基于InnoSwitch-EP INN2904K的17.5W雙輸出電源設(shè)計

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電源供應(yīng)是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們將深入探討一款基于InnoSwitch - EP INN2904K的17.5W雙輸出電源設(shè)計。這款電源具有高集成度、高效率和出色的性能，非常適合嵌入式電源應(yīng)用。

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一、電源概述

本設(shè)計采用InnoSwitch - EP系列的INN2904K芯片，具備900V額定MOSFET，能夠?qū)崿F(xiàn)12V、1.25A和5V、0.5A的雙輸出。該設(shè)計展示了高功率密度和高效率，同時還提供了卓越的性能。文檔涵蓋了電源規(guī)格、原理圖、物料清單、變壓器文檔、印刷電路板布局和性能數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

二、電源規(guī)格

輸入規(guī)格

• 電壓范圍：85 - 484VAC，采用2線輸入。
• 頻率范圍：47 - 64Hz，常見的50/60Hz也適用。

輸出規(guī)格

其他規(guī)格

• 總輸出功率：連續(xù)輸出功率為17.5W。
• 效率：在110/230VAC、25°C環(huán)境下，滿載效率達到86%。
• 空載輸入功率：在230VAC輸入時，空載輸入功率為280mW。
• 環(huán)境適應(yīng)性：傳導(dǎo)EMI符合CISPR22B / EN55022B標(biāo)準(zhǔn)；安全設(shè)計滿足IEC950、UL1950 Class II要求；能承受1.2/50μs浪涌（差模2kV，共模6kV）；ESD防護能力為空氣放電±16.5kV，接觸放電±8kV；環(huán)境溫度范圍為0 - 40°C（自由對流，海平面）。

三、電路描述

輸入EMI濾波

保險絲F1用于隔離電路，防止組件故障。共模電感L1與電容C1、C2、C17和C18共同作用，對EMI進行衰減。橋式整流器BR1將交流市電整流為直流，電容C1和C2組成濾波電路。熱敏電阻RT1作為浪涌電流限制器，與高額定正向浪涌電流的橋式整流器配合使用。

InnoSwitch - EP初級電路

變壓器初級的一側(cè)連接到整流后的直流母線，另一側(cè)連接到InnoSwitch - EP IC（U1）內(nèi)部的900V功率MOSFET。由D1、R11、R12和C7組成的低成本RCD鉗位電路，限制了由于變壓器漏感和輸出走線電感引起的漏極峰值電壓。

IC具有自啟動功能，當(dāng)首次施加交流電源時，內(nèi)部高壓電流源為BPP引腳電容C8充電。正常工作時，初級側(cè)模塊由變壓器的輔助繞組供電。輔助繞組輸出經(jīng)二極管D2整流和電容C6濾波后，通過限流電阻R9饋入BPP引腳。初級側(cè)過壓保護由齊納二極管VR2和R28實現(xiàn)，當(dāng)輸出過壓時，偏置繞組輸出電壓升高，使齊納二極管VR2導(dǎo)通，觸發(fā)InnoSwitch - EP IC初級側(cè)控制器中的過壓保護鎖存器。

電阻R3、R4、R5、R10和R8用于檢測線電壓，并為U1提供與電容C1和C2兩端直流電壓成正比的電流。當(dāng)直流電壓約為78V時，這些電阻中的電流超過線欠壓閾值，使U1啟用；當(dāng)直流電壓約為700V時，電流超過線過壓閾值，使U1禁用。

InnoSwitch - EP次級電路

InnoSwitch - EP的次級側(cè)提供輸出電壓和電流檢測，并驅(qū)動MOSFET進行同步整流。

5V輸出的整流由SR FET Q2完成，低ESR電容C21進行濾波，電感L3和電容C25組成二級濾波器，顯著衰減5V輸出的高頻紋波和噪聲。

12V輸出的整流由SR FET Q1完成，低ESR電容C12進行濾波，電感L2和電容C26組成二級濾波器，衰減12V輸出的高頻紋波和噪聲。電容C14和C23用于抑制高頻開關(guān)紋波和輻射EMI。

由R25和C24（用于Q2）、R14和C10（用于Q1）組成的RC緩沖網(wǎng)絡(luò)，抑制了由于變壓器繞組漏感和次級走線電感引起的SR FET高頻振鈴。

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，功率MOSFET在次級側(cè)控制器命令初級側(cè)進行新的開關(guān)周期之前關(guān)閉；在不連續(xù)模式下，當(dāng)MOSFET兩端電壓降至閾值（VSR(TH)）以下時關(guān)閉。次級側(cè)對初級側(cè)MOSFET的控制確保其不會與同步整流MOSFET同時導(dǎo)通，MOSFET驅(qū)動信號從SR/P引腳輸出。

IC的次級側(cè)可由次級繞組正向電壓或輸出電壓供電。在恒壓（CV）區(qū)域，輸出電壓通過內(nèi)部調(diào)節(jié)器為設(shè)備供電，并為去耦電容C9充電；在啟動和恒流（CC）區(qū)域，次級繞組正向電壓通過R13為設(shè)備供電。當(dāng)檢測到輸出電壓低于3V時，設(shè)備進入自動重啟模式。

