中電集團(tuán)電子九所 湛 祿 黃 蓉

引言

USB PD 是USB-Power Delivery的簡(jiǎn)稱，是一種快充協(xié)議。我們目前在手機(jī)充電器里應(yīng)用最為廣泛的快充協(xié)議是高通的QC2.0，QC3.0以及即剛面世的QC4.0。QC2.0輸出電壓為5V,9V,12V三種電壓，最大輸出功率為18W.QC3.0是從3.6V-12V,以0.2V為一個(gè)變化梯度，其中3.6-6.5V 時(shí)輸出最大電流為3A,9V時(shí)2A,12V時(shí)1.5A，最大輸出功率為19.5W.QC4.0加入了USB PD支持，取消了12V,5V最大輸出為5.6A,9V最大輸出為3A,最大輸出功率為28W。

而USB PD是USB協(xié)會(huì)的快充協(xié)議，目前最高版本為3.0. V1.0和V2.0為定電壓輸出，輸出電壓分別為5V,9V,15V,20V，根據(jù)用戶需要還有12V.最大輸出電壓可以到5A,即最大輸出功率為100W.V3.0還兼容QC2.0，QC3.0，其V3.0之1.1還兼容QC4.0。

USB PD開(kāi)始主要是針對(duì)筆記本適配器市場(chǎng)，隨著版本的提高，其已兼容高通的QC協(xié)議，故也應(yīng)用到手機(jī)充電器市場(chǎng)。正是因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，PD開(kāi)關(guān)電源才有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1

圖2

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 本開(kāi)關(guān)電源的基本技術(shù)參數(shù)如下：

輸入：100-240V 50/60HZ

輸出：5V/3A, 9V/3A, 12V/3A, 20V/3.25A.

平均效率：滿足DOE 6級(jí)能效。

輸出紋波 ≤120mv

EMI 符合EN55032 CLASS B.

1.2 原理圖設(shè)計(jì)

從技術(shù)參數(shù)看，輸出最大功率為65W,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用單端反激式。AC-DC芯片采用NE1118.為提高開(kāi)關(guān)電源效率，輸出采用同步整流方式。PD協(xié)議芯片采用臺(tái)灣偉詮的WT6632F.

1.2.1 AC-DC原理圖如圖1所示。

電路功能及原理如下：

U1為AC-DC控制芯片，帶高壓?jiǎn)?dòng)無(wú)需啟動(dòng)電阻，且?guī)電容放電功能，無(wú)需X放電電阻，故電路較為簡(jiǎn)潔。1腳帶輸入OVP及OTP保護(hù)；2腳為FB腳；3腳為輸入電流取樣腳；4腳為地；5腳為MOS驅(qū)動(dòng)；6腳為VCC；7腳NC；8腳為高壓?jiǎn)?dòng)腳。

1.2.2 PD接口電路如圖2所示。

WT6632F為臺(tái)灣偉詮電子所出的一款符合PD3.0協(xié)議的識(shí)別IC，自帶電壓輸出控制，外圍電路無(wú)需TL431來(lái)作為穩(wěn)壓。

WT6632F除了滿足PD3.0協(xié)議外，還符合高通的QC2.0，QC3.0，其6,7腳就為D+,D- USB識(shí)別腳位.即本適配器既用于筆記本的供電也可用于手機(jī)的充電。

2 關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)

2.1 輸入整流橋堆選取

2.1.1 在最低輸入電壓90V時(shí)(效率設(shè)為0.85)橋堆的最大平均電流為：

功耗為：2*0.71=1.42W

2.1.2 二極管在90V時(shí)導(dǎo)通時(shí)峰值電流[1]

2.1.3 在最高輸入電壓時(shí)的反向電壓為：

Ud=264*1.41=372V。

故選用橋堆4A 600V。

2.2 變壓器設(shè)計(jì)

本適配器根據(jù)外殼情況選用EQ3014.

