基于InnoSwitch-EP INN2904K的17.5W双输出电源设计

在电子设备的设计中，电源供应是至关重要的一环。今天，我们将深入探讨一款基于InnoSwitch - EP INN2904K的17.5W双输出电源设计。这款电源具有高集成度、高效率和出色的性能，非常适合嵌入式电源应用。

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一、电源概述

本设计采用InnoSwitch - EP系列的INN2904K芯片，具备900V额定MOSFET，能够实现12V、1.25A和5V、0.5A的双输出。该设计展示了高功率密度和高效率，同时还提供了卓越的性能。文档涵盖了电源规格、原理图、物料清单、变压器文档、印刷电路板布局和性能数据等内容。

二、电源规格

输入规格

• 电压范围：85 - 484VAC，采用2线输入。
• 频率范围：47 - 64Hz，常见的50/60Hz也适用。

输出规格

输出参数	最小值	典型值	最大值	单位	备注
输出电压1	4.75	5	5.25	V	±5%
输出纹波电压1	-	50	-	mV	20MHz带宽
输出电流1	0	0.5	-	A	-
输出电压2	10.2	12	13.8	V	±15%（在12V输出有0.1A最小负载时为±10%）
输出纹波电压2	-	150	-	mV	20MHz带宽
输出电流2	0	1.25	-	A	-

其他规格

• 总输出功率：连续输出功率为17.5W。
• 效率：在110/230VAC、25°C环境下，满载效率达到86%。
• 空载输入功率：在230VAC输入时，空载输入功率为280mW。
• 环境适应性：传导EMI符合CISPR22B / EN55022B标准；安全设计满足IEC950、UL1950 Class II要求；能承受1.2/50µs浪涌（差模2kV，共模6kV）；ESD防护能力为空气放电±16.5kV，接触放电±8kV；环境温度范围为0 - 40°C（自由对流，海平面）。

三、电路描述

输入EMI滤波

保险丝F1用于隔离电路，防止组件故障。共模电感L1与电容C1、C2、C17和C18共同作用，对EMI进行衰减。桥式整流器BR1将交流市电整流为直流，电容C1和C2组成滤波电路。热敏电阻RT1作为浪涌电流限制器，与高额定正向浪涌电流的桥式整流器配合使用。

InnoSwitch - EP初级电路

变压器初级的一侧连接到整流后的直流母线，另一侧连接到InnoSwitch - EP IC（U1）内部的900V功率MOSFET。由D1、R11、R12和C7组成的低成本RCD钳位电路，限制了由于变压器漏感和输出走线电感引起的漏极峰值电压。

IC具有自启动功能，当首次施加交流电源时，内部高压电流源为BPP引脚电容C8充电。正常工作时，初级侧模块由变压器的辅助绕组供电。辅助绕组输出经二极管D2整流和电容C6滤波后，通过限流电阻R9馈入BPP引脚。初级侧过压保护由齐纳二极管VR2和R28实现，当输出过压时，偏置绕组输出电压升高，使齐纳二极管VR2导通，触发InnoSwitch - EP IC初级侧控制器中的过压保护锁存器。

电阻R3、R4、R5、R10和R8用于检测线电压，并为U1提供与电容C1和C2两端直流电压成正比的电流。当直流电压约为78V时，这些电阻中的电流超过线欠压阈值，使U1启用；当直流电压约为700V时，电流超过线过压阈值，使U1禁用。

InnoSwitch - EP次级电路

InnoSwitch - EP的次级侧提供输出电压和电流检测，并驱动MOSFET进行同步整流。

5V输出的整流由SR FET Q2完成，低ESR电容C21进行滤波，电感L3和电容C25组成二级滤波器，显著衰减5V输出的高频纹波和噪声。

12V输出的整流由SR FET Q1完成，低ESR电容C12进行滤波，电感L2和电容C26组成二级滤波器，衰减12V输出的高频纹波和噪声。电容C14和C23用于抑制高频开关纹波和辐射EMI。

由R25和C24（用于Q2）、R14和C10（用于Q1）组成的RC缓冲网络，抑制了由于变压器绕组漏感和次级走线电感引起的SR FET高频振铃。

在连续导通模式下，功率MOSFET在次级侧控制器命令初级侧进行新的开关周期之前关闭；在不连续模式下，当MOSFET两端电压降至阈值（VSR(TH)）以下时关闭。次级侧对初级侧MOSFET的控制确保其不会与同步整流MOSFET同时导通，MOSFET驱动信号从SR/P引脚输出。

