65W开源氮化镓充电器 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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本人不对本设计中任何电路、参数、公式的正确性做出保证。
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请确保你是一个具有完全能力的责任人！！！

数码之家首发文章：自制低成本65W氮化镓充电器（半完美品）

 

• 这个项目从十月份开始立项，到现在才有了个接近能用的半成品出现。
• 本项目着重与大力推动氮化镓充电器的价格平民化，减小厂商的开发成本。
• 本项目的主要架构是QR反激+同步整流输出，核心PWM控制芯片是茂睿芯的MK2697。
• 主要芯片是MK2697/G，MK1808，INN650D260A，TL431 ...
• 电源板与尾插小板都是1.2mm的板厚，不要搞错了！！！
• 本期沉没成本+物料成本接近2k，且看且珍惜。。

 

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首先上实物图

这个板子我画了接近一周，达到了我的最低理想程度，（后面还需要做外壳，还得改动），

目前结构已经十分的紧凑了，
但美中不足的是还有一部分地方没有利用上，

如果说把氮化镓功率管部分也做一个插件小板的话，还可以更加的紧凑！

刚才给大家看了实物图，现在奉上原理图。

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第一小结：控制芯片的选型

当时一直在逛充电头网，看了很多厂商的初级控制芯片方案，例如安森美的NCP1342，南芯的SC305x系列，

当然还有一些国内其他小厂的控制芯片方案，
首先排除安森美的芯片，毕竟国内一直大力推动自主半导体芯片的使用，所以直接排除外企的芯片，
然后我排除的南芯的SC305x系列的芯片，因为引脚真的很多，而且还比较贵，

国内其他的小厂的芯片，在某宝根本看不到货，直接不考虑。。
看到最后还剩下茂睿芯的MK2697芯片（带G是专门为氮化镓优化的，此款驱动电平只有6V）
去某宝一查价格也就一块几毛钱，非常的超值，供货也是比较稳定的。
但是网络上所能找到手册是不完整的，于是我就买了一个使用了该方案的充电器回来拆解逆向分析。
（虽然我后面拿到了完整的数据手册，但是不能公开）
温馨提醒：这个原理图设计完善，已经完全可以接近量产了，（

包括FB引脚过压，OCP电流检测都已经验证完成，最低输出电压，最高工作电压验证）

 

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第二小结：功率管的选型

之前某宝看过很多的氮化镓管子，但是最后选择了英诺赛科的INN650D260A管，该功率管常用于65W的氮化镓电源中。
其次就是镓未来G1N65R240PB的管子，它的管子驱动很方便，栅极电压较高，不需要额外考虑驱动电路设计。
充电头网还拆过氮化镓功率部分与驱动合封在一起的方案，但它限制了驱动电压，还需额外的供电，给设计带来不便。
比较不错的是东科的DK065G系列合封芯片，但是其VCC工作电压比较窄，供电电路偏复杂，逐放弃该方案。
英诺赛科的INN650D260A采用的是QFN8x8的封装，虽然有点偏大了。。耐压650V，导阻260mΩ，开通损耗低。
如果对体积有要求的可以选择INN650DA260A（封装QFN5x6）
INN650D260A这个价格是比较亲民的，物美价廉，炸几个都不算很心疼

这个PWM芯片带有完善的FB过压检测电路，过流检测电路。保证了安全性。。
在电流检测处使用的电阻最好采用的是合金电阻，普通的碳膜电阻在高温下并不是很稳定。。
这两个碳膜的0.43R电阻在冷态启动下可以达到OCP=21V@3.6A，
运行半小时之后随着温度的升高，最终停留在了OCP=21V@3.1A
也就是堪堪65W的功率水平，再高一点就保护了，为了更精确的过流保护应选用低温漂的合金丝电阻。。

 

