随着人们对环保型交通方式需求的不断增加，电动自行车作为新型交通工具开始大量普及。甚至，有些国家还专门出台法律，鼓励优先选用电动自行车。例如，中国已决定停止为燃油摩托车发放新牌照，现在只为电动自行车上牌。许多此类新规还为轻型电动自行车设置了重量要求，这需要市场提供更小的电池和更高能效的充电器。为满足这一需求，PI推出了多款采用其一系列高度集成的高压IC设计的充电器方案。
Power Integrations针对电动工具应用中的离线电源转换推出了一系列高度集成的高压IC。方案包括反激式、双管正激和LLC拓扑结构，输出功率从5 W到586 W不等。每个器件都将高压MOSFET、控制器和保护电路集成到同一个可散热封装内。精确恒流(CC)控制可确保设计的可靠性，使其满足电动工具电池充电器应用的要求。
其中本文使用的是Power Integrations公司的InnoSwitch4-CZ Family产品系列。该芯片具有离线CV/CC ZVS反激集成开关IC与750v主动箝位驱动，同步整流优势。电流限流和热关断(提供自动故障恢复功能)可提高可靠性，开关频率调制可降低EMI，高开关频率可大幅减小磁芯尺寸。其中本文采用电路拓扑为反激电路，其优点为成本低,外围元件少，低耗能，适用于宽电压范围输入,可多组输出。其中输出纹波比较大，可通过输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善。如下图所示为本产品板级的原理图。
使用PI公司的电源管理相关芯片设计一款符合自行车充电电源板级电路，满足但不限于以下指标要求：
(1)最大输出功率：65W;
(2)最大效率：≥85%;
(3)输入额定电压：AC 85V-265V;
(4)输出电压规格：20V/3.25A;
(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)输出过压故障时进入自动重启动保护状态;
1、芯片选型
针对上述功率设计目标，选用PI公司InnoSwitch4-CZ Family产品系列开关电源芯片进行设计。InnoSwitch4-CZ Family产品系列集成初级开关、同步整流和FluxLink反馈技术的 恒压/恒流准谐振离线反激式开关电源IC。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。其芯片结构及引脚布局如下图所示：
其中引脚功能电流检测(IS)引脚(引脚1) 该引脚是电源输出端子的连接点。外部电流检测电阻应连接在该引脚与 GND引脚之间。如果不要求电流调整/精确的过流保护，该引脚应连接 至GND引脚。
1、次级接地(GND)引脚(引脚2) 该引脚是次级IC的GND。请注意，由于该引脚与电流检测引脚之间连接 有电流检测电阻，该引脚不是电源输出GND。
2、反馈(FB)引脚(引脚3) 该引脚连接到外部电阻分压器，可设定电源输出电压。
3、次级旁路(BPS)引脚(引脚4) 该引脚是外部旁路电容的连接点，用于为次级IC供电。
4、同步整流驱动(SR)引脚(引脚5) 外部SR FET的栅极驱动。如果未使用SR FET，将该引脚连接至GND。
5、输出电压(VOUT)引脚(引脚6) 直接连接到输出电压，为次级侧控制器提供电流并提供次级保护。
6、反激(FWD)引脚(引脚7) 该引脚是变压器输出绕组开关节点的连接点，提供有关初级开关时序的 信息。当VOUT 低于阈值时，为次级侧控制器供电。
7、NC引脚(引脚8-12) 保持开路。不得连接到任何其他引脚。
8、输入欠压/过压(V)引脚(引脚13) 该引脚是连接整流桥的AC端或DC端的高压引脚，用于检测电源输入端 的欠压及过压情况。当该引脚连接至源极引脚时，UV/OV保护被禁止。
9、初级旁路(BPP)引脚(引脚14) 外部旁路电容的连接点，用于为初级侧供电。它也是ILIM选择引脚， 用于选择标准ILIM或ILIM+1。
10、NC引脚(引脚15) 保持开路或连接到源极引脚或BPP引脚。
11、源极(S)引脚(引脚16-19) 这些引脚是功率开关的源极连接点。它们也是初级旁路引脚的接地参 考点。
12、漏极(D)引脚(引脚24) 该引脚是功率开关的漏极连接点。
InnoSwitch4-CZ Family系列产品的主要特色如下：
•零电压开关(ZVS)反激控制器与驱动器
•ClampZeroTM(有源箝位IC)
•独特的控制算法使ZVS在DCM和CCM
•强大的750 V PowiGaNTM主开关
•稳态开关频率高达155 kHz最小化
•同步整流驱动器和二次侧传感
•集成FluxLinkTM, hipot隔离，反馈链接
卓越的CV/CC精度，独立于外部组件
•准确，可调的输出电流检测使用外部检测电阻
•打开SR fet栅极检测
•快速输入线UV/OV保护
•输出过压、欠压保护
•输出过流保护
•过热保护(OTP)
芯片内部原理如下图所示：
