10W CV/CC USB充電器參考設(shè)計(jì)報(bào)告

一、引言

大家好，今天要和大家分享的是一份關(guān)于10W CV/CC USB充電器的參考設(shè)計(jì)報(bào)告。該設(shè)計(jì)采用了InnoSwitch - CH系列的INN2023K芯片，旨在展示高集成度下的高功率密度和高效率，同時(shí)保證出色的性能。本報(bào)告涵蓋了電源規(guī)格、原理圖、物料清單、變壓器文檔、印刷電路板布局以及性能數(shù)據(jù)等方面。

文件下載：RDK-420.pdf

二、電源規(guī)格

2.1 輸入要求

• 電壓范圍：85 - 265 VAC，適用于不同地區(qū)的電網(wǎng)電壓。
• 頻率：50 - 64 Hz，能適應(yīng)常見(jiàn)的電網(wǎng)頻率。
• 空載輸入功率：在230 VAC時(shí)小于10 mW，符合節(jié)能要求。

2.2 輸出參數(shù)

• 輸出電壓：4.75 - 5.25 V，考慮了0.35 V的電纜電阻壓降。
• 瞬態(tài)輸出電壓：在0 A - 2 A - 0 A負(fù)載階躍時(shí)，范圍為4.2 - 5.5 V。
• 輸出紋波電壓：在輸出電纜末端不超過(guò)150 mV。
• 輸出電纜補(bǔ)償：在2 A輸出電流時(shí)，補(bǔ)償范圍為250 - 350 mV。
• 輸出電流：恒流點(diǎn)為2 - 2.5 A。
• 自動(dòng)重啟電壓：在電纜末端為2 - 3.5 V。
• 開(kāi)啟上升時(shí)間：小于20 ms。
• 額定輸出功率：10 W。

2.3 效率指標(biāo)

• 平均效率（在USB插座處）：達(dá)到84%。
• 考慮電纜電阻壓降后的平均效率：為80%。
• 10%負(fù)載時(shí)效率：79%。

2.4 環(huán)境與其他要求

• 輸出電纜阻抗：190 mΩ。
• 傳導(dǎo)EMI：符合CISPR22B / EN55022B標(biāo)準(zhǔn)，有6 dB余量。
• 安全標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)滿足IEC950 / UL1950 Class II。
• 可聽(tīng)噪聲：在3 cm處測(cè)量小于25 dB。
• 線路浪涌：共模（L1/L2 - PE）6 kV，ESD接觸為±8 kV，空氣放電為±16.5 kV，且性能無(wú)下降。
• 環(huán)境溫度：0 - 40 °C，適用于密封外殼內(nèi)的自由對(duì)流環(huán)境。

大家思考一下，這些規(guī)格參數(shù)對(duì)于實(shí)際的充電器應(yīng)用有哪些重要意義呢？

三、電路描述

3.1 輸入EMI濾波

• 保險(xiǎn)絲F1：保護(hù)初級(jí)側(cè)元件，防止災(zāi)難性故障。
• 浪涌限制熱敏電阻RT1：由于整流二極管（D1 - D4）的浪涌電流額定值較低，以及大容量存儲(chǔ)電容C2和C4的低阻抗，所以需要RT1來(lái)限制浪涌電流。這里選用了物理尺寸小的二極管D1 - D4，以適應(yīng)有限的空間。
• 電容C2和C4：對(duì)整流后的交流輸入進(jìn)行濾波，與L1和L2組成π型濾波器，衰減差模EMI。
• Y電容C8：降低共模EMI。

