基于InnoSwitch3-Pro系列27W PD3.0方案簡化電源開發(fā)

基于InnoSwitch3-Pro系列27WPD3.0方案簡化電源開發(fā)InnoSwitch?3-Pro系列IC可極大簡化全數(shù)控高效率電源的開發(fā)和制造，尤其是那些采用緊湊外殼的電源。通用的I2C可實(shí)現(xiàn)輸出電壓及電流的動態(tài)控制，并且提供其他可動態(tài)設(shè)定的保護(hù)功能。遙測技術(shù)可提供、可設(shè)定功能和故障模式的報告。InnoSwitch3-Pro器件適合于輸出電壓及電流需要精確(10mV,50mA)調(diào)整的65W以內(nèi)的AC/DC電源應(yīng)用。典型的實(shí)現(xiàn)方案包括一個系統(tǒng)微處理器或?qū)Ｓ梦⑻幚砥?，其I2C端口可用于配置、控制和監(jiān)測電源子系統(tǒng)的運(yùn)行情況。uVCC引腳在獨(dú)立方案（如USBPD適配器或充電器）中為微處理器提供偏置供電。InnoSwitch3-Pro系列有四個版本型號InnoSwitch3-Pro系列內(nèi)部框圖及基本電路圖1：InnoSwitch3-Pro系列初級控制器框圖(左)、InnoSwitch3-Pro系列次級控制器框圖(右)圖2：InnoSwitch3-Pro-典型應(yīng)用基本原理圖InnoSwitch3-Pro在快充領(lǐng)域的應(yīng)用快充的由來及發(fā)展隨著科技的發(fā)展，智能手機(jī)進(jìn)入大屏?xí)r代，性能愈發(fā)強(qiáng)大，普及度也是越來越高，而它在我們的日常生活中的地位更是水漲船高。但是在電池技術(shù)沒有什么突破性發(fā)展的今天，快充技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前常見的快充類型有高通、OPPO、MTK、華為、TI、PD等。圖3：常見快充參數(shù)USBPD全稱USBPowerDelivery，是由USB-IF組織制定的一種快速充電標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)更高電壓和電流的傳輸，最大傳輸功率可達(dá)100W，并可以自由改變電力的傳輸方向，是當(dāng)前主流的快充標(biāo)準(zhǔn)，USBPD現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了PD3.0版本。Type-C是一種新的接口規(guī)范，在實(shí)現(xiàn)了USBPD協(xié)議以后，能支持更高的充電功率、支持正反插入、有更快的傳輸速度（最高10Gbps）等。USB-IF組織在原有的USBPD3.0基礎(chǔ)上，通過與高通、泰爾實(shí)驗(yàn)室以及國內(nèi)主流手機(jī)廠商的多方溝通，推出了可編程電源PPS(ProgrammablePowerSupply)，旨在一統(tǒng)快速充電技術(shù)規(guī)范。所以，USBPD3.0-PPS快充標(biāo)準(zhǔn)是大勢所趨，有望成為主流。PPS提供的接口輸出電壓從5V擴(kuò)展到3.0V~21V，電流0-5A。可調(diào)整電壓幅度為20mV，電流精度50mA，滿足絕大多數(shù)技術(shù)流派的快速充電，可以實(shí)現(xiàn)低壓大電流直充。圖4：USBPD3.0-PPS快充標(biāo)準(zhǔn)InnoSwitch3-Pro-離線式反激電源的數(shù)字控制特點(diǎn)InnoSwitch3-Pro系列是一個能滿足寬輸出電壓要求的USBPD3.0-PPS電源方案;改進(jìn)的反激式拓?fù)淇商峁└咝詢r比、并能滿足DoE(6)效率要求的高效解決方案；具備I2C接口的高集成度的數(shù)字控制方案。任何優(yōu)秀的設(shè)計方案，都離不開其高效性以及可靠性。大家都知道，結(jié)構(gòu)越是簡單，其可靠性將會越高，InnoSwitch3-Pro這種變頻反激式拓?fù)浞桨敢彩且粯樱捎谄涓叨燃?，因而整體方案的元件數(shù)目很少。在效率方面，此方案采用的變頻技術(shù)可在整個負(fù)載范圍內(nèi)始終保持高效率，而更高的效率則意味著更低的熱量耗散。