基于InnoSwitch3-Pro系列27W PD3.0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(10 mV, 50 mA)調(diào)整的65 W以內(nèi)的AC/DC電源應(yīng)用。典型的實現(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)的運行情況。uVCC引腳在獨立方案(如USB PD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，智能手機進入大屏?xí)r代，性能愈發(fā)強大，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)

　　USB PD全稱USB Power Delivery，是由USB-IF組織制定的一種快速充電標準，可實現(xiàn)更高電壓和電流的傳輸，最大傳輸功率可達100W，并可以自由改變電力的傳輸方向，是當(dāng)前主流的快充標準，USB PD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，在實現(xiàn)了USB PD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USB PD3.0基礎(chǔ)上，通過與高通、泰爾實驗室以及國內(nèi)主流手機廠商的多方溝通，推出了可編程電源PPS(Programmable Power Supply)，旨在一統(tǒng)快速充電技術(shù)規(guī)范。所以，USB PD3.0-PPS快充標準是大勢所趨，有望成為主流。

　　PPS提供的接口輸出電壓從5V擴展到3.0V~21V，電流0-5A?？烧{(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，可以實現(xiàn)低壓大電流直充。

　　圖4：USB PD3.0-PPS快充標準

　　InnoSwitch3-Pro - 離線式反激電源的數(shù)字控制特點

　　InnoSwitch3-Pro系列是一個能滿足寬輸出電壓要求的USB PD3.0-PPS電源方案; 改進的反激式拓撲可提供高性價比、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這種變頻反激式拓撲方案也是一樣，由于其高度集成，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諧振的開關(guān)方式，可以保證各種輸出條件下均能實現(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準的要求對設(shè)計者來講也是一項不小的挑戰(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，但在某一負載下，開關(guān)頻率會降至20kHz以下并進入音頻噪聲范圍。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，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行通訊，通過軟件對電源的輸出電壓及電流進行精確的動態(tài)階躍控制——電壓階躍步長為10mV，電流階躍步長為50mA——實現(xiàn)數(shù)字可編程的功率變換。這個帶來的好處是支持USB PD3.0子集中的PPS，可以更精確的控制輸出的電壓檔位。除了對輸出特性進行外部編程控制以外，電源的各種保護特性也可進行人為個性化設(shè)定。而所有這些強大的設(shè)定功能只使用簡單的外部微控制器即可實現(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，且可實現(xiàn)遠程控制和監(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。

　　Vs

　　圖8：InnoSwitch3-Pro PD3.0-PPS方案 Vs 其它PD3.0-PPS方案

　　實際應(yīng)用電路對比

　　采用InnoSwitch3-CP和WT6615F USB PD控制器的27W USB PD3.0-PPS充電器，使用了82個元器件;而采用InnoSwitch3-Pro和WT6635P USB PD控制器的27W USB PD3.0 -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：實際應(yīng)用電路對比

　　基于InnoSwitch3-Pro系列的27W充電器方案實現(xiàn)緊湊、高能效的設(shè)計

　　該設(shè)計主要采用InnoSwitch3-Pro INN3366C和Weltrend (WT6635P) USB PD控制器，能提供3.3V–11V PPS輸出的27W充電器, 涵蓋5V/3A、9V/3A、11V/2.45A的PD 3.0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%，待機功耗低于30 mW，符合最新的能效標準。

　　圖9：27W PD3.0-PPS輸出標準

　　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，并實現(xiàn)及時快速的動態(tài)響應(yīng)。多模式準諧振(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載下實現(xiàn)效率的優(yōu)化。驅(qū)動低成本的N溝道MOSFET串聯(lián)負載開關(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機制;對輸入電壓進行監(jiān)測，以便進行精確的電壓緩升/跌落保護和過壓保護、可單獨設(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、SR FET柵極驅(qū)動開路檢測、遲滯熱關(guān)斷保護、過流保護、短路保護、開環(huán)保護等。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、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USB PD控制器(10pin)

　　精準遙測和綜合保護

　　偉詮優(yōu)化的pin腳較少的USB PD 3.0-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、CoC V5 2016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

　　<30mW的空載功耗

　　內(nèi)置過溫保護

　　PPS模式下電壓以20 mV，電流以50mA的階躍調(diào)整

　　圖10：27W USB PD3-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)，能實現(xiàn)出色的EMI性能。

　　圖11：27W USB PD3-PPS充電器變壓器參數(shù)

　　3. 能效和性能測試

　　在90 Vac、115 Vac、230 Vac、264 Vac 條件下，測得該方案于5 V輸出的待機功耗低于25 mW，在評估板端測得在115 Vac和230 Vac的條件下，9 V/3 A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100 mV， 動態(tài)性能出色，散熱性良好。在輸出最高電壓、最大負載時測得漏極最大電壓532V，降額為81.8%。