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第三小结：次级同步整流芯片的选型

这个其实有很多厂商的芯片，这里选同一家的芯片，方便拿货。。

常用的南芯SC35xx系列，MPS的mp69xx系列，智融的SW16xx系列芯片。。。
其次我找到了某宝最低价的次级同步整流芯片：LP35116P
这个芯片不仅可以找到数据手册，而且某宝的最低价格可以到8毛钱一颗，性能也不输其他厂商。

 

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第四小结：变压器设计与选型

之前看充电头网的拆解帖，都可以看见各种个样的变压器，绝大部分都是次级出线的那种，对焊接还是有点要求的
后来无意间看到充电头网推广的帖子：开关电源的高频高效发展方向与东科合封创芯主流技术
里面我看到了使用了ATQ23的磁芯做成的65W变压器，该款体积大小都很合适，翻阅某宝也能找到合适的卧式4+2骨架。
该骨架虽然管脚数少，但是功率与体积都满足要求，常见于拆解的帖子中，但绝大多数当当成了出线焊接的那种。

但是呢，这个变压器居然有两种骨架，一种是槽宽5mm的，一种是槽宽6.6mm的，

我做第一版的时候打样的是6.6mm的变压器，当时打样的时候没有留意到。。
而画的封装焊盘是5mm的，根本装不上，没办法，之后先调试完成之后重新打板回来验证封装了。
如果说需要自己绕制变压器，需要买一对ATQ23的磁芯，而不是ATQ23.7规格的。。
磁芯买错了可能偏大，骨架需要买槽宽6.6mm的，买小了不方便绕制的。。

变压器计算，我使用的是：SMPSKit  ，，它可以简易计算过程，方便设计。

这个是根据软件计算出来的匝数，我打样验证的变压器也是按照这个参数来的，
初级20匝，0.4线径，单线密绕，次级3匝，0.5线三线并绕，辅助绕组是0.25线，8匝。

初级电感量250uH，次级5uH，辅助绕组40uH，误差±10%。。。具体看变压器承认书。
由于是反激变压器，需要手动研磨气隙，根据LCR电桥实测需要慢慢研磨到合适的电感量为止！
这个绕组比例可以满足最低5V输出状态下，PWM芯片的供电电压不会低于9V，不会强制发脉冲。
这个65W的变压器已经经过了验证，可放心的打样与批量生产。手工绕制的话需要你看得懂才行。

 

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第五小结：TL431环路反馈及调试

（测试纹波的时候我没有开启机器的20MHz带宽限制，所以测得纹波数据会偏大）
一定要买大品牌的TL431！！！这个非常重要，之前某宝买的431芯片是国产小作坊的，
精度是1%，比大牌的431高了0.5%，，而温飘也是不咋样，高温环境下电压漂移有点大。

之前C11我用的电容是1uF，输出大电流的时候纹波有1.5Vpp，呈正弦波样。。

后来用电桥测了一下成品充电头的电容大小为1nF，忽然间明白了。

之前看手册没注意到COMP引脚的输出电流只有150uA，如果这里加的电容太大了就会导致反馈的环路带宽过小，调节过慢。

后面换了1nF的电容才把纹波控制到了300mV以内。

但，TL431的1脚2脚之间为什么要串阻容呢？
这个其实是环路补偿电路，来提高环路带宽与响应。我照抄成品的电容电阻发现效果不怎么好。
于是通过不断的更换电容电阻实测才选择了这个组合，成功的把纹波降低，响应提高。。
其中的辛酸历程真的是一言难尽。。没有专业的仪器测试，我也不知道伯德图数据怎么样，
我也不是专业做电源的，性能上能满足，但是指标上不一定满足。
如果后来者有仿制这个充电头，希望的有条件的可以实测一下，反馈给我看看。。
（新工艺TL431的阴极电流最小为0.5mA，老式的工艺差点，为1mA，选型的时候一定要注意点，不要选错了！！！）
（这个TL431电路设计的阴极电流是0.724mA的，不兼容一些品牌的TL431）

 

