基于PI 65 W USB PD 3.0 高效能电源方案

1.概述及特点

• InnoSwitch4-Pro：数字可控离线CV/CC，ZVS反激集成开关IC与750V GaN Mosfet，有源钳位驱动和同步整流

o全面的保护功能，具有电源状态和故障监测功能

• 符合DOE6和CoC v5 2016平均效率要求，效率余量至少为3.0%

o 5 V输出：91.35%在115 VAC（9.52%余量）；90.18%在230 VAC（8.34%余量）

o 9v输出：92.18%在115 VAC（4.88%余量）；92.17%在230 VAC（4.88%余量）

o 12v输出：92.29%在115 VAC（3.99%余量）；92.71%在230 VAC（4.41%余量）

o 15v输出：92.32%在115 VAC（3.47%余量）；93.07%在230 VAC（4.22%余量）

o 20v输出：92.37%在115 VAC（3.37%余量）；93.43%在230 VAC（4.43%余量）

• 满足CoC v5 2016年10%负载效率要求，所有PDOs的效率余量（>7.01%）
• < 25mw空载输入功率在230vac
• 符合CISPR22 / EN55022 B级传导EMI高余量

o在最坏情况下(15v / 3a, 230 VAC) >6dB余量

• 高功率密度：15.2 W / inch3无外壳（2.44“x 2.1”x 0.83“外形因素）

低组件计数：总共78个

USB PD 3.0电源。USB PD控制器是Injoinic IP2726S。

 2.电源主要规格

• 输入电压：90-264V Ac, 50-60Hz,
• 输出电压：
• PDO1: 5v / 3a（固定电源）
• PDO2: 9v / 3a（固定电源）
• PDO3: 12v / 3a（固定电源）
• PDO4: 15v / 3a（固定电源）
• PDO5: 20v / 3.25 A（固定电源）
• PDO6: 3.3 V—21v / 3a（可编程电源）

 3.电路图

• PCB layout 图片

• 电路工作原理：

输入整流器和电磁干扰滤波器

输入保险丝F1隔离电路，并提供元器件故障保护。金属氧化物压敏电阻RV1通过有效箝位电源的输入电压，在线路浪涌事件期间提供保护。当电源连接到交流输入时，浪涌热敏电阻RT1限制浪涌电流。共模扼流圈L1与Y型电容C11一起提供共模滤波，而电感器L2与电容C2和C3组成派形滤波器，与C1一起进行差模EMI滤波。桥式整流器BR1对交流电压进行整流，并通过滤波电容器C2和C3提供全波整流直流。

InnoSwitch4-Pro IC Primary

变压器一次侧一端连接直流高压；另一个接在InnoSwitch4-Pro IC （U2）内部开关的漏极上。电阻R3和R4提供输入电压感应，在交流输入欠压或过压的情况下提供保护。

由ClampZero IC的本体二极管和电容C8和C9组成的初级箝位限制了U2内部开关关断瞬间的漏极峰值电压。储存在变压器漏感中的能量将转移到电容器C8和C9上。根据所使用的电容值，部分磁化能量也将转移到C8和C9。VR2用于在异常情况下保护InnoSwitch4-Pro免受过高漏极电压的影响。采用高压陶瓷电容器C4对体电压进行去耦，减小高频开关电流的环路影响。

当从辅助端接收到磁信号时，InnoSwitch4-Pro IC产生HSD （High Side Drive）信号来打开内部的MOSFET。当IC （U1）导通时，为了实现InnoSwitch4-Pro一次开关的软开关，钳位电容C8和C9在CCM工作时开始对变压器的漏电电感充电，在DCM工作时开始对变压器的漏电电感和磁化电感充电。从高位开关关断的瞬间起提供一个小延迟，以实现一次开关的零电压开关。该延迟可以通过电阻R6值在低线路输入电压下可编程，或者在高线输入电压下固定500ns延迟。可编程延迟和固定延迟之间的转换基于InnoSwitch4-Pro IC V引脚的输入线电压信息。

IC是自启动，使用内部高压电流源充电BPP引脚电容器C12时，交流电首次应用。在正常运行时，初级侧块由变压器T1上的辅助绕组供电。辅助（或偏置）绕组的输出用二极管D2进行整流，用电容器C10进行滤波。线性调节电路 由BJT Q1， R7， R8和齐纳二极管VR1组成，确保有足够的电流流过R10进入InnoSwitch4-Pro的BPP引脚和ClampZero ic的BP1引脚。通过给BPP和BP1引脚注入足够的电流，不需要U2的内部电流源给C12充电，在空载状态和正常工作时，功耗最小。

