基于WT6632F的65W PD开关电源的设计

中电集团电子九所 湛 禄 黄 蓉

引言

USB PD 是USB-Power Delivery的简称，是一种快充协议。我们目前在手机充电器里应用最为广泛的快充协议是高通的QC2.0，QC3.0以及即刚面世的QC4.0。QC2.0输出电压为5V,9V,12V三种电压，最大输出功率为18W.QC3.0是从3.6V-12V,以0.2V为一个变化梯度，其中3.6-6.5V 时输出最大电流为3A,9V时2A,12V时1.5A，最大输出功率为19.5W.QC4.0加入了USB PD支持，取消了12V,5V最大输出为5.6A,9V最大输出为3A,最大输出功率为28W。

而USB PD是USB协会的快充协议，目前最高版本为3.0. V1.0和V2.0为定电压输出，输出电压分别为5V,9V,15V,20V，根据用户需要还有12V.最大输出电压可以到5A,即最大输出功率为100W.V3.0还兼容QC2.0，QC3.0，其V3.0之1.1还兼容QC4.0。

USB PD开始主要是针对笔记本适配器市场，随着版本的提高，其已兼容高通的QC协议，故也应用到手机充电器市场。正是因为这个特点，PD开关电源才有广泛的应用前景。

图1

图2

1 电路设计

1.1 本开关电源的基本技术参数如下：

输入：100-240V 50/60HZ

输出：5V/3A, 9V/3A, 12V/3A, 20V/3.25A.

平均效率：满足DOE 6级能效。

输出纹波 ≤120mv

EMI 符合EN55032 CLASS B.

1.2 原理图设计

从技术参数看，输出最大功率为65W,拓扑结构选用单端反激式。AC-DC芯片采用NE1118.为提高开关电源效率，输出采用同步整流方式。PD协议芯片采用台湾伟诠的WT6632F.

1.2.1 AC-DC原理图如图1所示。

电路功能及原理如下：

U1为AC-DC控制芯片，带高压启动无需启动电阻，且带X电容放电功能，无需X放电电阻，故电路较为简洁。1脚带输入OVP及OTP保护；2脚为FB脚；3脚为输入电流取样脚；4脚为地；5脚为MOS驱动；6脚为VCC；7脚NC；8脚为高压启动脚。

1.2.2 PD接口电路如图2所示。

WT6632F为台湾伟诠电子所出的一款符合PD3.0协议的识别IC，自带电压输出控制，外围电路无需TL431来作为稳压。

WT6632F除了满足PD3.0协议外，还符合高通的QC2.0，QC3.0，其6,7脚就为D+,D- USB识别脚位.即本适配器既用于笔记本的供电也可用于手机的充电。

2 关键器件设计

2.1 输入整流桥堆选取

2.1.1 在最低输入电压90V时(效率设为0.85)桥堆的最大平均电流为：

功耗为：2*0.71=1.42W

2.1.2 二极管在90V时导通时峰值电流[1]

2.1.3 在最高输入电压时的反向电压为：

Ud=264*1.41=372V。

故选用桥堆4A 600V。

2.2 变压器设计

本适配器根据外壳情况选用EQ3014.

参数：AE=138mm2

绕线高度4.75mm，槽宽10mm，平均匝长：62mm。

工作频率65KHZ。

2.2.1 初次级圈数计算

因输入电压范围为5-20V，以最大功率输出来计算。

为方便选取后级MOS，考虑到成本，选用耐压100V的。考虑降额，取90V。即在输入电压264V输出20V时，MOS上最高电压为90V。则砸比N为：

1）设次级NS=3T，则NP=24T

2）设∆B=0.33-0.33*10%=0.297T，则：

3) 此时可算出临界输入电压为76V AC

电感LP=420U

2.2.2 初次级线径选取

1）90V时初次级有效值电流计算

由上面可知，理论上本设计的临界点为76VAC输入，则在20V输出是，在90V输入时，电源工作在断续模式。

次级电感LS=420/64=6.56UH，设输出MOS导通占空比为D，输出次级峰值电流为IS，输出电流为IO，输出电压为VO，工作周期为T，则有：

LS*IS=VO*D*T即 6.56E-6*IS=20*D*15.3E-6

IO=0.5*IS*D 即0.5* 3.25=IS*D

则：IS=17.4A,D=0.373

则次级有效值电流为：6.13A

因IS=17.4，则：

初级平均值电流为IAV=65/(0.85*100)=0.76A.

则初级有效值电流为1.13A

2）初次级线径选取

初级电流密度选7A/mm2，则初级线径选0.45mm。次级电流密度选8A/mm2，则次级线径选4根0.5三层绝缘线。

3）初级VCC及屏蔽。

初级VCC在输出5V时电压设置在12V，则初级VCC绕组匝数为10T。

变压器工艺采用初夹次的三明治结构，且在初次级间加屏蔽，以满足EMI要求。

2.3 输入电容设计[2]

90V时输入纹波电压选取40%，则：

0.5 *C(1262-762) ≥（65/0.88）*6.5E-3

C ≥ 95UF

考虑电容的误差，选取120UF 400V

2.4 输出电容选取

1)求电容纹波电流

2)故选用2个纹波电流为5A的470UF 25V的固态电容。

其：ESR = 11m R

此时输出电流纹波为17.4*11/2=95.7mv<120mv，满足要求。

3) 功耗为：

P = 5.19*5.19* 11E-3 = 0.296W

4)最小容量计算

输出电压纹波小于120mv，则：

可知所选电容容量也满足要求。

2.5 输入MOS选取

1）耐压选取

VDS=375+8*20+50=585V

降额90%，选用耐压650V的MOS。

2）Rdson 选取

散热器热阻选用20°/W，根据要求，温升为20°，故MOS的功耗为设导通功耗为1W，设在90V时导通损耗为60%

故选用耐压650，RDSon小于420毫欧电阻的MOS。

2.6 输出同步整流MOS管的选取。

1)耐压确定，如上已设定为100V

2)电流及Rdson选定

根据控制IC参数，其压降为75mv，又次级ISP=17.4A,选其中间值为临界点，则：

Rdson<75/(8.7)= 8.6m R

3)导通功耗(90V输入时)

PD = 6.14*6.14*8.6E-3 = 0.324W

3 试验结果

经对样品进行测试，性能满足要求：

平均效率如下：

5V 9V 115VAC 83.4% 88.3%230VAC 83.8% 88.9%限制 ≥81.39% ≥86.62%12V 20 89.1% 90.3%89.2% 90.5%≥87.73% ≥88%

[1]Sanjaya Maniktala著,王志强等译.开关电源设计与优化[M].北京：电子业出版社,2006.

[2]沙占友,王彦朋等著.开关电源设计与优化[M].中国电力出版社,2009,154-157.