此外，對于寬輸出電壓應(yīng)用的PD3.0-PPS電源來說，電源不可避免地會工作于CCM或DCM工作方式，為了提高效率，方案中采用的同步整流及準(zhǔn)諧振的開關(guān)方式，可以保證各種輸出條件下均能實(shí)現(xiàn)高效。提升效率是電源設(shè)計的一大永恒話題。并且不管輸入電壓和負(fù)載如何變化，電源都始終需要維持平穩(wěn)的高效率。隨著PD3.0-PPS快充電源的出現(xiàn)，電源的輸出電壓需要根據(jù)負(fù)載的應(yīng)用要求而改變，因而是否能在各種輸出條件下均能滿足國際能效標(biāo)準(zhǔn)的要求對設(shè)計者來講也是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。那么InnoSwitch3-Pro的設(shè)計方案具體是如何提高效率和可靠性的呢？1.SR開關(guān)時序的精確控制可提高效率和可靠性精確的初級開關(guān)管關(guān)斷與次級SR開通時序可降低同步整流管體二極管的導(dǎo)通時間，從而提高效率。而次級整流管關(guān)斷后再由次級側(cè)發(fā)送初級側(cè)功率開關(guān)管開通指令的時序控制方式可以保證在CCM工作方式下同步整流的高可靠性。圖5：SR開關(guān)時序的精確控制2.EMI及音頻噪聲的優(yōu)化可降低系統(tǒng)成本變壓器屏蔽繞組可降低共模噪聲，頻率調(diào)制則可降低EMI掃描頻譜中的峰值數(shù)值，從而可以降低EMI濾波元件的成本。在輕載下一般都是采用降低工作頻率的方法來提高輕載效率，但在某一負(fù)載下，開關(guān)頻率會降至20kHz以下并進(jìn)入音頻噪聲范圍。尤其當(dāng)開關(guān)頻率接近變壓器本身的共振頻率點(diǎn)時會產(chǎn)生比較大的音頻噪音。為改善這種情況，InnoSwitch3-Pro所采用的先進(jìn)的狀態(tài)控制器可以防止電源工作于7至12kHz的開關(guān)頻率下，而這一頻段是大多數(shù)變壓器產(chǎn)生噪音最大的工作頻段。此外，為進(jìn)一步降低音頻噪音，在變壓器的設(shè)計時，當(dāng)工作頻率<20kHz時，會確保磁通密度BAC<120mT。圖6：EMI、輕載效率及音頻噪聲的優(yōu)化3.采用I2C接口除了以上設(shè)計優(yōu)點(diǎn)，InnoSwitch3-Pro的方案還采用了集成的I2C接口，通過這個接口與外部微處理器進(jìn)行通訊，通過軟件對電源的輸出電壓及電流進(jìn)行精確的動態(tài)階躍控制——電壓階躍步長為10mV，電流階躍步長為50mA——實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程的功率變換。這個帶來的好處是支持USBPD3.0子集中的PPS，可以更精確的控制輸出的電壓檔位。除了對輸出特性進(jìn)行外部編程控制以外，電源的各種保護(hù)特性也可進(jìn)行人為個性化設(shè)定。而所有這些強(qiáng)大的設(shè)定功能只使用簡單的外部微控制器即可實(shí)現(xiàn)，從而省去了復(fù)雜的針對不同協(xié)議的接口電路。整個系統(tǒng)具有安全、可靠且體積小的特點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。圖7：采用I2C接口電路高度集成的InnoSwitch3-Pro使應(yīng)用電路更加精簡集成了反激式控制器、高壓MOSFET、次級側(cè)檢測和同步整流驅(qū)動器，帶HIPOT隔離保護(hù)的FluxLink?集成反饋鏈路。超高的集成度，使電路更加簡化，外殼更加緊湊，圖8是對比行業(yè)其它PD3.0-PPS的方案。圖8：InnoSwitch3-ProPD3.0-PPS方案Vs其它PD3.0-PPS方案實(shí)際應(yīng)用電路對比采用InnoSwitch3-CP和WT6615FUSBPD控制器的27WUSBPD3.0-PPS充電器，使用了82個元器件；而采用InnoSwitch3-Pro和WT6635PUSBPD控制器的27WUSBPD3.0-PPS充電器,卻使用了58個元器件。大大簡化了電路，提高了產(chǎn)品的可靠性。