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第六小结：协议芯片的踩坑与调试

65W超级氮化镓电源充电器
之前的打算借鉴一下立创开源社区的那个65W氮化镓的PD控制部分，，但是评论区里面有人反馈芯片有问题。
个人来说，这个开源的PCB画的不怎么样，重点是原理图画的乱七八糟的！！看天书的感觉
之前我不想自己做变压器的，想用它那款变压器，评论区说涨价了，而且引脚定义也换了
而关键是变压器还涨到了20多块钱一个，这是在抢钱呢，批量的价格才几块钱一个。
它的协议芯片好像是需要烧录固件的，普通的空片不能输出大功率。
我就看了下较为接近的IP2723T，只是这个芯片与IP2726半斤八两，都是同一个垃圾堆的。
主要IP2723T比IP2723多了一路电流检测，其他大相径庭的。但是它们挖的坑是一样的大。。
我设计的是两路电流检测，需要支持动态功率分配功能才行。

选用的芯片是IP2723TS_CF，该芯片可支持65W功率输出！千万别买错了！！！！

第一条就是：在半岛小芯的查到的规格书里面的第一条数据的规格书里面没有写明有后缀区别
这个还是我翻看第二第三条规格书的时候无意间发现的（带TS的版本才标注了，T版本压根就不写）
让你故意的踩坑，直接坑死我了，买了四次的芯片。。

第二条就是：默认的输出功率水平与档位。。。默认最高电压档位12V，最大功率20W。。
我还以为是我买错芯片了，后面又买了一次，发现还是不行，在官网留言也不见得有人回复，服务做得跟shi一样！！！
后面不死心的买了IP2723TS_CF，经过验证这个是可以输出65W功率的（采样电阻为7mΩ）
（如果采样电阻是10mΩ的话，最大输出20V3A，7mΩ的是20V3.8A）采样也许是5mΩ？
规格书写的稀巴烂就算了，还挖了那么多坑，感情都是钻钱眼里面去了。。。也不见得在规格书里面注明！！
好在另外的一个IP6525S这个芯片没有让我失望，简单测试就成功。

 

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第二部分
数据实测

输出电压实测与纹波实测。。
（测试纹波的时候我没有开启机器的20MHz带宽限制，所以测得纹波数据会偏大）
测量初级振荡波形一定要用隔离变压器给板子供电，不能共地，要不然示波器会炸的！！

探头还需要使用100:1的耐高压探头！！
测量方式如图（由于两根探头同时测试的影响，会有较大的共模噪声进入示波器影响观测）

输出5V各个电流实测纹波

下面两张图片的单探头测得，没有共模干扰纹波会低很多。

这个是5V3A输出的时候测得的纹波，小于200mV，纹波占比小于4%，算是良好。

 

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输出9V各个电流实测纹波

这里忘记单独测试输出纹波了，就看这张吧：

纹波计算：344mV/9V≈3.83%，这个也算是良好，蛮不错的。

 

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输出12V各个电流实测纹波

这个示波器保存文件的时候发现有两张保存成了空图片，但是由于PD芯片的限制，最大只能输出12V2.4A的电流。

后面换了IP2723TS_CF测试是可以的。
再大一点就关断保护了，纹波计算：500mV/12V≈4.17%，这个也算是良好，蛮不错的。。

 

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补上15V与20V的测试数据，下面的是15V的。

纹波计算：500mV/15V≈3.34%，满足设计要求。

 

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下面的是20V的测试数据：
20V1A实测，

下面的是20V3A的。

20V1A深储存长时间采样的纹波波动

20V3A深储存长时间采样的纹波波动

纹波计算：800mV/20V≈4%，
各个电压档位均满足设计指标，纹波大小也不超过电压占比的5%
如果说单独测量输出的纹波再计算的话，纹波会更小一点，毕竟我现在的计算是把共模干扰的影响也计算进去了。

 