　　在上述所有條件下測得的紋波和噪聲都低于100 mV， 動態(tài)性能出色，散熱性良好。在輸出最高電壓、最大負載時測得漏極最大電壓532V，降額為81.8%。

　　圖13：關(guān)鍵器件溫升測試

　　圖14：漏極最大電壓

　　總結(jié)：

　　USB Type-C接口和USB PD協(xié)議將成為市場的主流。InnoSwitch3-Pro將助您設(shè)計出符合USB PD3.0-PPS標準的充電器。Power Integrations公司已使用Power Integrations?的可動態(tài)設(shè)定的 InnoSwitch?3-Pro 系列IC所設(shè)計的多款充電器成功通過了USB功率傳輸(PD) 3.0標準認證測試。

　　3. 采用I2C接口

　　除了以上設(shè)計優(yōu)點，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行通訊，通過軟件對電源的輸出電壓及電流進行精確的動態(tài)階躍控制——電壓階躍步長為10mV，電流階躍步長為50mA——實現(xiàn)數(shù)字可編程的功率變換。這個帶來的好處是支持USB PD3.0子集中的PPS，可以更精確的控制輸出的電壓檔位。除了對輸出特性進行外部編程控制以外，電源的各種保護特性也可進行人為個性化設(shè)定。而所有這些強大的設(shè)定功能只使用簡單的外部微控制器即可實現(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，且可實現(xiàn)遠程控制和監(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。

　　Vs

　　圖8：InnoSwitch3-Pro PD3.0-PPS方案 Vs 其它PD3.0-PPS方案

　　實際應(yīng)用電路對比

　　采用InnoSwitch3-CP和WT6615F USB PD控制器的27W USB PD3.0-PPS充電器，使用了82個元器件;而采用InnoSwitch3-Pro和WT6635P USB PD控制器的27W USB PD3.0 -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：實際應(yīng)用電路對比

　　基于InnoSwitch3-Pro系列的27W充電器方案實現(xiàn)緊湊、高能效的設(shè)計

　　該設(shè)計主要采用InnoSwitch3-Pro INN3366C和Weltrend (WT6635P) USB PD控制器，能提供3.3V–11V PPS輸出的27W充電器, 涵蓋5V/3A、9V/3A、11V/2.45A的PD 3.0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%，待機功耗低于30 mW，符合最新的能效標準。

　　圖9：27W PD3.0-PPS輸出標準

　　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，并實現(xiàn)及時快速的動態(tài)響應(yīng)。多模式準諧振(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載下實現(xiàn)效率的優(yōu)化。驅(qū)動低成本的N溝道MOSFET串聯(lián)負載開關(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機制;對輸入電壓進行監(jiān)測，以便進行精確的電壓緩升/跌落保護和過壓保護、可單獨設(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、SR FET柵極驅(qū)動開路檢測、遲滯熱關(guān)斷保護、過流保護、短路保護、開環(huán)保護等。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、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USB PD控制器(10pin)

　　精準遙測和綜合保護

　　偉詮優(yōu)化的pin腳較少的USB PD 3.0-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、CoC V5 2016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

　　<30mW的空載功耗

　　內(nèi)置過溫保護

　　PPS模式下電壓以20 mV，電流以50mA的階躍調(diào)整

　　圖10：27W USB PD3-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)，能實現(xiàn)出色的EMI性能。

　　圖11：27W USB PD3-PPS充電器變壓器參數(shù)

　　3. 能效和性能測試

　　在90 Vac、115 Vac、230 Vac、264 Vac 條件下，測得該方案于5 V輸出的待機功耗低于25 mW，在評估板端測得在115 Vac和230 Vac的條件下，9 V/3 A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100 mV， 動態(tài)性能出色，散熱性良好。在輸出最高電壓、最大負載時測得漏極最大電壓532V，降額為81.8%。

　　在上述所有條件下測得的紋波和噪聲都低于100 mV， 動態(tài)性能出色，散熱性良好。在輸出最高電壓、最大負載時測得漏極最大電壓532V，降額為81.8%。

　　圖13：關(guān)鍵器件溫升測試

　　圖14：漏極最大電壓

　　總結(jié)：

　　USB Type-C接口和USB PD協(xié)議將成為市場的主流。InnoSwitch3-Pro將助您設(shè)計出符合USB PD3.0-PPS標準的充電器。Power Integrations公司已使用Power Integrations?的可動態(tài)設(shè)定的 InnoSwitch?3-Pro 系列IC所設(shè)計的多款充電器成功通過了USB功率傳輸(PD) 3.0標準認證測試。