一个一元多的价格也注定不适合用在这次的电路设计中.

我果断求助于淘宝, 找到了不少 6A / 8A 甚至 16A 的大功率开关降压集成电路, 但要么价格过于高昂, 要么只批发不零售. 而且配套的外围元件也相对复杂, 难以一次性购齐. 我又将目光瞄向了进口拆机件, 虽说是拆机件, 体质甚至比大部分全新国产件要好很多, 而且价格便宜, 小批量也给货.

经过一系列的筛选, 我最终看中了 KIW-3312S 模块, 一块多钱一个的样子, 双路3.3V 6A/ 1.2V 6A输出, 外围电路齐全, 其主控芯片 ir3802am 全新价格就达到了 3.26 美元/片. 跟卖家谈妥后, 一口气买了 50 个. 到货的时候是带着黑色保护壳的, 拆的时候注意里面有散热胶, 不要硬掰. 拆开以后是这个样子(或许是全网最清晰的图片了吧):

YA.jpg
YB.jpg

根据网上资料和模块的布线画出的原理图:

原理图.png

经过一系列测试, 这模块也并非没有缺点:

  • 静态功耗大: 12v 输入, 输出空载的情况下就有 60~80mA 的电流, 略有温升.
  • 发热大: 持续双路 3A 输出时不加任何散热设施的模块已经热的烫手. 至于双路 6A 输出, 估计也只是在主动强制散热情况下的峰值电流吧.

幸好这两个缺点并不会对这次设计造成多大困扰. 或者说, 这些缺点巧妙的避开了这个电路的重点和难点. 因为是 AC-DC 开关电源直接供电, 所以不太需要考虑静态功耗问题. 发热大不仅可以通过优化 PCB 的设计来辅助散热, 而且这个模块本身就比较耐高温, 即使发热也不会影响正常运行.

接下来就是修改电路了, 因为它板子上自带分压反馈电路, 所以非常不方便我调整输出电压, 所以需要拆掉一部分元件, 使 FB 脚与芯片反馈脚直连. 每块儿板子上要撬下 6 个电阻和 1 个二极管. 分别位于主控的下方和输出引脚与电感之间. 拆完了是这个样子:

GA.jpg

在其主控芯片的技术手册ir3802am.pdf中得知输出电压与 FB 引脚电压的关系, 再与国家电阻标准阻值表进行匹配选型, 很快得出我需要的匹配电阻:

　
0.6 * ( 1 + RPullup / RPulldown ) = VOutput
RPullup / RPulldown = VOutput / 0.6 - 1
18kΩ / 2.4kΩ = 5.1 / 0.6 - 1
43kΩ / 3kΩ = 9.2 / 0.6 - 1

输出电压上拉电阻下拉电阻
5.1V18kΩ2.4kΩ
9.2V43kΩ3kΩ

将电阻焊在 FB 引脚与 输出+ / 输出- 之间. 别忘了在输出端并联 1000μF 或以上, 输入端并联 470μF 或以上的高频电容(我的供电电源中内置大量电容, 故没在输入端再次并入):

GB.jpg

经过这么一改, 测量输出电压, 分别为 5.1V / 9.1V (0.1V 的误差还是可以忍受的), 纹波为 130mV, 可以持续双路 3A 输出, 符合我的要求.

PCB:

电路部分:

接下来根据上述实验结果设计PCB, 同样非常简单. 作为一个 没钱爱装逼的人 开源爱好者, 我用的EDA软件是 Kicad.

简单的说一下设计要点:

  • KIW-3312S 模块底部开窗并添加大量散热过孔.
  • 分压电阻预留位设为 3296 电位器焊接孔, 可焊接贴片 / 直插或是3296电位器, 提高兼容性, 方便调试和改造.
  • PCB 正反面大面积覆铜, 加强散热.
  • USB 外壳不接地, 减少意外短路的可能性.
  • 预留模块屏蔽罩焊接孔, 方便后期添加散热 / 屏蔽罩.
  • 因此电路的主要目的是用来宣传, 所以不仅需要在 PCB 正面大量留白用于印刷广告, 还不能因此影响电路的正常工作和整体的美观.
  • 考虑到输出电流较大, 购买元件时选择能承受大电流的元件, PCB 走线时尽量加大导线宽度.
  • 参考技术手册中各项参数 & 考虑到模块属高频器件, 输入输出电容选择 进口日本黑金刚 KY 系列 lowesr 电容 .

外观部分:

这块板儿的难点其实在于丝印层上的二维码, 需要设计得与整个电路浑然一体, 而且还可以被手机轻易的识别. 我首先想到的是常规的二维码美化软件, 但它们更多的是优化颜色搭配 或 生硬地在二维码中央添加 Logo. 但在 PCB 丝印层中不仅不会有五颜六色的色彩, 甚至连灰度都不能实现. 在二维码中间添加 Logo 则会因为空间不足而导致模糊. 综上所述, 在确保质量的前提下, 就不得不手工美化这个二维码了. 再一次, 因为我 没多少钱 热爱开源, 所以选择了 GIMP 作为我的图片编辑软件.

简单地说一下制作步骤:

  • 使用草料二维码生成器生成中间不带 Logo 的微信二维码, 因为中间没有 Logo, 容错选择 25% 或 15% 即可.
  • GIMP 抠出 Logo 的轮廓图(感谢 @恰恰 帮我找到了更清晰的图片)
  • 下载生成的二维码, 将二维码放在 Logo 中, 并调整大小.
  • 使用 GIMP 中的网格线和笔刷工具填充 Logo 和二维码之间的空隙, 在 Logo 外适当画一些随机的噪点.
  • 使用 Kicad 中的 BITMAP 功能将图片转换为丝印层元件, 载入 PCB 文件.

设计预览:

下面是设计完成的原理图 / PCB图 / 3D视图 :
SCH.png
PCB.png
3D.png
3D2.png

具体的设计过程我就不再赘述了. 如果您也想 拥抱开源 学习使用 Kicad, 我特别向您推荐LifeTyper 的博文, 条理清晰& 面面俱到, 非常实用. 想学习 GIMP 的话, 因互联网中的资料不在少数, 请根据自己口味自行搜索相关教程. 如果您觉得我设计的这个电路不错, 或对您有帮助, 可以点此下载工程文件. 如果您觉得我的设计有些问题或有更好的想法, 请您在下面留言, 我也会及时更新.