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基于InnoSwitch3-Pro系列27W PD3.0方案简化电源开发

作者:贝能国际时间:2018-12-12来源:韦德娱乐官网

  InnoSwitch?3-Pro系列IC可极大简化全数控高效率电源的开发和制造,尤其是那些采用紧凑外壳的电源。通用的I2C可实现输出电压及电流的动态控制,并且提供其他可动态设定的保护功能。遥测技术可提供、可设定功能和故障模式的报告。

本文引用地址:/article/201812/395553.htm

  InnoSwitch3-Pro器件适合于输出电压及电流需要精确(10 mV, 50 mA)调整的65 W以内的AC/DC电源应用。典型的实现方案包括一个系统微处理器或专用微处理器,其I2C端口可用于配置、控制和监测电源子系统的运行情况。uVCC引脚在独立方案(如USB PD适配器或充电器)中为微处理器提供

  

  InnoSwitch3-Pro系列有四个版本型号

  

  InnoSwitch3-Pro系列内部框图及基本电路

  

  图1:InnoSwitch3-Pro系列初级控制器框图(左)、 InnoSwitch3-Pro系列次级控制器框图(右)

  


  图2:InnoSwitch3-Pro - 典型应用基本原理图

  InnoSwitch3-Pro在快充领域的应用

  快充的由来及发展

  随着科技的发展,智能手机进入大屏时代,性能愈发强大,普及度也是越来越高,而它在我们的日常生活中的地位更是水涨船高。但是在电池技术没有什么突破性发展的今天,快充技术也就应运而生。当前常见的快充类型有高通、OPPO、MTK、华为、TI、PD等。

  

  图3:常见快充参数

  USB PD全称USB Power Delivery,是由USB-IF组织制定的一种标准,可实现更高电压和电流的传输,最大传输功率可达100W,并可以自由改变电力的传输方向,是当前主流的快充标准,USB PD现在已经发展到了 PD3.0版本。Type-C是一种新的接口规范,在实现了USB PD协议以后,能支持更高的充电功率、支持正反插入、有更快的传输速度(最高 10Gbps )等。

  USB-IF组织在原有的USB PD3.0基础上,通过与高通、泰尔实验室以及国内主流手机厂商的多方沟通,推出了(Programmable Power Supply),旨在一统技术规范。所以,-PPS快充标准是大势所趋,有望成为主流。

  PPS提供的接口输出电压从5V扩展到3.0V~21V,电流0-5A。可调整电压幅度为20mV,电流精度50mA,满足绝大多数技术流派的,可以实现低压大电流直充。

  图4:-PPS快充标准

  InnoSwitch3-Pro - 离线式反激电源的数字控制特点

  InnoSwitch3-Pro系列是一个能满足宽输出电压要求的-PPS电源方案; 改进的反激式拓扑可提供高性价比、并能满足DoE(6)效率要求的高效解决方案;具备I2C接口的高集成度的数字控制方案。

  任何优秀的设计方案,都离不开其高效性以及可靠性。大家都知道,结构越是简单,其可靠性将会越高, InnoSwitch3-Pro这种也是一样,由于其高度集成,因而整体方案的元件数目很少。在效率方面,此方案采用的变频技术可在整个负载范围内始终保持高效率,而更高的效率则意味着更低的热量耗散。此外,对于宽输出电压应用的PD3.0-PPS电源来说,电源不可避免地会工作于CCM或DCM工作方式,为了提高效率,方案中采用的同步整流及准谐振的开关方式,可以保证各种输出条件下均能实现高效。

  提升效率是电源设计的一大永恒话题。并且不管输入电压和负载如何变化,电源都始终需要维持平稳的高效率。随着PD3.0-PPS快充电源的出现,电源的输出电压需要根据负载的应用要求而改变,因而是否能在各种输出条件下均能满足国际能效标准的要求对设计者来讲也是一项不小的挑战。那么InnoSwitch3-Pro的设计方案具体是如何提高效率和可靠性的呢?