參數(shù)：AE=138mm2

繞線高度4.75mm，槽寬10mm，平均匝長(zhǎng)：62mm。

工作頻率65KHZ。

2.2.1 初次級(jí)圈數(shù)計(jì)算

因輸入電壓范圍為5-20V，以最大功率輸出來(lái)計(jì)算。

為方便選取后級(jí)MOS，考慮到成本，選用耐壓100V的?？紤]降額，取90V。即在輸入電壓264V輸出20V時(shí)，MOS上最高電壓為90V。則砸比N為：

1）設(shè)次級(jí)NS=3T，則NP=24T

2）設(shè)?B=0.33-0.33*10%=0.297T，則：

3) 此時(shí)可算出臨界輸入電壓為76V AC

電感LP=420U

2.2.2 初次級(jí)線徑選取

1）90V時(shí)初次級(jí)有效值電流計(jì)算

由上面可知，理論上本設(shè)計(jì)的臨界點(diǎn)為76VAC輸入，則在20V輸出是，在90V輸入時(shí)，電源工作在斷續(xù)模式。

次級(jí)電感LS=420/64=6.56UH，設(shè)輸出MOS導(dǎo)通占空比為D，輸出次級(jí)峰值電流為IS，輸出電流為IO，輸出電壓為VO，工作周期為T，則有：

LS*IS=VO*D*T即 6.56E-6*IS=20*D*15.3E-6

IO=0.5*IS*D 即0.5* 3.25=IS*D

則：IS=17.4A,D=0.373

則次級(jí)有效值電流為：6.13A

因IS=17.4，則：

初級(jí)平均值電流為IAV=65/(0.85*100)=0.76A.

則初級(jí)有效值電流為1.13A

2）初次級(jí)線徑選取

初級(jí)電流密度選7A/mm2，則初級(jí)線徑選0.45mm。次級(jí)電流密度選8A/mm2，則次級(jí)線徑選4根0.5三層絕緣線。

3）初級(jí)VCC及屏蔽。

初級(jí)VCC在輸出5V時(shí)電壓設(shè)置在12V，則初級(jí)VCC繞組匝數(shù)為10T。

變壓器工藝采用初夾次的三明治結(jié)構(gòu)，且在初次級(jí)間加屏蔽，以滿足EMI要求。

2.3 輸入電容設(shè)計(jì)[2]

90V時(shí)輸入紋波電壓選取40%，則：

0.5 *C(1262-762) ≥（65/0.88）*6.5E-3

C ≥ 95UF

考慮電容的誤差，選取120UF 400V

2.4 輸出電容選取

1)求電容紋波電流

2)故選用2個(gè)紋波電流為5A的470UF 25V的固態(tài)電容。

其：ESR = 11m R

此時(shí)輸出電流紋波為17.4*11/2=95.7mv<120mv，滿足要求。

3) 功耗為：

P = 5.19*5.19* 11E-3 = 0.296W

4)最小容量計(jì)算

輸出電壓紋波小于120mv，則：

可知所選電容容量也滿足要求。

2.5 輸入MOS選取

1）耐壓選取

VDS=375+8*20+50=585V

降額90%，選用耐壓650V的MOS。

2）Rdson 選取

散熱器熱阻選用20°/W，根據(jù)要求，溫升為20°，故MOS的功耗為設(shè)導(dǎo)通功耗為1W，設(shè)在90V時(shí)導(dǎo)通損耗為60%

故選用耐壓650，RDSon小于420毫歐電阻的MOS。

2.6 輸出同步整流MOS管的選取。

1)耐壓確定，如上已設(shè)定為100V

2)電流及Rdson選定

根據(jù)控制IC參數(shù)，其壓降為75mv，又次級(jí)ISP=17.4A,選其中間值為臨界點(diǎn)，則：

Rdson<75/(8.7)= 8.6m R

3)導(dǎo)通功耗(90V輸入時(shí))

PD = 6.14*6.14*8.6E-3 = 0.324W

3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，性能滿足要求：

平均效率如下：

5V 9V 115VAC 83.4% 88.3%230VAC 83.8% 88.9%限制 ≥81.39% ≥86.62%12V 20 89.1% 90.3%89.2% 90.5%≥87.73% ≥88%

[1]Sanjaya Maniktala著,王志強(qiáng)等譯.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京：電子業(yè)出版社,2006.

[2]沙占友,王彥朋等著.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].中國(guó)電力出版社,2009,154-157.