10W CV/CC USB充电器参考设计报告

一、引言

大家好，今天要和大家分享的是一份关于10W CV/CC USB充电器的参考设计报告。该设计采用了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，同时保证出色的性能。本报告涵盖了电源规格、原理图、物料清单、变压器文档、印刷电路板布局以及性能数据等方面。

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二、电源规格

2.1 输入要求

• 电压范围：85 - 265 VAC，适用于不同地区的电网电压。
• 频率：50 - 64 Hz，能适应常见的电网频率。
• 空载输入功率：在230 VAC时小于10 mW，符合节能要求。

2.2 输出参数

• 输出电压：4.75 - 5.25 V，考虑了0.35 V的电缆电阻压降。
• 瞬态输出电压：在0 A - 2 A - 0 A负载阶跃时，范围为4.2 - 5.5 V。
• 输出纹波电压：在输出电缆末端不超过150 mV。
• 输出电缆补偿：在2 A输出电流时，补偿范围为250 - 350 mV。
• 输出电流：恒流点为2 - 2.5 A。
• 自动重启电压：在电缆末端为2 - 3.5 V。
• 开启上升时间：小于20 ms。
• 额定输出功率：10 W。

2.3 效率指标

• 平均效率（在USB插座处）：达到84%。
• 考虑电缆电阻压降后的平均效率：为80%。
• 10%负载时效率：79%。

2.4 环境与其他要求

• 输出电缆阻抗：190 mΩ。
• 传导EMI：符合CISPR22B / EN55022B标准，有6 dB余量。
• 安全标准：设计满足IEC950 / UL1950 Class II。
• 可听噪声：在3 cm处测量小于25 dB。
• 线路浪涌：共模（L1/L2 - PE）6 kV，ESD接触为±8 kV，空气放电为±16.5 kV，且性能无下降。
• 环境温度：0 - 40 °C，适用于密封外壳内的自由对流环境。

大家思考一下，这些规格参数对于实际的充电器应用有哪些重要意义呢？

三、电路描述

3.1 输入EMI滤波

• 保险丝F1：保护初级侧元件，防止灾难性故障。
• 浪涌限制热敏电阻RT1：由于整流二极管（D1 - D4）的浪涌电流额定值较低，以及大容量存储电容C2和C4的低阻抗，所以需要RT1来限制浪涌电流。这里选用了物理尺寸小的二极管D1 - D4，以适应有限的空间。
• 电容C2和C4：对整流后的交流输入进行滤波，与L1和L2组成π型滤波器，衰减差模EMI。
• Y电容C8：降低共模EMI。

3.2 InnoSwitch - CH IC初级

• 变压器连接：变压器初级一侧连接到整流后的直流母线，另一侧连接到InnoSwitch - CH IC（U1）内部的650 V功率MOSFET。
• RCD钳位电路：由D1、R1、R14和C1组成，限制由于变压器和输出走线电感效应产生的漏极峰值电压。
• 启动与供电：IC具有自启动功能，当首次施加交流电源时，使用内部高压电流源对BPP引脚电容（C6）充电。正常运行时，初级侧模块由变压器的辅助绕组供电，该绕组输出经整流和滤波（D2和C5）后，通过限流电阻R4输入到BPP引脚。
• 输出调节：采用开/关控制，根据输出负载调整启用的开关周期数量。高负载时大部分开关周期启用，轻负载或空载时大部分周期禁用或跳过。一旦一个周期启用，功率MOSFET保持导通，直到初级电流上升到特定工作状态下的器件电流限制。有四种工作状态（电流限制），使初级电流开关模式的频率成分保持在可听范围之外，轻负载时变压器磁通密度和可听噪声极低。

3.3 InnoSwitch - CH IC次级

• 输出电压与电流传感：提供输出电压、输出电流传感，并驱动MOSFET进行同步整流。
• 整流与滤波：变压器次级由Q1整流，C10滤波。通过缓冲元件R7和C9减少开关瞬态期间的高频振铃，避免在Q1上产生高电压和辐射EMI。
• 同步整流：Q1实现同步整流，其栅极根据通过R5检测的绕组电压和IC的FWD引脚信号开启。在连续导通模式下，功率MOSFET在次级侧命令初级进行新的开关周期之前关闭；在不连续模式下，当MOSFET两端的电压降低于阈值时关闭。次级侧对初级侧MOSFET的控制确保它不会与同步整流MOSFET同时导通，MOSFET驱动信号从SR/P引脚输出。
• 自供电：IC次级可由次级绕组正向电压或输出电压自供电。恒压运行时，输出电压为器件供电；恒流运行时，输出电压下降，器件直接从次级绕组获取电源。在初级侧MOSFET导通期间，次级绕组上的正向电压通过R5和内部调节器对去耦电容C7充电。当检测到输出电压低于3 V时，设备进入自动重启模式。
• 输出电流传感：在IS和GND引脚之间内部检测输出电流，阈值为35 mV，以最小化损耗。超过内部电流检测阈值时，设备调整启用的开关周期数量，以保持固定的输出电流。低于恒流阈值时，设备工作在恒压模式，通过电阻分压器R8和R9检测输出电压，参考电压为1.265 V。

