本帖最后由 最靓的仔 于 2023-10-31 14:26 编辑
电动自行车电源板级InnoSwitch3-Pro产品系列设计 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。
PI公司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。
芯片采用了InnoSwitch3-Pro产品系列集成了高压开关、同步整流和FluxLink反馈功能的数控 恒压/恒流离线反激式准谐振开关IC。如下图所示为板级原理图。
使用PI公司的电源管理相关芯片设计一款符合家电电源板级电路，满足但不限于以下指标要求：
（1）最大输出功率：85W；
（2）最大效率：≥85%；
（3）输入额定电压：85-265 VAC；
（4）输出电压规格：15V/2A；
（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；
InnoSwitch™3-Pro系列IC可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。
1、芯片选型
针对上述功率设计目标，选用PI公司芯片采用了InnoSwitch™3-Pro产品系列集成了高压开关、同步整流和FluxLink反馈功能的数控 恒压/恒流离线反激式准谐振开关IC。
• 动态调整电源电压及电流
• 提供电源状态和故障监测的遥测技术
• 可实现对各种保护特性的设定 • PowiGaN™技术 – 输出功率最大100 W且无需散热片（INN3378C、 INN3379C和INN3370C） 高度集成，外形紧凑
• 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
• 可在所有输入电压及负载下实现效率的优化
• 反馈方式采用内部集成的FluxLink™技术，且满足HIPOT（高压绝缘） 要求
• 即时快速的动态响应 • 可驱动低成本的N沟道FET串联负载开关
• 集成了3.6 V电源，用于为外部微控制器(MCU)供电 EcoSmart™ – 高效节能
引脚其芯片结构及引脚布局如下图所示：
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。
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。
下图所示为一个使用INN3672C设计的低成本5 V/0.3 A和12 V/0.7 A双路 输出电源的电路图。
如图上所示电路为是使用INN3377C IC的3 V − 8 V、5 A；8 V − 20 V恒功 率40 W数字控制电源。功率级由通用PIC16F18325微控制器控制。该设 计达到DOE 6级和EC CoC 5标准。 共模扼流圈L1及L2提供EMI衰减。桥式整流管BR1对AC输入电压进行整 流，并提供全波整流DC。热敏电阻RT1可在电源连接至AC输入供电时限 制浪涌电流。保险丝F1可隔离电路并提供元件故障保护。 变压器初级的一端连接到整流DC母线，另一端连接到InnoSwitch3-Pro IC (U1)内集成开关的漏极端子。 由二极管D1、电阻R1、R2和电容C4组成的低成本RCD箝位可在U1内的 开关关断的一瞬间立即对U1的峰值漏极电压进行箝位控制。箝位有助于 耗散存储在变压器T1的漏感中的能量。 InnoSwitch3-Pro IC具有自启动功能，当首次AC上电时，它使用内部高 压电流源对初级旁路引脚电容(C7)进行充电。在正常工作期间，初级侧 控制器从变压器T1的辅助绕组获得供电。辅助（或偏置）绕组的输出端 由二极管D2进行整流，并由电容C6进行滤波。电阻R3和R4与Q1和VR1 构成线性稳压电路，限制输送到InnoSwitch3-Pro IC (U1)初级旁路引脚 的电流，而这与输出电压无关。稳压管VR2与电阻R5在发生输出过压时 提供锁存过压保护。 在反激式变换器中，辅助绕组的输出端可跟踪变换器的输出电压。变换 器的输出端发生过压时，辅助绕组电压升高并造成VR2击穿。这将导致 电流流入InnoSwitch3-Pro IC (U1)的初级旁路引脚。如果进入初级旁路 引脚的电流超过ISD 阈值，InnoSwitch3-Pro IC控制器将锁存关断，防止 输出电压进一步升高。 InnoSwitch3-Pro IC的次级侧提供输出电压、输出电流检测并驱动提供 同步整流的FET。变压器次的级侧输出通过FET Q2和Q5进行整流，通过 电容C10和C11进行滤波。开关期间产生的高频振铃通过RC缓冲器（电 阻R9和电容C9）衰减，否则高频振铃会产生辐射EMI问题。添加电阻 R25和R26并使其与各自FET的栅极串联，实现两个FET Q2和Q5的 均流。 Q2和Q5的栅极由IC U1内的次级侧控制器根据（经电阻R10）馈入IC的 正激引脚的绕组电压进行导通控制。 在连续导通模式下，FET就在次级侧向初级侧发出开始新开关周期请求 之前关断。在非连续或连续导通模式下，功率FET会在FET的电压降约低 于阈值VSR(TH) 时关断。初级功率开关的次级侧控制可避免两个开关可能 发生的交越导通，提供极为可靠的同步整流工作。 IC的次级侧或者从次级正向绕组电压供电，或者由输出电压进行供电。 连接至InnoSwitch3-Pro IC (U1)次级旁路引脚的电容C13可提供内部电 路去耦。需要在VOUT引脚和次级接地引脚之间放置电容C12，用于为 VOUT引脚提供ESD保护。 在恒流(CC)工作期间，当输出电压降低时，器件将直接从次级绕组自行 供电。在初级侧功率开关导通期间，出现于次级绕组的正向电压通过电 阻R10和内部稳压器对次级旁路引脚去耦电容C13充电。这样可使输出 电流调整保持在I2C接口设置的最小自动重启动阈值。在此水平之下时， 电源会进入自动重启动模式，直到输出负载降低。输出电流检测是通过监测IS与次级接地引脚之间电阻R11的电压降来完 成的。约32 mV的阈值可降低损耗。需要在IS和次级接地引脚之间放置 去耦电容C23，以提高CC精度。一旦超过内部电流检测阈值，器件将调 整开关脉冲数以维持固定的输出电流。 当输出电流低于CC阈值时，器件将以恒压模式工作。输出电压由I2C接 口设置。 PIC微控制器通过InnoSwitch3-Pro的mVCC引脚获取电源。开关1 (SW1) 增大输出电压，而开关2 (SW2)减小输出电压。这样的设计用于需要通 过外部接口控制输出电压的系统。 PIC微控制器通过其I2C线路与与InnoSwitch3-Pro IC的SDA和SCL引脚 （均兼容3.3 V和5 V）通信。SDA和SCL线路分别需要上拉电阻R24和 R23连接到mVCC引脚。mVCC引脚需要去耦电容C20。 N沟道FET Q3构成母线开关，并由InnoSwitch3-Pro IC上的VB/D引脚控 制。需要在FET的源极与其栅极之间放置电阻R12和二极管D4，以便在 母线开关断开时提供电压放电通路。需要在输出端放置电容C21提供 ESD保护。
其中在使用PI公司的软件过程中还有原理图、PCB、参数导出、涉及评估等相关功能，在这里就不做赘述，一切看设计文件如下所示：
变压器参数-PI Expert Online.pdf
(292.07 KB)
BOOM-PI Expert Online.pdf
(150.28 KB)
PCB图-PI Expert Online.pdf
(171.29 KB)
参数匹配-PI Expert Online.pdf
(271.51 KB)
原理图-PI Expert Online.pdf
(137.38 KB)
评估-PI Expert Online.pdf
(284.34 KB)
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