本帖最后由 天意无罪 于 2021-4-23 08:36 编辑
目录 1 引言
1.1 目的
1.2 软件介绍
2 设计目标
2.1 设计目标
2.2 芯片选型
3 设计流程
3.1 创建新设计
3.2 设计分析
3.2.1 原理图
3.2.2 器件清单
3.2.3 电路板布局
3.2.4 变压器结构
3.2.5 设计评估
3.3 设计输出
4 总结
1 引言
1.1 目的
编写该USB PD电源适配器的硬件设计说明书，旨在通过该设计方法和过程向大家介绍如何通过PI的电源设计软件PI Expert和电源管理芯片来快速构建自己的电源产品应用设计方案，包括：原理图、PCB Layout布局图、变压器结构、BOM表、以及效率等参数信息。 同时有必要作如下澄清：笔者并非电源行业相关研发人员，该设计文档中应用到的相关知识算是现学现用，若有描述不对的地方，还望各位见谅和指正，谢谢。 1.2 软件介绍 PI Expert是PI公司开发的一款电源设计软件，能够根据用户设定的目标参数自动快速生成电源转换设计方案，生成的方案中包括但不限于： （1）设计结果
（2）设计原理图
（3）电路板布局建议
（4）器件BOM清单
（5）变压器构造
（6）设计评估 并支持将设计方案导出为PDF、Excel、Word文档，或存为设计案例并分享给其它用户。 PI Expert目前向用户提供两种版本：PI ExpertOnline和PI Expert Suite；PI Expert Online是基于Web服务的在线版应用程序，而PI Expert Suite是一个离线PC端设计软件。PI Expert Online由于是在线版，其优点是无需安装，在使用时能保证软件版本和功能是最新的，且包含了最新的电源器件，缺点是需要联网使用。PI Expert Suite的优点是无需联网使用，但是需要定期进行更新，以保证软件版本、功能、以及所含器件最新。
2 设计目标
2.1 设计目标 使用PI公司的电源管理相关芯片设计一款符合USB PD 3.0快充协议的电源适配器，满足但不限于以下指标要求： （1）最大输出功率：60W； （2）最大效率：≥85%； （3）输入额定电压：AC 220V±15%； （4）输出电压规格：5V/3A，9V/3A，15V/3A，20V/3A； （5）输出纹波：≤250mV； （6）输入具有过压欠压保护； （7）输出具有过压过流及短路保护； （8）工作温度：-20℃～70℃； 2.2 芯片选型 针对上述功率设计目标，选用PI公司InnoSwitch3-Pro系列开关电源芯片进行设计。InnoSwitch3-Pro系列产品是一颗集成了高压开关、同步整流、以及FluxLink反馈功能的数控恒压/恒流离线反激式准谐振开关电源芯片。能够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。 InnoSwitch3-Pro系列产品的主要特色如下： (一)高度集成，外形紧凑 （1）多模式准谐振(QR)/DCM/CCM反激式控制器、高压开关、次级侧检测和同步整流驱动器 （2）可在所有输入电压及负载下实现效率的优化 （3）反馈方式采用内部集成的FluxLink™技术，且满足HIPOT（高压绝缘）要求 （4）即时快速的动态响应 （5）可驱动低成本的N沟道FET串联负载开关 （6）集成了3.6V电源，可为外部微控制器(MCU)供电 (二)PowiGaN 技术 （2）使用PowiGaN开关替代初级侧的传统硅晶体管，从而降低开关损耗，和硅器件相比，PowiGaN产品可实现体积更小，重量更轻，效率更高的充电器，适配器和敞开式电源。 （3）高达100 W输出，且无需散热片。 (三)通过I2C接口实现数控 （1）动态调整电源电压及电流 （2）提供电源状态和故障监测的遥测技术 （3）可实现对各种保护特性的设定 (四)先进的保护与安全特性 （1）对输入电压进行监测，以便进行精确的电压缓升/缓降保护和过压保护 （2）可单独设定输出过压/欠压故障的响应方式 （3）SRFET栅极驱动开路检测 （4）迟滞热关断保护 （5）可对用于系统故障情况下的Watchdog电路响应时间进行设定 (五)EcoSmart™–高效节能 （1）在输入电压检测和MCU工作的情况下空载功耗低于30 mW （2）使电源设计能够轻松符合所有全球能效标准 （3）低散热 (六)完全符合各项安规要求 （1）加强绝缘 （2）绝缘强度>4000 VAC （3）产品100%进行HIPOT合规性测试 （4）通过UL1577和TUV (EN60950)安全认证
3 设计流程
3.1 创建新设计