电容C5用于在IC U1的BP1引脚处提供局部去耦。电容C6为BP2引脚提供去耦。二极管D1和电容C7形成自举电路，为高侧BP2引脚提供偏置。电阻R5限制流入BP2引脚的电流。

齐纳二极管VR3提供初级感测输出过压保护。在反激变换器中，辅助绕组的输出跟踪变换器的输出电压。在转换器输出过电压的情况下，辅助绕组电压增加并导致VR3击穿，然后导致过量电流流入InnoSwitch4-Pro IC的BPP引脚。如果流入BPP引脚的电流增加到ISD阈值以上，InnoSwitch4-Pro控制器将锁存并防止输出电压进一步增加。当输出过压保护触发时，电阻R11限制注入BPP引脚的电流。

InnoSwitch4-Pro IC的二次侧提供输出电压和电流传感，并为FET提供栅极驱动，用于同步整流。变压器次级绕组上的电压由次级侧同步整流场效应管（SR FET） Q2整流，并由电容器C16和C17滤波。通过RCD缓冲器、R13、C13和D4，可以减少开关瞬态期间的高频振铃，否则会产生辐射EMI。二极管D4使电阻R13的耗散最小化。肖特基二极管D3最大限度地减少了零开关导通期间发生的损耗。

基于通过电阻R12检测到的二次绕组电压并馈送到IC的FWD引脚，IC U2内部的二次侧控制器将Q2导通。

在连续导通模式下，SR场效应管在二次侧通过FluxLink命令一次新的开关周期之前关闭。在不连续工作模式下，当通过SR场效应管的压降幅度低于大约VSR（TH）的阈值时，SR场效应管被关断。一次侧电源开关的二次侧控制避免了两个开关交叉导通的任何可能性，并提供了极其可靠的同步整流。

IC的二次侧由二次绕组正向电压或输出电压自供电。本设计采用了二次偏置绕组电路，进一步提高了系统效率。偏置绕组电压由二极管D6整流，电容器C20滤波。电阻R16限制流向U2的BPS引脚的电流

电容C19连接到InnoSwitch4-Pro IC的BPS引脚，为内部电路提供去耦。

通过监测电阻R15上的压降来检测输出电流。电流测量用电阻R14和电容C15滤波，然后通过is和SECONDARY接地引脚进行监测。USB PD控制器通过I2C接口配置的内部电流检测阈值高达约32 mV，用于减少损耗。一旦超过阈值，InnoSwitch4-Pro IC根据其配置做出响应，通过使用变频和可变一次开关峰值限流控制方案来保持固定输出电流，以保持固定输出电流或关闭电源。

对于恒流（CC）工作，当输出电压低于5v时，InnoSwitch4-Pro IC内的二次侧控制器将直接从二次绕组供电。在一次侧电源开关的导通时间内，出现在二次绕组上的正向电压通过电阻R12和内部稳压器对secondary BYPASS引脚去耦电容器C19充电。这允许输出电流调节被维持到最低的紫外线阈值。低于此水平，机组进入自动重启，直到输出负载减少。

当输出电流低于CC阈值时，变换器工作在恒压模式。输出电压由InnoSwitch4-Pro IC的VOUT引脚监控，与电流调节类似，输出电压也与内部电压阈值进行比较，该阈值通过InnoSwitch4-Pro IC集成的次级控制器和USB PD控制器IC设置，输出电压调节通过变频和可变主开关峰值限流控制方案实现。电容C14用作VOUT引脚的去耦电容。

n沟道MOSFET Q3作为总线开关，将反激转换器的输出与USB Type-C插座连接或断开。MOSFET Q3由InnoSwitch4-Pro IC上的VB/D引脚控制。二极管D5横跨Q3连接，电阻R17从Q3连接到VB/D引脚，在Q3关断时为母线电压提供放电路径。电容C21用于输出ESD保护和输出电压纹波减小。

USB Type-C和PD接口

本设计采用Injoinic IP2726S （U3）作为USB Type-C和PD控制器。IP2726S器件直接由反激输出电压VBUS_IN供电。USB PD协议通过CC1或CC2线进行通信，具体取决于USB Type-C插头连接的方向。

IP2726S IC通过I2C接口与InnoSwitch4-Pro IC通信，使用SCL和SDA线，在其中设置几个命令寄存器，如CV， CC， VKP， OVA和UVA参数。这些参数对应于输出电压，

InnoSwitch4-Pro IC的输出恒电流寄存器、输出恒电压寄存器、输出过压寄存器和输出欠压寄存器。InnoSwitch4-Pro IC的状态由IP2726S IC从寄存器读取，也使用I2C接口

