【应用】采用InnoSwitch-CP INN2215K和WT6630P设计的18 W Type-C PD充电器应用方案

本应用方案使用PI公司的反激式开关IC InnoSwitch-CP INN2215K和Weltrend公司的WT6630P Type-C PD控制器，设计的具有5V/3A或9 V/2A两种输出方式的18W Type-C和USB-PD充电器。该充电器支持90~264VAC输入，47~64Hz输入频率，空载输入功率仅为25~28mW。

此外，该充电器在5V/3A的输出模式下效率高达80%以上，并且在9V/2A的输出模式下，效率在86%以上。该方案可广泛的应用在手机，平板及笔记本电脑等移动设备的通用输入电源充电器上，电路板如图1所示。

图1，18 W USB Type-C PD电源电路图

该电路原理图如图2所示，主要包含输入EMI滤波， InnoSwitch-CP 反激式开关IC初级侧电路，InnoSwitch-CP 反激式开关IC次级侧电路和USB Type-C PD接口这几部分电路。

图2，18 W USB Type-C PD电源原理图

1. 输入EMI滤波

共模扼流圈LF1为EMI提供衰减。桥式整流器BD1对AC线电压进行全波整流。 电感器L1，L3和电容器EC1，EC2形成π型滤波器，该滤波器提供差分和共模的噪声滤波。 此外，热敏电阻RT1限制电源连接到输入交流电源时的浪涌电流，且保险丝F1隔离电路并提供元件故障保护。 

2.  InnoSwitch-CP 反激式开关IC初级侧

变压器初级侧的一端连接到整流的直流母线，另一端连接到InnoSwitch-CP IC（U2）内部MOSFET的漏极端子。由二极管D2，电阻器R1，R7和R8以及电容器C1形成的低成本RCD钳位电路，有效地限制了在U2内的MOSFET关断瞬间U2的峰值漏极电压，同时，该钳位电路有助于耗散存储在变压器T1的漏抗中的能量。此外，该IC是自启动的，在首次施加AC时，使用内部高压电流源为PRIMARY BYPASS（BPP）引脚电容（C14）充电。在正常操作期间，初级侧块由变压器T1上的辅助绕组供电。 

该电路使用二极管D3对辅助（或偏置）绕组的输出进行整流，并使用电容器EC3进行滤波。电阻R12和R17可以对提供给InnoSwitch-CP IC（U2）的BPP引脚的电流进行限制。齐纳二极管VR1与电阻R17一起为输出过压条件提供锁存OVP，包括电阻器R13和电容器C12的RC网络为二极管D3两端的电压中的高频振铃提供阻尼，这样的设计有效降低了辐射EMI。 

使用开/关控制实现输出调节，根据输出负载调整启用的开关周期数。在高负载时，大多数开关周期被启用，而在轻载或空载时，大多数周期被禁用或跳过。一旦一个周期被使能，MOSFET将保持接通，直到初级电流上升到该器件在特定工作状态时的限流值。此外，它可以配置四种操作状态（电流限制），使得初级电流开关模式的频率成分保持在可听频率范围之外，直到在低负载情况下，其中变压器磁通密度和可听噪声仍处于非常低的水平。 

齐纳二极管VR1可以提供初级感应地输出过压保护。在反激式转换器中，辅助绕组的输出跟踪转换器的输出电压，当转换器输出端出现过压的情况时，辅助绕组电压增加并导致VR1击穿，然后导致电流流入InnoSwitch-CP IC U2的BPP引脚。如果流入BPP引脚的电流增加到Isd阈值（标称值为7.6 mA）以上，InnoSwitch-CP控制器将锁定并防止输出电压进一步地增加。 

3. InnoSwitch-CP 反激式开关IC次级侧

InnoSwitch-CP IC的次级侧提供输出电压，输出电流检测，并且为MOSFET提供驱动的同时，进行同步整流。变压器的次级侧由MOSFET Q3整流，并由电容器C2和C3进行滤波。此外，还可以通过RC缓冲器R9和C4来降低开关瞬态期间的高频振铃，减少产生的辐射EMI。通过电阻R11感测的绕组电压和馈入IC的FORWARD（FWD）引脚，Q3的栅极由IC(U2)内的次级侧控制器来接通。 

在连续导通工作模式下，在次级侧指示从初级侧开始新的开关周期之前，MOSFET关闭。在不连续或连续的工作模式下，当MOSFET两端的压降低于约24 mV的阈值时，功率MOSFET关闭。对于初级侧功率MOSFET的次级侧控制理念，有效避免两个MOSFET交叉导通的任何可能性，并提供极其可靠的同步整流。 

InnoSwitch-CP 反激式开关IC的次级侧是由次级绕组的正向电压或输出电压来进行自供电，连接到InnoSwitch-CP IC U2的BYPASS（BPS）引脚的电容C9为内部电路提供去耦功能。在CC操作期间，当输出电压下降时，器件将直接从次级绕组供电。在初级侧功率MOSFET的导通时间期间，次级绕组上出现的正向电压可以用于通过电阻R11和内部调节器对去耦电容器C9充电，这样可以将输出电流调节保持在大约3.0 V以下。当低于此水平时，设备进入自动重启状态，直到输出负载降低。 

通过监测ISENSE（IS）和SECONDARY GROUND（GND）引脚之间的电阻R19两端的电压降来检测输出电流，阈值约为50 mV，以减少损耗。一旦超过内部电流检测阈值，器件就会调整开关脉冲的数量，以保持固定的输出电流。当低于CC阈值时，器件以恒压模式工作。同时，可以通过调节输出电压以便在反馈（FB）引脚上实现1.265 V的电压。此外，电容C6可以对FB引脚的信号进行噪声滤波。 

4. USB Type-C PD接口

在此设计中，Weltrend WT6630P（U3）是USB Type-C PD控制器。基于InnoSwitch-CP的反激式功率转换器级的输出通过其VCC引脚为Weltrend器件供电。电阻R6通过检测反激功率级的次级侧输出，为PD控制器提供电压反馈。 当接收请求时，输出电压变为9 V，若要将输出更改为9 V，则U3的引脚5需要变为低电平，并将电阻R16并联到反馈分压器网络的底部电阻。USB-PD协议通过CC1或CC2线路进行通信，具体取决于Type-C插头的连接方向。根据USB Type-C规范，当没有设备连接到充电器时，P-MOSFETS Q1和Q2使USB Type-C插座成为冷插座。 

变压器规格

变压器绕组方式如图3，其中3 x #35AWG是3股径规格为35AWG的线；7T是绕7圈，其他依此类推即可。

图3，18 W USB Type-C PD电源变压器示意图

变压器在每秒60Hz的情况下，其耐压值为交流3000V；当引脚1，2相连，其他所有绕组开路，测量频率为100kHz和0.4 VRMS时，测得初级电感为583μH；当引脚1，2连接，其他所有绕组开路时，测得谐振频率最小为1100KHz；当引脚1，2连接，引脚FL1，FL2短路，测量频率为100kHz和0.4 VRMS时，测得初级漏电感最大为16uH。