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)設定的保護功能。遙測技術(shù)可提供、可設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 - 典型應用基本原理圖

　　InnoSwitch3-Pro在快充領域的應用

　　快充的由來及發(fā)展

　　隨著科技的發(fā)展，智能手機進入大屏時代，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)也就應運而生。當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。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計者來講也是一項不小的挑戰(zhàn)。那么InnoSwitch3-Pro的設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，在變壓器的設計時，當工作頻率<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定。而所有這些強大的設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、高能效的設計

　　該設計主要采用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。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、可單獨設定輸出過壓/欠壓故障的響應方式、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)設定的 InnoSwitch?3-Pro 系列IC所設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定。而所有這些強大的設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、高能效的設計

　　該設計主要采用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。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、可單獨設定輸出過壓/欠壓故障的響應方式、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)設定的 InnoSwitch?3-Pro 系列IC所設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。