  1. SR开关时序的精确控制可提高效率和可靠性

  精确的初级开关管关断与次级SR开通时序可降低同步整流管体二极管的导通时间,从而提高效率。而次级整流管关断后再由次级侧发送初级侧功率开关管开通指令的时序控制方式可以保证在CCM工作方式下同步整流的高可靠性。

  图5:SR开关时序的精确控制

  2. EMI及音频噪声的优化可降低系统成本

  变压器屏蔽绕组可降低共模噪声,频率调制则可降低EMI扫描频谱中的峰值数值,从而可以降低EMI滤波元件的成本。在轻载下一般都是采用降低工作频率的方法来提高轻载效率,但在某一负载下,开关频率会降至20kHz以下并进入音频噪声范围。尤其当开关频率接近变压器本身的共振频率点时会产生比较大的音频噪音。为改善这种情况, InnoSwitch3-Pro所采用的先进的状态控制器可以防止电源工作于7至12kHz的开关频率下,而这一频段是大多数变压器产生噪音最大的工作频段。此外,为进一步降低音频噪音,在变压器的设计时,当工作频率<20kHz时,会确保磁通密度BAC<120mT。

  


  

  图6:EMI、轻载效率及音频噪声的优化


  3. 采用I2C接口

  除了以上设计优点,InnoSwitch3-Pro的方案还采用了集成的I2C接口,通过这个接口与外部微处理器进行通讯,通过软件对电源的输出电压及电流进行精确的动态阶跃控制——电压阶跃步长为10mV,电流阶跃步长为50mA——实现数字可编程的功率变换。这个带来的好处是支持USB PD3.0子集中的PPS,可以更精确的控制输出的电压档位。除了对输出特性进行外部编程控制以外,电源的各种保护特性也可进行人为个性化设定。而所有这些强大的设定功能只使用简单的外部微控制器即可实现,从而省去了复杂的针对不同协议的接口电路。整个系统具有安全、可靠且体积小的特点,且可实现远程控制和监视。

  

  图7:采用I2C接口电路

  高度集成的InnoSwitch3-Pro使应用电路更加精简

  集成了反激式控制器、高压MOSFET、次级侧检测和同步整流驱动器,带HIPOT隔离保护的FluxLink?集成反馈链路。超高的集成度,使电路更加简化,外壳更加紧凑,图8是对比行业其它PD3.0-PPS的方案。

  


  Vs

  

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

  实际应用电路对比

  采用InnoSwitch3-CP和的27W USB PD3.0-PPS充电器,使用了82个元器件;而采用InnoSwitch3-Pro和WT6635P USB PD控制器的27W USB PD3.0 -PPS充电器,却使用了58个元器件。大大简化了电路,提高了产品的可靠性。

  


  

  图9:实际应用电路对比

  基于InnoSwitch3-Pro系列的27W充电器方案实现紧凑、高能效的设计

  该设计主要采用InnoSwitch3-Pro INN3366C和Weltrend (WT6635P) USB PD控制器,能提供3.3V–11V PPS输出的27W充电器, 涵盖5V/3A、9V/3A、11V/2.45A的PD 3.0规格。超高效率的InnoSwitch3-Pro开关IC可提供电源输出电压及电流的数字化微调(10mV, 50mA),实现对电池充电的精确控制,使这款设计符合PPS快充协议,平均能效超过90%,待机功耗低于30 mW,符合最新的能效标准。

  


  

  图9:27W PD3.0-PPS输出标准

  InnoSwitch3-Pro系列的INN3366C内置650V高压MOS,还包括初次级控制器。通过内置FluxLink?直接检测次级侧输出电压和电流的方式,向初级IC传递信息,能满足HIPOT(高压绝缘)要求,并实现及时快速的动态响应。多模式准谐振(QR)/CCM反激式控制器、同步整流驱动器,可在所有输入电压及负载下实现效率的优化。驱动低成本的N沟道MOSFET串联负载开关。集成了3.6V电源,用于为外部微控制器(MCU)供电。通过I2C接口实现动态调整电源电压及电流、遥测状态回读、各种功能的设定。