IC的次级侧可由次级绕组正向电压或输出电压供电。在恒压（CV）区域，输出电压通过内部调节器为设备供电，并为去耦电容C9充电；在启动和恒流（CC）区域，次级绕组正向电压通过R13为设备供电。当检测到输出电压低于3V时，设备进入自动重启模式。

电阻R16、R15和R23组成分压器网络，检测两个输出的电压，以实现更好的交叉调节。齐纳二极管VR1在仅5V输出有负载时改善交叉调节，使12V输出在规格上限运行。InnoSwitch - EP IC内部参考电压为1.265V。由电容C20、C15和电阻R24、R17组成的反馈补偿网络，降低输出纹波电压。电容C11用于去耦高频噪声，减少对电源运行的影响。总输出电流由R20和R21检测，阈值约为33mV，当超过该阈值时，设备调整开关脉冲数量以维持固定输出电流。

四、PCB布局

PCB铜厚为2oz（2.8mils / 70µm），除非另有说明。合理的PCB布局对于电源的性能和稳定性至关重要，它能够减少电磁干扰，提高电源的效率和可靠性。

五、物料清单

文档详细列出了电源设计所需的各种组件，包括桥式整流器、电容、二极管、电阻、电感、MOSFET、变压器等，以及它们的型号、制造商和数量。准确的物料清单是确保电源设计成功的基础，选择合适的组件能够提高电源的性能和稳定性。

六、变压器（T1）规格

电气图

变压器的电气图展示了各个绕组的连接方式和匝数，包括初级绕组、偏置绕组、屏蔽绕组和两个次级绕组。

电气规格

• 标称初级电感：在1VPK - PK、100kHz开关频率下，测量引脚2和FL3之间（其他绕组开路），电感值为381µH ±10%。
• 谐振频率：引脚2和FL3之间（其他绕组开路），谐振频率最小值为1100kHz。
• 初级漏感：引脚2和FL3之间（FL1、FL2、FL4、FL5短路），漏感最大值为10µH。

材料清单

包括磁芯（RM8，PC95 TDK或DMR95 from DMEGC magnetics）、骨架（RM8，垂直，12引脚）、磁芯夹、漆包线（不同规格）、绝缘胶带（3M 1298聚酯薄膜）和清漆（Dolph BC - 359）等。

变压器构建图和构建步骤

详细说明了变压器的绕制方式和绝缘处理，包括绕组的匝数、层数、绕线方向和绝缘胶带的使用等。合理的变压器设计和绕制工艺能够提高变压器的性能和效率，减少损耗和干扰。

七、共模电感（L1）规格

电气图

展示了共模电感的绕组连接方式，两个绕组各55匝，采用#31 AWG漆包线。

电气规格

• 电感：在100kHz、0.4RMS下，引脚1 - 4和引脚2 - 3的电感值为16.6mH ±25%。
• 磁芯有效电感：5500nH/N²。
• 初级漏感：引脚1 - 4（2 - 3短路），漏感为80µH。

材料清单

包括铁氧体磁环（多种可选）、电缆扎带和#31 AWG重型尼龙漆包线。

绕线说明

详细说明了绕线的步骤，包括使用电缆扎带将磁环分成两部分，分别绕制两个绕组，并使用热胶或环氧树脂固定绕组。

八、变压器设计电子表格

提供了变压器设计的详细参数，包括输入电压范围、输出电压和电流、效率估计、开关频率、保护参数、偏置绕组参数、变压器磁芯和结构参数等。这些参数对于变压器的设计和优化非常重要，能够确保变压器的性能和可靠性。

九、性能数据

满载效率与输入电压关系

展示了不同输入电压下的满载效率曲线，在110/230VAC、25°C环境下，满载效率达到86%。

空载输入功率

在230VAC输入时，空载输入功率为280mW。

线电压和负载调节

包括线电压调节（满载）和交叉负载调节，确保输出电压在不同输入电压和负载条件下的稳定性。

热性能

在85VAC和484VAC输入下，测试了电源的热性能，确保在不同环境条件下电源能够正常工作。

波形

包括负载瞬态响应、开关波形、输出电压和电流波形、输出纹波测量等，这些波形能够直观地反映电源的性能和工作状态。

ESD和EMI

ESD防护能力为空气放电±16.5kV，接触放电±8kV；传导EMI符合CISPR22B / EN55022B标准，确保电源在电磁环境中的稳定性。

雷击浪涌测试

通过组合波差模测试和环形波共模测试，验证了电源在雷击浪涌情况下的可靠性。

综上所述，这款基于InnoSwitch - EP INN2904K的17.5W双输出电源设计具有高集成度、高效率、出色的性能和良好的稳定性。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对设计进行优化和调整，以满足不同设备的电源需求。你在电源设计过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。