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。
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。
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。
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。
在PI Expert生成的设计方案页面中，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。
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。
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。
如上图所示的电路是一个20 V, 3.25 a的单输出功率供应采用INN4073C和CPZ1061M。这个单输出设计是符合DOE 6级和EC CoC v5标准。输入保险丝F1隔离电路并提供保护元件失效，共模扼流圈L1和L2带电容C1对电磁干扰的衰减。桥式整流器BR1对交流进行整流并通过滤波器提供全波整流直流电电容C2。Y电容C6连接在电源之间输出和输入有助于减少共模电磁干扰。电阻R1和R2在供电时放电电容C1与交流电源断开。变压器初级的一端连接到整流直流公共端;另一端接在开关内部的漏极上InnoSwitch4 IC (U1)。电阻R3和R4提供输入电压欠压和过压状态的感测保护。由二极管D1和电容器C17组成的初级箝位限制了内部开关关断瞬间U1的漏极峰值电压U1。储存在变压器漏感T1中的能量将被转移到电容器C17。部分磁化能也会根据电容值转移到C17使用。VR1用于保护InnoSwitch4的漏极
电源故障时的电压。当从二次端接收到FluxLink信号时InnoSwitch4产生一个HSD信号来打开ClampZero设备。当ClampZero IC (U2)接通时，实现软接InnoSwitch4主开关的开关，钳位电容C17开始对变压器的漏感进行充电CCM运行的情况下，漏磁和磁化在DCM运行的情况下，变压器的电感。超快的二极管D1和D4用于将变压器电流从ClampZero的高侧开关的主体二极管，以尽量减少反向恢复能量。一个小的延迟从瞬间提供高位开关关断，实现零电压切换主交换机上。此延迟是可编程的不同R5的电阻值。电容器C19将有助于降低电压
ClampZero IC (U2)提供软导通。电容器C16用于在BP1引脚处提供局部去耦。电容C15为BP2引脚提供去耦。二极管D6和电容C18形成自举电路，提供偏置高侧BP2引脚。这可以防止高侧内部抽头打开和最大限度地减少排水龙头的多余能量损失。电阻R18限制流入BP2引脚的电流。InnoSwitch4 IC使用内部高压自启动给PRIMARY旁路引脚电容器(C5)充电的电流源当第一次使用AC时。正常运行时，主侧块由变压器T1上的辅助绕组供电。辅助(或偏置)绕组的输出使用二极管D2进行整流用电容C4滤波。电阻R8限制了电流提供给InnoSwitch4 IC (U1)的PRIMARY BYPASS引脚。输出调节是通过调制控制来实现的在此基础上调整开关周期的频率和ILIM输出负载。在高负载时，大多数交换周期使能在所选的ILIM范围内，ILIM的高值，轻负载或空载时，大多数周期被禁用，启用的周期有一个低所选ILIM范围内的ILIM值。一旦一个循环被启用，开关保持打开状态，直到主电流向器件倾斜特定工作状态的电流限制闭锁/自动重启一次侧过压保护为用齐纳二极管VR2和限流电阻R9得到。在反激变换器，辅助绕组的输出跟踪输出转换器的电压。在输出过电压的情况下变频器，辅助绕组电压升高而引起VR2击穿，然后导致电流流入BPPInnoSwitch4 IC U1的引脚。如果电流流入BPP引脚增加到ISD以上阈值，U1控制器锁存到防止输出电压进一步升高。InnoSwitch4 IC的二次侧提供输出电压，输出电流传感，并驱动到一个MOSFET提供同步整改。变压器的二次电压由SR场效应管整流Q1/D3，由电容C10和C11滤波。使用C13电容减少高频输出电压纹波。高频在切换瞬态期间振铃，否则会产生通过RCD缓冲器R10、C9和D7降低辐射EMI。二极管D7最小化电阻R10的耗散。Q1的门由IC U1的二次侧控制器导通;基于绕组电压检测通过电阻R11和馈送到IC的FWD引脚。在连续导通工作模式下，SR MOSFET为刚关掉前，副侧指挥了一个新的从主服务器切换周期。在不连续操作模式下，功率MOSFET关断，当电压降过时MOSFET低于大约VSR(TH)的阈值。