  此外,该方案还集成全面的保护机制;对输入电压进行监测,以便进行精确的电压缓升/跌落保护和过压保护、可单独设定输出过压/欠压故障的响应方式、次级同步整流FET/二极管短路保护、SR FET栅极驱动开路检测、迟滞热关断保护、过流保护、短路保护、开环保护等。工程师采用该方案可轻松设计出支持PD3.0-PPS的高能效、高功率密度和高可靠度的电源适配器,用于智能手机、平板电脑和笔记本电脑等。

  1. 主要特性描述

  数字控制CV/CC准谐振(QR)反激式控制器、内置高压MOS、次级侧检测和同步整流驱动器

  集成的I2C接口,支持使用更简单的USB PD控制器(10pin)

  精准遥测和综合保护

  伟诠优化的pin脚较少的USB PD 3.0-PPS 专用控制器WT6635P

  采用副边反馈比原边反馈带来很多优势

  对变压器的一致性要求不敏感

  满足DOE6、CoC V5 2016的能效要求(大于1%的效率余量)

  符合PPS协议的电压和电流的调整

  输出过压和过流保护

  <30mW的空载功耗

  内置过温保护

  PPS模式下电压以20 mV,电流以50mA的阶跃调整

  

  图10:27W USB PD3-PPS充电器原理图

  2. 变压器参数

  采用简单的变压器结构,在满足DoE及温升同时,配合INN3366C的频率调制技术,能实现出色的EMI性能。

  

  图11:27W USB PD3-PPS充电器变压器参数

  3. 能效和性能测试

  在90 Vac、115 Vac、230 Vac、264 Vac 条件下,测得该方案于5 V输出的待机功耗低于25 mW,在评估板端测得在115 Vac和230 Vac的条件下,9 V/3 A输出的平均能效超过90%。

  


  

  图12:空载功耗及效率

  在上述所有条件下测得的纹波和噪声都低于100 mV, 动态性能出色,散热性良好。在输出最高电压、最大负载时测得漏极最大电压532V,降额为81.8%。

  在上述所有条件下测得的纹波和噪声都低于100 mV, 动态性能出色,散热性良好。在输出最高电压、最大负载时测得漏极最大电压532V,降额为81.8%。

  

  图13:关键器件温升测试

  

  图14:漏极最大电压

  总结:

  USB Type-C接口和USB PD协议将成为市场的主流。InnoSwitch3-Pro将助您设计出符合USB PD3.0-PPS标准的充电器。Power Integrations公司已使用Power Integrations?的可动态设定的 InnoSwitch?3-Pro 系列IC所设计的多款充电器成功通过了USB功率传输(PD) 3.0标准认证测试。


  3. 采用I2C接口

  除了以上设计优点,InnoSwitch3-Pro的方案还采用了集成的I2C接口,通过这个接口与外部微处理器进行通讯,通过软件对电源的输出电压及电流进行精确的动态阶跃控制——电压阶跃步长为10mV,电流阶跃步长为50mA——实现数字可编程的功率变换。这个带来的好处是支持USB PD3.0子集中的PPS,可以更精确的控制输出的电压档位。除了对输出特性进行外部编程控制以外,电源的各种保护特性也可进行人为个性化设定。而所有这些强大的设定功能只使用简单的外部微控制器即可实现,从而省去了复杂的针对不同协议的接口电路。整个系统具有安全、可靠且体积小的特点,且可实现远程控制和监视。

  

  图7:采用I2C接口电路

  高度集成的InnoSwitch3-Pro使应用电路更加精简

  集成了反激式控制器、高压MOSFET、次级侧检测和同步整流驱动器,带HIPOT隔离保护的FluxLink?集成反馈链路。超高的集成度,使电路更加简化,外壳更加紧凑,图8是对比行业其它PD3.0-PPS的方案。

  


  Vs

  

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

  实际应用电路对比

  采用InnoSwitch3-CP和的27W USB PD3.0-PPS充电器,使用了82个元器件;而采用InnoSwitch3-Pro和WT6635P USB PD控制器的27W USB PD3.0 -PPS充电器,却使用了58个元器件。大大简化了电路,提高了产品的可靠性。

