宽输入电压范围USB设备充电器CN - 0509设计解析

在电子设备高度普及的今天，为手机等USB通信设备充电是日常常见需求。但在自然灾害、长时间停电等紧急情况下，寻找合适的充电电源变得十分困难。Analog Devices的CN - 0509电路为解决这一问题提供了有效的方案，下面我们来详细了解一下。

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1. 电路概述

CN - 0509是一款宽输入电压范围的USB设备充电器，能够将5V - 100V的直流电源转换为稳定的5V、2A电源，通过双USB Type - A接口为USB设备充电。它适用于多种直流电源，如太阳能板、汽车电池、 - 48V电信备用电源、碱性电池组、发电机和风力发电机等。

2. 电路设计与关键器件

2.1 输入电压保护与LED指示

输入电压保护电路采用高压肖特基二极管和保险丝，防止反向电源连接和过流情况。两个LED用于指示输入电源极性，绿色表示极性正确，红色表示连接反向。采用有源恒流驱动电路，在11V - 100V电压范围内，绿色和红色LED电流分别维持在约2.41mA和2.432mA，保证亮度稳定。

2.2 LTC7103降压转换器

LTC7103是一款同步降压转换器，能将12V - 105V的宽输入电压范围高效降压至12V，输出电流可达2.3A，开关频率为300kHz。它具有可选的精密内部反馈分压器，无需外部精密电阻。通过设置VPRG1和VPRG2引脚的数字状态，可将输出电压设置为1.0V - 15V之间的九个固定选项之一。在CN - 0509中，通过将VPRG1引脚连接到INTVCC引脚，VPRG2引脚悬空，将输出设置为12V。此外，当输入电压在4.4V - 12V之间时，LTC7103可进入直通模式，即使应急电源电压下降，电路也能尽可能继续工作。同时，该转换器具有短路保护功能，在短路情况下可自动跳周期。

2.3 LT8302反激式转换器

LT8302是一款微功耗、无光耦的隔离反激式转换器，通过采样初级侧反激波形间接感测输出电压，无需光耦或耦合电感上的第三感测绕组。隔离功能在充电应用中至关重要，因为临时电源的极性和接地连接可能未知或不正确。它将LTC7103输出的12V进一步降压至5V，输出电压通过两个外部电阻和一个可选的温度补偿电阻进行编程。CN - 0509变压器的匝数比为3:1，最大输出功率约为10W。

2.4 快速充电功能

USB已成为设备充电的标准接口，典型充电器的输出电流可超过USB 2.0规定的最小500mA。CN - 0509中的U3是一个专用充电端口（DCP）控制器，可监测USB数据线电压（D +和D -），为多个常见设备制造商的设备提供快速充电模式所需的电压信号。两个USB端口可同时使用，但总负载电流最大为2A。使用DCP端口时，建议断开另一个端口。

3. 电路性能

3.1 系统性能

在12V - 100V的输入电压范围内，CN - 0509的工作几乎保持恒定，因为隔离转换器的输入电压恒定为12V。较低的输入电压会根据曲线降低可用充电电流。

3.2 反向输入保护

CN - 0509能够承受高达100V的反向输入连接，确保在电源极性连接错误时电路不会损坏。

3.3 负载调节

在输入电压高于12V时，当负载从0.1A增加到2A，CN - 0509的负载调节在65mV以内，输出阻抗约为32.3mΩ。

3.4 负载连接瞬态

通过测试手机和USB移动电源的充电瞬态曲线，可观察到CN - 0509在负载连接时的性能表现。

3.5 热性能

在25°C环境温度下，将EVAL - CN0509 - EBZ板水平放置在工作台上，以5.62V、2A的输出为负载充电一小时，板上D3二极管的最高温度为83.8°C，远低于150°C的最大工作温度。

4. 常见变化与测试

4.1 常见变化

如果有市电供应，EVAL - CN0509 - EBZ可将各种随机离线电源转换为USB充电器，如笔记本电脑充电器、游戏机充电器和计算机外设电源。在电源输入端使用肖特基桥式整流器可允许任意输入极性，但会使最小工作电压增加0.4V。

4.2 电路评估与测试

测试所需设备包括5V - 100V的直流电源、EVAL - CN0509 - EBZ评估板、Klein Tools® ET910 USB万用表测试仪（或等效设备）、MicroUSB转USB Type - A电缆、具有USB充电功能的设备及相应充电电缆。测试步骤包括连接输入电源、判断输入极性、连接测试设备、验证充电电流等。

CN - 0509电路通过巧妙的设计和关键器件的选用，实现了宽输入电压范围的USB设备充电功能，具有高效、稳定、可靠等优点，为紧急情况下的设备充电提供了有效的解决方案。各位工程师在实际应用中，可根据具体需求对电路进行优化和调整。你在类似电路设计中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。