3.2 InnoSwitch - CH IC初級(jí)

• 變壓器連接：變壓器初級(jí)一側(cè)連接到整流后的直流母線，另一側(cè)連接到InnoSwitch - CH IC（U1）內(nèi)部的650 V功率MOSFET。
• RCD鉗位電路：由D1、R1、R14和C1組成，限制由于變壓器和輸出走線電感效應(yīng)產(chǎn)生的漏極峰值電壓。
• 啟動(dòng)與供電：IC具有自啟動(dòng)功能，當(dāng)首次施加交流電源時(shí)，使用內(nèi)部高壓電流源對(duì)BPP引腳電容（C6）充電。正常運(yùn)行時(shí)，初級(jí)側(cè)模塊由變壓器的輔助繞組供電，該繞組輸出經(jīng)整流和濾波（D2和C5）后，通過(guò)限流電阻R4輸入到BPP引腳。
• 輸出調(diào)節(jié)：采用開(kāi)/關(guān)控制，根據(jù)輸出負(fù)載調(diào)整啟用的開(kāi)關(guān)周期數(shù)量。高負(fù)載時(shí)大部分開(kāi)關(guān)周期啟用，輕負(fù)載或空載時(shí)大部分周期禁用或跳過(guò)。一旦一個(gè)周期啟用，功率MOSFET保持導(dǎo)通，直到初級(jí)電流上升到特定工作狀態(tài)下的器件電流限制。有四種工作狀態(tài)（電流限制），使初級(jí)電流開(kāi)關(guān)模式的頻率成分保持在可聽(tīng)范圍之外，輕負(fù)載時(shí)變壓器磁通密度和可聽(tīng)噪聲極低。

3.3 InnoSwitch - CH IC次級(jí)

• 輸出電壓與電流傳感：提供輸出電壓、輸出電流傳感，并驅(qū)動(dòng)MOSFET進(jìn)行同步整流。
• 整流與濾波：變壓器次級(jí)由Q1整流，C10濾波。通過(guò)緩沖元件R7和C9減少開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間的高頻振鈴，避免在Q1上產(chǎn)生高電壓和輻射EMI。
• 同步整流：Q1實(shí)現(xiàn)同步整流，其柵極根據(jù)通過(guò)R5檢測(cè)的繞組電壓和IC的FWD引腳信號(hào)開(kāi)啟。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，功率MOSFET在次級(jí)側(cè)命令初級(jí)進(jìn)行新的開(kāi)關(guān)周期之前關(guān)閉；在不連續(xù)模式下，當(dāng)MOSFET兩端的電壓降低于閾值時(shí)關(guān)閉。次級(jí)側(cè)對(duì)初級(jí)側(cè)MOSFET的控制確保它不會(huì)與同步整流MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)從SR/P引腳輸出。
• 自供電：IC次級(jí)可由次級(jí)繞組正向電壓或輸出電壓自供電。恒壓運(yùn)行時(shí)，輸出電壓為器件供電；恒流運(yùn)行時(shí)，輸出電壓下降，器件直接從次級(jí)繞組獲取電源。在初級(jí)側(cè)MOSFET導(dǎo)通期間，次級(jí)繞組上的正向電壓通過(guò)R5和內(nèi)部調(diào)節(jié)器對(duì)去耦電容C7充電。當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓低于3 V時(shí)，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。
• 輸出電流傳感：在IS和GND引腳之間內(nèi)部檢測(cè)輸出電流，閾值為35 mV，以最小化損耗。超過(guò)內(nèi)部電流檢測(cè)閾值時(shí)，設(shè)備調(diào)整啟用的開(kāi)關(guān)周期數(shù)量，以保持固定的輸出電流。低于恒流閾值時(shí)，設(shè)備工作在恒壓模式，通過(guò)電阻分壓器R8和R9檢測(cè)輸出電壓，參考電壓為1.265 V。

大家想想，這種初級(jí)和次級(jí)的設(shè)計(jì)方式在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)哪些優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)呢？

四、PCB布局

PCB銅厚度為2 oz（2.8 mils / 70 μm），除非另有說(shuō)明。合理的PCB布局對(duì)于充電器的性能至關(guān)重要，它可以減少電磁干擾，提高散熱效率等。大家在設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，要充分考慮元件的放置和走線的合理性。

五、物料清單

詳細(xì)列出了充電器所需的各種元件，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、變壓器等，以及它們的規(guī)格、制造商和型號(hào)。這些元件的選擇直接影響到充電器的性能和成本，大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體需求進(jìn)行合理選擇。

六、變壓器規(guī)格

6.1 電氣圖

展示了變壓器的電氣連接方式，包括初級(jí)、次級(jí)、偏置和屏蔽繞組的匝數(shù)和線規(guī)。

6.2 電氣規(guī)格

• 初級(jí)電感：在100 kHz、0.4 VRMS下測(cè)量，引腳3 - 4之間為546 μH ±5%。
• 諧振頻率：引腳3 - 4之間，其他繞組開(kāi)路時(shí)，最小為1200 kHz。
• 初級(jí)漏電感：引腳3 - 4，引腳5 - 6短路時(shí)，在100 kHz、0.4 VRMS下測(cè)量，最大為25 μH。