  


  

  图9:实际应用电路对比

  基于InnoSwitch3-Pro系列的27W充电器方案实现紧凑、高能效的设计

  该设计主要采用InnoSwitch3-Pro INN3366C和Weltrend (WT6635P) USB PD控制器,能提供3.3V–11V PPS输出的27W充电器, 涵盖5V/3A、9V/3A、11V/2.45A的PD 3.0规格。超高效率的InnoSwitch3-Pro开关IC可提供电源输出电压及电流的数字化微调(10mV, 50mA),实现对电池充电的精确控制,使这款设计符合PPS快充协议,平均能效超过90%,待机功耗低于30 mW,符合最新的能效标准。

  


  

  图9:27W PD3.0-PPS输出标准

  InnoSwitch3-Pro系列的INN3366C内置650V高压MOS,还包括初次级控制器。通过内置FluxLink?直接检测次级侧输出电压和电流的方式,向初级IC传递信息,能满足HIPOT(高压绝缘)要求,并实现及时快速的动态响应。多模式准谐振(QR)/CCM反激式控制器、同步整流驱动器,可在所有输入电压及负载下实现效率的优化。驱动低成本的N沟道MOSFET串联负载开关。集成了3.6V电源,用于为外部微控制器(MCU)供电。通过I2C接口实现动态调整电源电压及电流、遥测状态回读、各种功能的设定。

  此外,该方案还集成全面的保护机制;对输入电压进行监测,以便进行精确的电压缓升/跌落保护和过压保护、可单独设定输出过压/欠压故障的响应方式、次级同步整流FET/二极管短路保护、SR FET栅极驱动开路检测、迟滞热关断保护、过流保护、短路保护、开环保护等。工程师采用该方案可轻松设计出支持PD3.0-PPS的高能效、高功率密度和高可靠度的电源适配器,用于智能手机、平板电脑和笔记本电脑等。

  1. 主要特性描述

  数字控制CV/CC准谐振(QR)反激式控制器、内置高压MOS、次级侧检测和同步整流驱动器

  集成的I2C接口,支持使用更简单的USB PD控制器(10pin)

  精准遥测和综合保护

  伟诠优化的pin脚较少的USB PD 3.0-PPS 专用控制器WT6635P

  采用副边反馈比原边反馈带来很多优势

  对变压器的一致性要求不敏感

  满足DOE6、CoC V5 2016的能效要求(大于1%的效率余量)

  符合PPS协议的电压和电流的调整

  输出过压和过流保护

  <30mW的空载功耗

  内置过温保护

  PPS模式下电压以20 mV,电流以50mA的阶跃调整

  

  图10:27W USB PD3-PPS充电器原理图

  2. 变压器参数

  采用简单的变压器结构,在满足DoE及温升同时,配合INN3366C的频率调制技术,能实现出色的EMI性能。

  

  图11:27W USB PD3-PPS充电器变压器参数

  3. 能效和性能测试

  在90 Vac、115 Vac、230 Vac、264 Vac 条件下,测得该方案于5 V输出的待机功耗低于25 mW,在评估板端测得在115 Vac和230 Vac的条件下,9 V/3 A输出的平均能效超过90%。

  


  

  图12:空载功耗及效率

  在上述所有条件下测得的纹波和噪声都低于100 mV, 动态性能出色,散热性良好。在输出最高电压、最大负载时测得漏极最大电压532V,降额为81.8%。

  在上述所有条件下测得的纹波和噪声都低于100 mV, 动态性能出色,散热性良好。在输出最高电压、最大负载时测得漏极最大电压532V,降额为81.8%。

  

  图13:关键器件温升测试

  

  图14:漏极最大电压

  总结:

  USB Type-C接口和USB PD协议将成为市场的主流。InnoSwitch3-Pro将助您设计出符合USB PD3.0-PPS标准的充电器。Power Integrations公司已使用Power Integrations?的可动态设定的 InnoSwitch?3-Pro 系列IC所设计的多款充电器成功通过了USB功率传输(PD) 3.0标准认证测试。


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