• BOM

Item	Qty	Ref Des	Description	Mfg Part Number	Mfg
1	1	BR1	RECT BRIDGE, GP, 800 V, 4 A, Z4-D	Z4DGP408L-HF	Comchip
2	1	C1	0.1 μF, 20%, 275 VAC, 560 VDC, X2, -40°C ~ 110°C, 5 mm W x 13 mm L x 11.1 mm H	R46KF310000P1M	KEMET
3	1	C2	18 μF, 20%, 400 V, Electrolytic, Gen. Purpose, (10 x 16 mm), 2000 Hrs @ 105°C	400AX18MEFC10X16	Rubycon
4	1	C3	Electrolytic, 100 μF, 400 V, Aluminum, Radial, Can, -40 °C ~ 105 °C, 12000 Hrs @ 105 °C ,(16 x 32)	400BXW100MEFR16X30	Rubycon
5	1	C4	2.2 nF, 630 V, Ceramic, X7R, 1206	C3216X7R2J222K115AA	TDK
6	3	C5 C6 C18	100 nF, 0.1 μF, ±10%, 25 V, Ceramic, X7R, General Purpose, -55 °C ~ 125 °C, 0603	CL10B104KA8NFNC	Samsung
7	2	C7 C21	1 μF, 50 V, Ceramic, X5R, 0805	08055D105KAT2A	AVX
8	2	C8 C9	100 nF, 200 V, Ceramic, X7R, 1206	C1206C104K2RACTU	Kemet
9	1	C10	22 μF, ±20%, 63 V, Electrolytic, (5 x 12.5), LS 2 mm	63YXJ22M5X11	Rubycon
10	1	C11	470 pF, ±10%, 250 VAC, X1, Y1, Ceramic, B, Radial, Disc	DE1B3RA471KA4BN01F	Murata
11	1	C12	4.7 μF ±10%, 25 V, X7R, 0805, -55 °C ~ 125 °C	TMK212AB7475KG-T	Taiyo Yuden
12	1	C13	2.2 nF, 200 V, Ceramic, X7R, 0805	08052C222KAT2A	AVX
13	2	C14 C19	2.2 μF, ±10%, 25 V, Ceramic, X7R, 0805	CL21B225KAFNFNE	Samsung
14	1	C15	4.7 μF, ±10%, 10 V, Ceramic, X7S, 0603, -55 °C ~ 125 °C, Low ESL	C1608X7S1A475K080AC	TDK
15	2	C16 C17	470 μF, 25 V, ±20%, Al Organic Polymer, Gen. Purpose, Can, 15 mΩ, 2000 Hrs @ 105 °C	A750MS477M1EAAE015	KEMET
16	1	C20	10 μF, ±10%, 25 V, Ceramic, X5R, 0805	GRM21BR61E106KA73K	Murata
17	1	C22	1 μF, ±10%,35 V, Ceramic, X7R, 0603	CGA3E1X7R1V105K080AE	TDK
18	1	C23	2.2 μF, ±10%, 25 V, Ceramic, X7R, 0603, -55 to 125 °C	GRM188Z71E225KE43D	Murata
19	4	C24-C27	560 pF ±10% 50 V Ceramic X7R 0402	CCCC0402KRX7R9BB561	Yageo
20	1	D1	800 V, 1 A, High Efficiency Fast Recovery, SOD-123FL	HS1KFL	Taiwan Semi
21	1	D2	Diode, GEN PURP, FAST RECOVERY, 300 V, 225 mA, SOD323	BAV3004WS-7	Diodes, Inc.
22	1	D3	Diode, Schottky, 120 V, 12 A, SMT, TO-277A (SMPC)	V12P12-M3/86A	Vishay
23	3	D4-D6	100 V, 0.2 A, Fast Switching, 50 ns, SOD-323	BAV19WS-7-F	Diodes, Inc.
24	4	D7-D10	Diode, ZENER, 24 V, 200 mW, SC-90, SOD-323F	MM3Z24VC	ON Semi
25	1	F1	3.15 A, 250 V, Slow, RST	RST 3.15-BULK	Belfuse
26	1	J1	Connector, "Certified", USB - C, USB 3.1, For 0.062" PCB Material, Superspeed+, Receptacle Connector, 24 Position, SMT, RA TH	632723300011	Wurth
27	1	L1	810 μH, Toroidal Common Mode Choke, custom, DER-942, wound on 32-00330-00 core.	32-00367-00 TSD-4905	Power Integrations Premier Magnetics
28	1	L2	68 μH, Unshielded Toroidal Inductor, 2A, 55 mΩ Max, Radial, Vertical (Open)	7447033 TSD-4906	Wurth Premier Magnetics
29	1	Q1	NPN, Small Signal BJT, 80 V, 0.5 A, SOT-23	MMBTA06LT1G	On Semi
30	1	Q2	MOSFET, N-CH, 100 V, 48 A (Tc), 113.5 W (Tc), DFN5X6, 8-DFN (5x6)	AON6220	Alpha & Omega Semi
31	1	Q3	N-Channel 30 V 36.5 A (Ta), 50A (Tc) 4.1 W (Ta), 39 W (Tc) SMT 8-DFN-EP (3.3x3.3), 8DFN, 8-PowerVDFN	AON7318	Alpha & Omega Semi