大家想想，这种初级和次级的设计方式在实际应用中会带来哪些优势和挑战呢？

四、PCB布局

PCB铜厚度为2 oz（2.8 mils / 70 µm），除非另有说明。合理的PCB布局对于充电器的性能至关重要，它可以减少电磁干扰，提高散热效率等。大家在设计PCB布局时，要充分考虑元件的放置和走线的合理性。

五、物料清单

详细列出了充电器所需的各种元件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、变压器等，以及它们的规格、制造商和型号。这些元件的选择直接影响到充电器的性能和成本，大家在实际设计中要根据具体需求进行合理选择。

六、变压器规格

6.1 电气图

展示了变压器的电气连接方式，包括初级、次级、偏置和屏蔽绕组的匝数和线规。

6.2 电气规格

• 初级电感：在100 kHz、0.4 VRMS下测量，引脚3 - 4之间为546 µH ±5%。
• 谐振频率：引脚3 - 4之间，其他绕组开路时，最小为1200 kHz。
• 初级漏电感：引脚3 - 4，引脚5 - 6短路时，在100 kHz、0.4 VRMS下测量，最大为25 µH。

6.3 材料

• 磁芯：EE1621，PC - 40或等效材料。
• 骨架：EE1621 - 垂直8引脚（4/4）。
• 磁线：包括#30 AWG、#34 AWG和#22 AWG等不同规格。
• 胶带：3M 1298聚酯薄膜，2 mil厚，5.5 mm宽。
• 环氧树脂：Devcon 5分钟环氧树脂，No. 14210或等效材料。
• 母线：#24 AWG。
• 清漆：Dolph BC - 359。

6.4 构建图与说明

详细说明了变压器的绕制方法和步骤，包括绕组的起始引脚、匝数、层间绝缘等。正确的变压器绕制对于充电器的性能和安全性至关重要，大家在制作变压器时要严格按照说明进行操作。

七、变压器设计电子表格

提供了变压器设计的详细参数，包括输入输出信息、开关频率、电流限制、绕组匝数、电感等。这些参数的计算和选择是基于充电器的性能要求和设计目标，大家可以根据实际情况进行调整和优化。

八、性能数据

8.1 有源模式效率

• 与输入电压的关系：展示了在不同输入电压下，USB插座处的效率变化曲线。
• 与负载的关系：分别给出了有无肖特基二极管与Q1（SR FET）并联时，效率随负载的变化情况。从这些曲线中，我们可以分析出充电器在不同工作条件下的效率表现，从而优化设计以提高效率。

8.2 空载输入功率

展示了空载输入功率随输入线电压的变化曲线，有助于评估充电器的节能性能。

8.3 平均效率

• 效率要求：列出了不同标准下的效率要求。
• 115 VAC输入时的平均效率：分别给出了有无肖特基二极管与Q1（SR FET）并联时的平均效率数据。

8.4 CV/CC调节

测量了电缆末端的CV/CC调节情况，确保输出电压和电流的稳定性。

九、热性能、波形与EMI测试

9.1 开放外壳热性能

测试了充电器在开放外壳条件下的热性能，确保其在正常工作时不会过热。

9.2 波形测试

包括负载瞬态响应、开关波形、InnoSwitch - CH波形、SR FET波形和输出纹波测量等。这些波形测试可以帮助我们了解充电器在不同工作状态下的电气特性，及时发现潜在的问题。

9.3 EMI测试

• 传导EMI：在不同负载和接地条件下进行测试，确保充电器符合相关的EMI标准。
• 辐射EMI：测试充电器的辐射电磁干扰情况。
• 可听噪声：测量充电器产生的可听噪声水平。

9.4 雷击与ESD测试

进行了差模、共模和ESD测试，确保充电器在恶劣环境下的可靠性和安全性。

十、总结

这份参考设计报告为10W CV/CC USB充电器的设计提供了详细的方案和性能数据。通过采用InnoSwitch - CH系列芯片，该充电器实现了高功率密度、高效率和出色的性能。在实际设计中，我们可以根据具体需求对电路、PCB布局和变压器等进行优化，以满足不同的应用场景。大家在设计过程中遇到问题时，可以参考这份报告，同时结合自己的经验和实际情况进行调整。希望这份报告能对大家的设计工作有所帮助，大家在实际应用中还有哪些疑问或者改进的想法呢？欢迎一起交流讨论。