(一)登录PI官网并选择“设计支持”菜单栏下的“PI Expert Online”选项进入软件主页，然后点击“立即试用！”（需要提前注册帐号） 图3.1-1 (二)进入PI Expert Online软件WEB主页后，点击“创建新设计”选项。 图3.1-2 (三)在弹出的界面中，按下图所示对“应用类型”、“输出功率”、“输出类型”、“拓扑结构”进行设定，其余选项可以暂时不用设置，采用默认值即可。窗口左侧会根据你的设置参数进行产品的实时筛选，可以看出软件推荐的两款产品为InnoSwitch3-CP和InnoSwitch3-Pro，而InnoSwitch3-Pro也是我的目标选型。 图3.1-3 (四)设置好相关参数后，点击“帮我选择”弹出下图所示的窗口，软件推荐使用InnoSwitch3-Pro Flyback进行方案设计，点击“启动”按钮进入下一步。 图3.1-4 (五)在该窗口中灰色部分是根据前面步骤的设置产生的结果，不能再修改。“击穿电压”、“充电器模式”、“总线开关网络类型”三个参数采用默认值即可，然后点击“下一个”按钮进入下一步骤。 图3.1-5 (六)该窗口中可对输入电压、频率进行设置，软件已经根据前面的设置为我们自动设置好了参数和选项，此处不用修改，采用默认值即可，然后点击“下一个”按钮进入下一步骤。 图3.1-6 (七)接下来需要对输出电压、电流进行设置，在“标称功率额定值”文本框中输入60，右侧“设置点”会自动生成4种电压/电流输出模式和对应功率，而不用手动进行添加，然后点击“下一个”按钮进入下一步骤。 图3.1-7 (八)在弹出的窗口中可以对“新设计文件名称”、“默认元件集”、“起始项”，以及是否“使用屏蔽绕组”等进行设置。将设计文件名称更改为“InnoSwitch3-Pro_USB-PD60W”，并勾选“使用屏蔽绕组”选项，因为对于开关电源而言功率越大产生的EMI噪声也会更大，而作为电子产品是需要通过行业相关电磁兼容试验后才能获得准入许可，最后点击“完成”按钮进入下一步骤。 图3.1-8 (九)在该窗口可以对“要总结的最佳解决方案”、“NS输出范围”、“磁芯范围”等进行设置，此处全部采用默认值，先不进行修改，然后点击“确定”按钮进入下一步骤。 图3.1-9 (十)在弹出的界面中便是软件自动生成的6种设计方案，点击左下角的“字段”按钮，在弹出的窗口中将“效率”字段勾选上然后退出，此时6种设计方案的对应效率值也会显示出来。 图3.1-10 (十一)软件会根据“效率”和“变压器匹配设计”值从大到小进行排列，我们选择第一种方案，然后单击“确定”按钮完成设置。 图3.1-11 (十二)之后软件会进行自动设计，此过程需要等候一段时间，根据设计难度而定。生成的结果中包括：“示意图（原理图）”、“设计结果”、“电路板布局”、“材料清单”、“变压器结构”、“设计评估”等内容。 图3.1-12 至此，便完成了使用PI Expert软件进行USB PD电源适配器的配置过程。可以看到PI Expert软件自动生成的方案结果中包含了大量而有价值的信息，对于缺乏电源设计经验的工程师而言是个不可多得的利器。
3.2 设计分析
在PI Expert生成的设计方案页面中，我们可以看到主要分为3个区域：最上边是“菜单栏”和“工具栏”、左侧是“导航栏”、右侧是“设计方案栏”，下面主要对生成的设计方案进行分析。 图3.2-1 3.2.1 原理图 点击“示意图”标签栏即可显示电源适配器的硬件设计原理图，该原理图是PI Expert软件根据用户的需求和设置自动生成的一个最基本的硬件方案设计。 图3.2.1-1 输入部分包括：过流保护器件F1和RT1、安规电容C1、共模滤波电感L1、整流桥BR1、以及输入滤波电容C2；在导航栏左侧也显示了输入部分包含的功能电路。 图3.2.1-2 开关电源输入侧的保护措施主要是针对过压和过流，其中过压现象主要包括浪涌、冲击、静电、群脉冲等，一般的保护措施是在输入端加瞬态电压抑制二极管（TVS）、压敏电阻（MOV）、放电管等。过流主要是通过熔断保险丝、自恢复保险丝、热敏电阻等器件进行保护。 我们点击左侧导航栏“输入部分”->“整流管、保险丝、浪涌”选项会弹出如下界面，可以看到在“浪涌保护”设置一栏是默认没有添加保护器件的，我们可以对其进行更改，软件会自动添加一个压敏电阻器件。其中“使用浪涌保护夹”无法进行设置，点击“确定”保存当前更改并退出。 图3.2.1-3 之后，软件会自动更新设计原理图，可以看到原理图中已经为我们添加了一个保护电压为275V的压敏电阻。 图3.2.1-4 原理图其余部分主要是RCD钳位电路、变压器初级偏置电路、输出开关电路及滤波电路、以及负载检测电路等。 图3.2.1-5 RCD钳位电路 图3.2.1-6 初级偏置电路 图3.2.1-7 输出滤波及开关电路 从上图可以看出总线开关只有一个CSD18503，这和前面设置“总线开关网络类型”的选项为“N型单个”保持一致。点击页面左侧导航栏的“输出级”->“总线开关”会弹出总线开关网络类型设置界面，我们可以选择总线开关网络类型为“N型背靠背”，然后保存并退出。之后，软件会自动更新原理图。 