電阻R16、R15和R23組成分壓器網(wǎng)絡(luò)，檢測兩個輸出的電壓，以實現(xiàn)更好的交叉調(diào)節(jié)。齊納二極管VR1在僅5V輸出有負載時改善交叉調(diào)節(jié)，使12V輸出在規(guī)格上限運行。InnoSwitch - EP IC內(nèi)部參考電壓為1.265V。由電容C20、C15和電阻R24、R17組成的反饋補償網(wǎng)絡(luò)，降低輸出紋波電壓。電容C11用于去耦高頻噪聲，減少對電源運行的影響。總輸出電流由R20和R21檢測，閾值約為33mV，當(dāng)超過該閾值時，設(shè)備調(diào)整開關(guān)脈沖數(shù)量以維持固定輸出電流。

四、PCB布局

PCB銅厚為2oz（2.8mils / 70μm），除非另有說明。合理的PCB布局對于電源的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，它能夠減少電磁干擾，提高電源的效率和可靠性。

五、物料清單

文檔詳細列出了電源設(shè)計所需的各種組件，包括橋式整流器、電容、二極管、電阻、電感、MOSFET、變壓器等，以及它們的型號、制造商和數(shù)量。準(zhǔn)確的物料清單是確保電源設(shè)計成功的基礎(chǔ)，選擇合適的組件能夠提高電源的性能和穩(wěn)定性。

六、變壓器（T1）規(guī)格

電氣圖

變壓器的電氣圖展示了各個繞組的連接方式和匝數(shù)，包括初級繞組、偏置繞組、屏蔽繞組和兩個次級繞組。

電氣規(guī)格

• 標(biāo)稱初級電感：在1VPK - PK、100kHz開關(guān)頻率下，測量引腳2和FL3之間（其他繞組開路），電感值為381μH ±10%。
• 諧振頻率：引腳2和FL3之間（其他繞組開路），諧振頻率最小值為1100kHz。
• 初級漏感：引腳2和FL3之間（FL1、FL2、FL4、FL5短路），漏感最大值為10μH。

材料清單

包括磁芯（RM8，PC95 TDK或DMR95 from DMEGC magnetics）、骨架（RM8，垂直，12引腳）、磁芯夾、漆包線（不同規(guī)格）、絕緣膠帶（3M 1298聚酯薄膜）和清漆（Dolph BC - 359）等。

變壓器構(gòu)建圖和構(gòu)建步驟

詳細說明了變壓器的繞制方式和絕緣處理，包括繞組的匝數(shù)、層數(shù)、繞線方向和絕緣膠帶的使用等。合理的變壓器設(shè)計和繞制工藝能夠提高變壓器的性能和效率，減少損耗和干擾。

七、共模電感（L1）規(guī)格

電氣圖

展示了共模電感的繞組連接方式，兩個繞組各55匝，采用#31 AWG漆包線。

電氣規(guī)格

• 電感：在100kHz、0.4RMS下，引腳1 - 4和引腳2 - 3的電感值為16.6mH ±25%。
• 磁芯有效電感：5500nH/N2。
• 初級漏感：引腳1 - 4（2 - 3短路），漏感為80μH。

材料清單

包括鐵氧體磁環(huán)（多種可選）、電纜扎帶和#31 AWG重型尼龍漆包線。

繞線說明

詳細說明了繞線的步驟，包括使用電纜扎帶將磁環(huán)分成兩部分，分別繞制兩個繞組，并使用熱膠或環(huán)氧樹脂固定繞組。

八、變壓器設(shè)計電子表格

提供了變壓器設(shè)計的詳細參數(shù)，包括輸入電壓范圍、輸出電壓和電流、效率估計、開關(guān)頻率、保護參數(shù)、偏置繞組參數(shù)、變壓器磁芯和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。這些參數(shù)對于變壓器的設(shè)計和優(yōu)化非常重要，能夠確保變壓器的性能和可靠性。

九、性能數(shù)據(jù)

滿載效率與輸入電壓關(guān)系

展示了不同輸入電壓下的滿載效率曲線，在110/230VAC、25°C環(huán)境下，滿載效率達到86%。

空載輸入功率

在230VAC輸入時，空載輸入功率為280mW。

線電壓和負載調(diào)節(jié)

包括線電壓調(diào)節(jié)（滿載）和交叉負載調(diào)節(jié)，確保輸出電壓在不同輸入電壓和負載條件下的穩(wěn)定性。

熱性能

在85VAC和484VAC輸入下，測試了電源的熱性能，確保在不同環(huán)境條件下電源能夠正常工作。

波形

包括負載瞬態(tài)響應(yīng)、開關(guān)波形、輸出電壓和電流波形、輸出紋波測量等，這些波形能夠直觀地反映電源的性能和工作狀態(tài)。

ESD和EMI

ESD防護能力為空氣放電±16.5kV，接觸放電±8kV；傳導(dǎo)EMI符合CISPR22B / EN55022B標(biāo)準(zhǔn)，確保電源在電磁環(huán)境中的穩(wěn)定性。

雷擊浪涌測試

通過組合波差模測試和環(huán)形波共模測試，驗證了電源在雷擊浪涌情況下的可靠性。

綜上所述，這款基于InnoSwitch - EP INN2904K的17.5W雙輸出電源設(shè)計具有高集成度、高效率、出色的性能和良好的穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對設(shè)計進行優(yōu)化和調(diào)整，以滿足不同設(shè)備的電源需求。你在電源設(shè)計過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。