6.3 材料

• 磁芯：EE1621，PC - 40或等效材料。
• 骨架：EE1621 - 垂直8引腳（4/4）。
• 磁線：包括#30 AWG、#34 AWG和#22 AWG等不同規(guī)格。
• 膠帶：3M 1298聚酯薄膜，2 mil厚，5.5 mm寬。
• 環(huán)氧樹(shù)脂：Devcon 5分鐘環(huán)氧樹(shù)脂，No. 14210或等效材料。
• 母線：#24 AWG。
• 清漆：Dolph BC - 359。

6.4 構(gòu)建圖與說(shuō)明

詳細(xì)說(shuō)明了變壓器的繞制方法和步驟，包括繞組的起始引腳、匝數(shù)、層間絕緣等。正確的變壓器繞制對(duì)于充電器的性能和安全性至關(guān)重要，大家在制作變壓器時(shí)要嚴(yán)格按照說(shuō)明進(jìn)行操作。

七、變壓器設(shè)計(jì)電子表格

提供了變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)參數(shù)，包括輸入輸出信息、開(kāi)關(guān)頻率、電流限制、繞組匝數(shù)、電感等。這些參數(shù)的計(jì)算和選擇是基于充電器的性能要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，大家可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

八、性能數(shù)據(jù)

8.1 有源模式效率

• 與輸入電壓的關(guān)系：展示了在不同輸入電壓下，USB插座處的效率變化曲線。
• 與負(fù)載的關(guān)系：分別給出了有無(wú)肖特基二極管與Q1（SR FET）并聯(lián)時(shí)，效率隨負(fù)載的變化情況。從這些曲線中，我們可以分析出充電器在不同工作條件下的效率表現(xiàn)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高效率。

8.2 空載輸入功率

展示了空載輸入功率隨輸入線電壓的變化曲線，有助于評(píng)估充電器的節(jié)能性能。

8.3 平均效率

• 效率要求：列出了不同標(biāo)準(zhǔn)下的效率要求。
• 115 VAC輸入時(shí)的平均效率：分別給出了有無(wú)肖特基二極管與Q1（SR FET）并聯(lián)時(shí)的平均效率數(shù)據(jù)。

8.4 CV/CC調(diào)節(jié)

測(cè)量了電纜末端的CV/CC調(diào)節(jié)情況，確保輸出電壓和電流的穩(wěn)定性。

九、熱性能、波形與EMI測(cè)試

9.1 開(kāi)放外殼熱性能

測(cè)試了充電器在開(kāi)放外殼條件下的熱性能，確保其在正常工作時(shí)不會(huì)過(guò)熱。

9.2 波形測(cè)試

包括負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、開(kāi)關(guān)波形、InnoSwitch - CH波形、SR FET波形和輸出紋波測(cè)量等。這些波形測(cè)試可以幫助我們了解充電器在不同工作狀態(tài)下的電氣特性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。

9.3 EMI測(cè)試

• 傳導(dǎo)EMI：在不同負(fù)載和接地條件下進(jìn)行測(cè)試，確保充電器符合相關(guān)的EMI標(biāo)準(zhǔn)。
• 輻射EMI：測(cè)試充電器的輻射電磁干擾情況。
• 可聽(tīng)噪聲：測(cè)量充電器產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲水平。

9.4 雷擊與ESD測(cè)試

進(jìn)行了差模、共模和ESD測(cè)試，確保充電器在惡劣環(huán)境下的可靠性和安全性。

十、總結(jié)

這份參考設(shè)計(jì)報(bào)告為10W CV/CC USB充電器的設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的方案和性能數(shù)據(jù)。通過(guò)采用InnoSwitch - CH系列芯片，該充電器實(shí)現(xiàn)了高功率密度、高效率和出色的性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體需求對(duì)電路、PCB布局和變壓器等進(jìn)行優(yōu)化，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。大家在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，可以參考這份報(bào)告，同時(shí)結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。希望這份報(bào)告能對(duì)大家的設(shè)計(jì)工作有所幫助，大家在實(shí)際應(yīng)用中還有哪些疑問(wèn)或者改進(jìn)的想法呢？歡迎一起交流討論。