32	1	R3	RES, 2.00 MΩ, 1%, 1/4 W, Thick Film, 1206	ERJ-8ENF2004V	Panasonic
33	1	R4	RES, 1.80 MΩ, 1%, 1/4 W, Thick Film, 1206	ERJ-8ENF1804V	Panasonic
34	1	R5	RES, 3.74 kΩ, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3EKF3741V	Panasonic
35	1	R6	RES, 60.4 kΩ, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0402	ERJ-2RKF6042X	Panasonic
36	2	R7 R23	RES, 82 kΩ, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEYJ823V	Panasonic
37	1	R8	RES, 2.55 kΩ, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3EKF2551V	Panasonic
38	1	R10	RES, 3.4 kΩ, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3EKF3401V	Panasonic
39	1	R11	RES, 499 Ω, 1%, 1/8 W, Thick Film, 0805	ERJ-6ENF4990V	Panasonic
40	1	R12	RES, 47 Ω, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEYJ470V	Panasonic
41	1	R13	RES, 10 Ω, 5%, 1/4 W, Thick Film, 1206	ERJ-8GEYJ100V	Panasonic
42	1	R14	RES, 10 Ω, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3EKF10R0V	Panasonic
43	1	R15	RES, 0.009 Ω, ±1%, 0.5 W, 0805, Current Sense, Moisture Resistant, Metal Element	CRF0805-FZ-R009ELF	Bourns
44	1	R16	RES, 820 Ω, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEYJ821V	Panasonic
45	1	R17	RES, 560 Ω, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0603	ERJ-3GEYJ561V	Panasonic
46	2	R19 R20	RES, 2.20 kΩ, 1%, 1/10 W, Thick Film, 0402	ERJ-2RKF2201X	Panasonic
47	1	R21	RES, 10 kΩ, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0402	ERJ-2GEJ103X	Panasonic
48	1	R22	RES, 1 kΩ, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0402	ERJ-2GEJ102X	Panasonic
49	2	R24 R27	RES, 3.3 Ω, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0402	ERJ-2GEJ3R3X	Panasonic
50	2	R25 R26	RES, 22 Ω, 5%, 1/10 W, Thick Film, 0402	ERJ-2GEJ220X	Panasonic
51	1	RT1	NTC Thermistor, 2.5 Ω, 3 A	SL08 2R503	Ametherm
52	1	RT2	NTC Thermistor, 100 kΩ, 1%,4250K, 0603	NCU18WF104F60RB	Murata
53	1	RV1	300 Vac, 25 J, 7 mm, RADIAL	V300LA4P	Littlefuse
54	1	T1	Custom, DER-942 Transformer EQ25, Lp=575uH	POL-INN058	Premier Magnetics
55	1	U1	ClampZero, MinSOP-16	CPZ1075M	Power Integrations
56	1	U2	InnoSwitch4-Pro, InSOP-T28D	INN4373F-H341	Power Integrations
57	1	U3	IC, Fast Charging Physical Layer IC for USB Interfaces	IP2726S	INJOINIC TECHNOLOGY
58	1	VR1	11 V, ±5%, 200 mW, SOD-323	MM3Z11VC	ON Semi
59	1	VR2	275 V Clamp 1.5 A Ipp Tvs Diode Surface Mount DO-214AC (SMA), SMAJ (DO-214AC)	SMAJ170A	Littelfuse
60	1	VR3	Diode ZENER 36 V 500 mW SOD123	MMSZ5258B-7-F	Diodes, Inc.

• 主要测试数据：
• 空载损耗：

• 平均效率：

• 输出20V/3A：

• 效率曲线图：

• 温度测试图
• 输出20V/3.25A, 输入

PCB底面：

PCB板顶面

• EMI 测试图：

230V AC, full loading

►场景应用图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

1，高集成IC 方案

2，高效率

3，体积小

►方案规格

1, 90 VAC – 265 VAC 输入电压

2, 5 V / 3 A, 9 V / 3 A, 12 V / 3 A, 15 V / 3 A, 20 V / 3.25 A 输出

3, 1,PD 3.0电源规范

► 技术文档

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