IC U1的二次侧可以自供电次级绕组正向电压或输出电压。电容器C7连接到IC U1的BPS引脚，为IC U1提供去耦内部电路。低于恒流(CC)调节阈值，设备在恒压模式下工作。恒压期间(CV)模式操作，通过输出电压调节来实现通过分压器R14和R15感应输出电压。的穿过R15的电压通过一个内部的馈入FEEDBACK引脚参考电压阈值为1.265 V。输出电压为使FEEDBACK引脚上的电压达到1.265 V。电容C8在FEEDBACK引脚处提供信号的噪声滤波。
在直流工作过程中，当输出电压下降时，设备断开从次级绕组直接给自己供电。在一次侧电源开关导通时，正向电压为出现跨次绕组是用来充电的去耦电容C7通过电阻R11和一个内部调节器。这使得输出电流调节可以维持到3.4 V。通过监测电压降来检测输出电流在IS和次级接地引脚之间穿过电阻R17。大约35mv的阈值可以减少损耗。碳提供了f在IS引脚上过滤外部噪声。一旦内部电流超过检测阈值，设备进行数量调节切换脉冲以保持固定的输出电流。
在设计过程中有几个需要注意的关键应用注意事项
1. 85vac输入时，直流输入电压不低于90v;230vac输入220v或更高电压或115vac带电压
倍压器。输入电容器电压的大小应满足这些要求交流输入设计准则。
2. 效率假设取决于功率水平。最小的设备功率水平假设效率bbbb87%增加到bbbb92%最大的设备。
3.变压器初级电感公差为±7%。
4. 设置反射输出电压VOR维持KP= 0.7 at通用线路的最小输入电压和KP= 1.2为高输入线设计(用于热约束环境)对于较大的设备，效率应达到约92%)。
5. 适配器的最大传导损耗限制为0.6 W;0.8 W为开框设计。
6. 增加的电流限制被选择为峰值和开帧功率列和适配器列的标准电流限制。
7. 该部分是板安装与源引脚焊接到a有足够面积的铜和/或散热器来保持源引脚温度等于或低于110°C。
8. 开放框架设计环境温度为50°C, 40°C用于密封适配器。
9. 低于1,KP波纹与峰值的比例是主要的吗电流。防止因送电过早而减少送电切换周期的终止，瞬态KP极限≥0.25为推荐。这可以防止初始电流限制(IINT))在开关打开时被超标。
其中主侧过电压保护(Latch-Off /双方模式)一次侧输出过压保护提供InnoSwitch4-CZ IC根据H代码使用内部保护由ISD的阈值电流触发进入PRIMARY绕过销。除了一个内部滤波器，PRIMARY旁路引脚电容器形成一个外部滤波器，帮助抗噪。为旁路电容要有效地作为高频滤波器电容器应尽可能靠近电源和电源PRIMARY设备的旁路引脚。主感测OVP功能可通过连接a齐纳二极管、电阻和阻塞二极管的串联组合从整流和滤波的偏置绕组电压供应到PRIMARY旁路引脚。整流滤波偏置绕组输出电压可能高于预期(高达1.5倍或2X所需的)值)由于偏置绕组与输出耦合不良绕组和由此产生的偏置绕组上的振铃电压波形。因此建议整流偏置绕组电压被测量。理想情况下，这个测量应该在输入电压最低，输出负载最高。这应使用测量的电压来选择所需的元件实现主感测OVP。建议使用齐纳箝位电压比偏置低约6 V的二极管预计触发OVP的绕组整流电压为选中。的正向压降为1v阻塞二极管。一个小信号标准恢复二极管是推荐。阻塞二极管防止任何反向电流启动时放电偏置电容。最后，值所需的串联电阻可以计算出电流高于ISD会流入PRIMARY旁路引脚输出过压。
如上图所示，ZVS工作在DCM和CCM工作模式以提高转换效率，消除开关InnoSwitch4-CZ具有向同伴发送驱动信号的功能箝位零装置的手段，迫使电压通过初级每次导通循环前电源开关为零。这种模式操作自动参与DCM和CCM，戏剧性简化系统设计。在DCM中，应力跨越高侧夹具开关被最小化，以控制钳开关打开的时间。通过将传导周期限制在漏极电压环的峰值，通过ClampZero开关的开关损耗被最小化。而不是探测主侧的磁化环峰值，FORWARD引脚电压的谷电压，因为它低于输出电压电平用于闸接次要请求以启动切换主控制器“ON”周期。从控制器检测到控制器进入不连续模式并打开辅助循环请求窗口对应于穿过初级线的最大开关电压电源开关。检测到DCM后，使能二次谷开关20ms或当(正向引脚)环幅(pk-pk) bbb20 V时。后来,谷开关是禁用的，此时开关的活动钳位开关可以在任何时候发生一个次要请求被启动。二级控制器包括~ 800ns的落料，以防止误检测主“ON”周期时的FORWARD引脚地下的环。与InnoSwitch3设备不同，谷切换模式不需要在启动主侧电源接通中起直接作用开关，而不是有源箝位电路创造低VDS条件在主电源开关上，它必须与ZVS操作。
电动汽车充电需要快速、实惠、安全且可靠。提供灵活的基础设施来生成、存储、传输和分配额外的电力对于实现电气化而言至关重要。无论是提高性能、便利性还是可及性，我们公司的半导体技术都将成为充电基础设施的关键部分，为向电气化转变提供动力。
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