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最后是一些杂图了，都是在测试的过程中拍的

上面这一张是之前测试PD协议芯片的时候拍的，但是发现电压掉的很厉害，而且测试纹波发现达到了1Vpp
就是那个C11电容用成了1uF，后面改成了0.1uF，再改成了1nF。。。
然后电压回升了，纹波也降低了很多。。

 

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下面的这个PD协议芯片是我从成品充电头上面拆下来的，是烧录好程序的，能支持输出20V3.25A，高达65W的功率。
但是由于采样电阻为5mΩ，工作久了，温飘有点大，直接掉到3A去了，后面换成4mΩ才稳定下来。。

下面这两个是换成IP2723TS_CF的芯片测试的时候拍的。

 

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后续1：原理图的USB口的电源网络标志忘记改，现在已经改正，PCB的网络名也同步改正，，
使用烧录好默认12V输出固件的IP2723T_CF可满足两口工作要求。
这TMD不是设计缺陷，也不是胡乱设计！！！认真看协议部分说明再评论。

 

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后续2：转换效率简易测试

电源空载功耗。如果说需要进一步降低功耗，可拆下U2，U3这两个泄放电阻。

η=P_out/P_in，，（以下为满载，计算不考虑线损）
P_out=20V*3.25A=65W
P_in=222.22V*0.651A*0.51(功率因数）=73.779W
再减去电子负载空载的影响，得出
η=65W/73.279W=88.70%

此氮化镓电源效率约为88.70%，以上测试数据仅供参考。

 

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后续3：进一步优化布局与缩小体积

第二版我改动了一下布局，把功率与驱动芯片都放在了一个小板上面，以此减小体积。

同时之前也有人反馈尾插小板的强度问题，觉得五个小的插脚强度不行，容易断裂。

后面我改动了布局与PCB文件，把插脚部分做了增强处理。功率小板就不需要改动。

小板是4层的板子，无层叠要求。两个内层铺铜用来提高导热效率。

相比较与第一版，该分体的长度减小了4.4mm。。

该项目也在立创开源了。链接：分体高密度氮化镓充电器

 

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后续4：关于优化效率与调整工作模式

之前在数码之家论坛有人反馈说我这个工作模式有点问题，这周查阅资料确实也发现了

这个氮化镓的Vds极的波形的确有点不对，根据对比资料，发现目前是工作于DCM模式。

而不是我所需要的QR模式。后面根据数据手册与实际调整验证测试，现在终于解决了。

之前是单纯的调整C14的电容值，发现无论怎么调整都是出于DCM工作模式，

今天突发奇想会不会是R17也影响到了呢，于是我拆掉C14，上示波器进行测试。

发现反馈的电压数值的确超了，导致控制器处于跳频模式中，使得输出纹波波动大。

于是调整了R17的电阻为1206 430K，C14电容不焊接，上电之后再测试反馈正常了。

反馈电阻与电容不是一成不变的，需要按照实际进行调整，

现在工作模式也处于了理想的QR反激模式。实现了谷底导通，另外调整了一下RCD吸收电阻的消耗电阻R5

增大消耗电阻的阻值有利于提高一点点的转换效率，但更多的还是需要合理的绕制变压器。

 

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后续5：关于温升测试数据

最近觉得做个电源还缺少了一些东西，索性这次都买了吧，先贴上这个电源的热成像图，仅供参考。
热成像的型号是海康威视的H21 Pro+微距镜头。购买价格2.6K。。

这个是NTC热敏电阻，主要作用的降低浪涌带来的影响。

这个是整流桥，我选用的是1000V4A的整流桥。

这个是英诺赛科的INN650D260A氮化镓功率管，导阻260mΩ。

这个是茂睿芯的MK2697G主控芯片。

这个是变压器，经过过一个小时的老化后测得的数据。

温度最高的是次级同步整流芯片，然后是MOS管，是按照规格书上面的接法，测试发现老化工作温度偏高。
需要降低工作时的温升可以在HVIN供电脚串入一个0603的2.2R电阻来分摊热量。
测试数据仅供参考。。。