图3.2.1-8 总线开关网络类型设置界面 图3.2.1-9 N型背靠背总线开关网络 将总线开关网络更改为“N型背靠背”后，我们会发现页面右上角会出现一个设计告警，点击会展示告警说明和解决方法： 说明：已超过总线开关MOSFET电压额定值； 修复：请选择电压额定值高于21V的MOSFET。 之所以这样，是因为我们在选择“N型背靠背”总线开关网络时，采用了软件默认使用的MOSFET，所以我们只需要重新选择MOSFET器件即可。 图3.2.1-10 设计告警 在“输出级”->“总线开关”设置界面，我么可以更改MOSFET的型号，但是软件自带的器件库中最大栅源级电压只有22V，而我们的输出最高可达21V，所以该电压不是一个安全电压，我们先将两个MOSFET的型号更改然后看软件怎么评估。 图3.2.1-11 图3.2.1-12 图3.2.1-13 重新设置好MOSFET型号后，软件会自动计算并给出结果，这时页面右上角显示“设计通过”，但是会有个感叹号，点击展开说明，也可以看到软件提示我们选择的MOSFET器件的额定电压值与实际值相比过低，建议我们将自定义器件添加到库中，这里由于时间关系，就不再进行说明了，为了让设计通过，我们还是先将总线开关网络类型更改为“N型单个”。 图3.2.1-14 同时，从原理图我们也可以看到输出只有一级滤波电容C10，而没有二级滤波电路。点击页面左侧导航栏的“输出级”->“后级滤波”会弹出如下界面，我们可以看到后级滤波电路显示为“禁止”状态。 图3.2.1-15 我们可以点击“更改”按钮，启用后级滤波功能，软件会自动添加后级滤波电路所需要的器件及规格。可以看到软件默认为LC滤波电路，我们采用默认LC值然后保存并退出，之后软件会自动更新原理图并显示。 图3.2.1-16 图3.2.1-17 该电源设计方案使用了一颗MCU来实现InnoSwitch3-Pro电源器件的控制，以及负载类型检测的功能，以控制电源输出的电压/电流规格。 图3.2.1-18 3.2.2 器件清单 点击“材料清单”标签栏，可以查看设计方案包含的所有器件清单，包含：数量、器件值、参数说明、器件厂商、以及对应原厂的编号等信息。 图3.2.2-1 3.2.3 电路板布局 我们选择“电路板布局”标签，可以看到软件自动生成的PCB布局图和重要布局建议，点击每条建议后面的问号，会弹出一个放大的布局图，并以绿色突出显示建议的内容。 图3.2.3-1 比如，我们点击“最大化源极区以利于散热”后面的问号，会弹出下图所示的提示窗口。 图3.2.3-2 3.2.4 变压器结构 点击“变压器构造”标签栏，可以查看设计方案中变压器的相关参数信息，包含：变压器机械结构图、绕制信息、变压器电气图、磁芯/线圈参数、绕组参数、变压器制造说明等主要信息，可以说是相当全面了。 图3.2.4-1 电压器结构信息图 同时，我们也可以在该页面更改变压器的磁芯、绕制参数，由于笔者非专业人员，此处不过多深究。 3.2.5 设计评估
点击“Design Evaluation”标签栏，可以查看软件对该设计方案的评估信息，个人认为最靓最实用的功能便是“PIE Chart”图标，用扇形图的方式向用户直观地展示了各损耗的比例。同时，还可以将比例单位更改为mW单位，显示更加直观。 图3.2.5-1 图3.2.5-2 同时，软件也提供了线型“Line Chart”表功能，我们可以选择横坐标和纵坐标代表的参数，然后软件会自动计算并生成两者的关系图。 例如，我们将横坐标代表的参数更改为“负载率”，纵坐标参数更改为“输出功率”和“效率”，会得到该电源的效率、功率与负载率的曲线关系图。 图3.2.5-3 3.3 设计输出 当我们完成设计后，在页面顶部菜单栏“文件”下拉列表中，可以选择：保存、另存为、以及导出等选项。 图3.3-1 其中导出功能支持将设计方案及结果导出为Excel、PDF、以及RTF格式文件，我们可以在“导出”功能将当前激活的设计页面导出为PDF，也可以直接选择“导出所有为PDF”将所有设计结果导出为PDF。 图3.3-2 我们选择“导出所有为PDF”，软件会自动将设计结果（原理图、设计结果、器件清单、电路板布局等）转换为PDF并下载本地。 图3.3-3 在“文件管理器”页面，我们可以看到所有设计过的方案。我们还可以点击“共享”按钮，将该设计方案分享给自己的好友（前提是拥有PI帐号）。 图3.3-4 4 总结
通过该设计方案的演示，我们可以看出PI Expert软件的强大性，具有简便易用、设计精准、输出信息丰富等特点，能够助电源设计工程师一臂之力，设计出性能更优的电源产品。
美中不足的是，不能对生成的原理图进行直接更改，比如直接更改我想要的设计电路类型和器件，只能更改软件默认支持的可配置项。
附件：
设计方案PDF文件：
InnoSwitch3-Pro_USB-PD60W.pdf
(1.75 MB)
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