圖9：實(shí)際應(yīng)用電路對比基于InnoSwitch3-Pro系列的27W充電器方案實(shí)現(xiàn)緊湊、高能效的設(shè)計該設(shè)計主要采用InnoSwitch3-ProINN3366C和Weltrend(WT6635P)USBPD控制器，能提供3.3V–11VPPS輸出的27W充電器,涵蓋5V/3A、9V/3A、11V/2.45A的PD3.0規(guī)格。超高效率的InnoSwitch3-Pro開關(guān)IC可提供電源輸出電壓及電流的數(shù)字化微調(diào)(10mV,50mA)，實(shí)現(xiàn)對電池充電的精確控制，使這款設(shè)計符合PPS快充協(xié)議，平均能效超過90%，待機(jī)功耗低于30mW，符合最新的能效標(biāo)準(zhǔn)。圖9：27WPD3.0-PPS輸出標(biāo)準(zhǔn)InnoSwitch3-Pro系列的INN3366C內(nèi)置650V高壓MOS，還包括初次級控制器。通過內(nèi)置FluxLink?直接檢測次級側(cè)輸出電壓和電流的方式，向初級IC傳遞信息，能滿足HIPOT（高壓絕緣）要求，并實(shí)現(xiàn)及時快速的動態(tài)響應(yīng)。多模式準(zhǔn)諧振(QR)/CCM反激式控制器、同步整流驅(qū)動器，可在所有輸入電壓及負(fù)載下實(shí)現(xiàn)效率的優(yōu)化。驅(qū)動低成本的N溝道MOSFET串聯(lián)負(fù)載開關(guān)。集成了3.6V電源，用于為外部微控制器(MCU)供電。通過I2C接口實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整電源電壓及電流、遙測狀態(tài)回讀、各種功能的設(shè)定。此外，該方案還集成全面的保護(hù)機(jī)制；對輸入電壓進(jìn)行監(jiān)測，以便進(jìn)行精確的電壓緩升/跌落保護(hù)和過壓保護(hù)、可單獨(dú)設(shè)定輸出過壓/欠壓故障的響應(yīng)方式、次級同步整流FET/二極管短路保護(hù)、SRFET柵極驅(qū)動開路檢測、遲滯熱關(guān)斷保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、開環(huán)保護(hù)等。工程師采用該方案可輕松設(shè)計出支持PD3.0-PPS的高能效、高功率密度和高可靠度的電源適配器，用于智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等。1.主要特性描述數(shù)字控制CV/CC準(zhǔn)諧振(QR)反激式控制器、內(nèi)置高壓MOS、次級側(cè)檢測和同步整流驅(qū)動器集成的I2C接口，支持使用更簡單的USBPD控制器（10pin）精準(zhǔn)遙測和綜合保護(hù)偉詮優(yōu)化的pin腳較少的USBPD3.0-PPS專用控制器WT6635P采用副邊反饋比原邊反饋帶來很多優(yōu)勢對變壓器的一致性要求不敏感滿足DOE6、CoCV52016的能效要求(大于1%的效率余量)符合PPS協(xié)議的電壓和電流的調(diào)整輸出過壓和過流保護(hù)<30mW的空載功耗內(nèi)置過溫保護(hù)PPS模式下電壓以20mV，電流以50mA的階躍調(diào)整圖10：27WUSBPD3-PPS充電器原理圖2.變壓器參數(shù)采用簡單的變壓器結(jié)構(gòu)，在滿足DoE及溫升同時，配合INN3366C的頻率調(diào)制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)出色的EMI性能。圖11：27WUSBPD3-PPS充電器變壓器參數(shù)3.能效和性能測試在90Vac、115Vac、230Vac、264Vac條件下，測得該方案于5V輸出的待機(jī)功耗低于25mW，在評估板端測得在115Vac和230Vac的條件下，9V/3A輸出的平均能效超過90%。圖12：空載功耗及效率在上述所有條件下測得的紋波和噪聲都低于100mV，動態(tài)性能出色，散熱性良好。在輸出最高電壓、最大負(fù)載時測得漏極最大電壓532V，降額為81.