自制低成本65W氮化镓充电器（半完美品）

adminismk

警告： 开关电源制作危险性较大，本设计所有参数均未经过验算，本人不对本设计中任何电路、参数、公式的正确性做出保证。
复刻或参考本作品需要您自行承担所有可能的风险。请确保你是一个具有完全能力的责任人！！！

想起之前买过一个努比亚的氮化镓充电头，一个接近150块钱，有点小贵。
粗略计算一下成品的氮化镓充电头器件成本不高，于是想自制一个出来。

• 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



PDF高清版本：

协议接口部分的电源网络标志出错，现在已经改正，以最新的原理图文件为准。。

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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DK065系列合封芯片，但是其VCC工作电压比较窄，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。。
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，都可以看见各种个月的变压器，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。。



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，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%。。。
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

变压器承认书下载：

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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）
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，一次性成功。

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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5V输出的时候空载的纹波


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
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。
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。



PCB文件分享：




本项目近期会在立创开源社区开源。。站内的可以先尝鲜
需要用到的物料都标注在BOM文件里面了，PD协议芯片需要找某宝的配单商家买。
立创开源社区：65W开源氮化镓充电器

后续还将会再画一个控制小板，目前这版的主要问题是没有外壳，最低启调电压导致IP6525S无法满功率输出。

虽然该版的完成度较高，有一定的使用价值，但是没有外壳，还是比较危险的！！

后续：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。

感谢版主的斧正！！

adminismk

tomyluo 发表于 2024-1-11 11:08
要是氮化镓电源芯片也像tny278那样简单就好了

有啊，合封的氮化镓电源IC，例如DK065G系列，还有一些小厂子的氮化镓合封器件，30W左右，就是你在某宝拿不到货罢了

adminismk

zhkrid 发表于 2024-1-11 11:19
很专业，壳子可以找一下有没有公版的，开模不现实，3d打印只有打尼龙的才够用，树脂的只能做试验就急用用 ...

壳子是找过了，没有合适的公版模具，后面我找朋友打一下，先验证了外壳先，到时候一起开源了，

adminismk

zhkrid 发表于 2024-1-11 11:22
应该可以找这人要样片

这几个型号的片子可以在某宝找到，也可以买，并不是很贵，之前我还在闲鱼买了几片南芯的合封芯片，这些合封芯片的最主要的问题是VCC供电电源范围不够宽，我这个设计的是FB反馈电路，会影响到原边辅助绕组的输出电压。。

adminismk

moontree 发表于 2024-1-11 11:51
整这个全在个人爱好，人工、成本估计不比成品差多少。

单个充电头物料成本不到50（批量）

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dingjiali 发表于 2024-1-11 12:02
很不错，有套件供应就好了

开源的，看谁整了。。。。。。。。

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k1503 发表于 2024-1-13 08:18
我也想做, 就是变压器搞不定啊

变压器承认书我已经放在文中了，已经验证可行性了。。

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sceips8 发表于 2024-1-13 09:47
不解，所谓的低成本是以什么标准衡量的？和市面在售成品60元左右的有多大成本优势？？ ...

某宝全新的一个品牌氮化镓充电头都100+了，，我指的是批量制造的成本

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亚历山大 发表于 2024-1-13 12:15
感觉氮化镓的驱动好像应该比大电流MOS管简单

不简单啊，氮化镓的管子是电流驱动器件，需要20mA的电流才能很好的驱动起来，mos管的电压型器件，但是由于米勒平台的存在也是需要大电流去驱动的，而氮化镓不存在这个米勒平台，驱动相对方便一点

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2n3055 发表于 2024-1-13 20:29
元器件密度并不大，而且是自己设计制作外壳，建议加强散热。氮化镓器件、同步整流的引用，目的还是为了提高 ...

是的，我同意，这版的主要目的是验证可行性，下一版本会将氮化镓功率部分专门做一个小板出来

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翟占祥 发表于 2024-1-13 23:14
计算变压器的软件可否分享一下，我也做过几个充电头，不过是抄出来的

按照名字搜索一下就有了：SMPSKit

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xuyapple 发表于 2024-1-14 08:54
准谐振的谷底是不是还可以再调整下，有点超过了

之前调过几次，效果都不是很理想，不知道是不是变压器设计的有问题。。。

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xuyapple 发表于 2024-1-14 08:58
英飞凌/松下的GIT类型的GaN才是电流型驱动，p-GaN的GaN还是电压型驱动，GaN的Qg会比Si MOS小得多，但是要 ...

这个管子确实需要一定的驱动电流，至少20mA，之前驱动电阻选大了，炸了一次管子

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xuyapple 发表于 2024-1-14 09:07
还有GaN那块的布局可以调整下，GaN可以转下角度，高压不用环绕GaN，并让控制驱动芯片靠近GaN，驱动回路就可 ...

之前旋转的时候有考虑，但不过这样子栅极脚会太靠近高压了，怕出问题就远离了

adminismk

xuyapple 发表于 2024-1-14 23:53
英诺的管子Qg和栅漏电很小，有的适配器，NCP1342加1k的电阻都能驱动

我之前以为英诺赛科的管子的也可以这样子驱动，然后上电炸了我一脸，，，，，，

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xuyapple 发表于 2024-1-14 23:51
MK2597的FB脚是不是跟NCP1342的ZCD脚一样用来做谷底检测的，没看过详细的规格书，如果是的话，调整FB脚接 ...

是的，这个引脚是用来进行谷底检测的。。但茂睿芯的手册里面没有关于谷底检测的描述，我查资料后还是有点不懂的。
您指的是这里的谷底吗？烦请大佬赐教。。

adminismk

xuyapple 发表于 2024-1-15 17:47
如果是跟NCP1342对标，原理类似的话，就是调整引脚接的电容，类似RC延时，电容大点，开通点就后移；电容 ...

好的，感谢科普，晚上我回去测测，看看能不能找到一个合适的电容值

adminismk

xuyapple 发表于 2024-1-15 17:47
如果是跟NCP1342对标，原理类似的话，就是调整引脚接的电容，类似RC延时，电容大点，开通点就后移；电容 ...

大佬，我测试了减小电容，甚至拆掉电容，还有增加电容，都无法解决谷底开通的问题，无法在谷底时进行开通，拆掉GaN管旁边的那两个22pF电容也无济于事。。看来我还需要多研究研究才行，感觉像是变压器导致的。。

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jxcnj 发表于 2024-1-16 08:49
准备复刻一个，可惜没有外壳

那等我新年之后改下一版吧，到时候体积还可以更小的，外壳我托朋友画一个

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snoo 发表于 2024-1-16 09:33
还应当测试稳压效果，输入电压从110v到220v时，输出电压的情况如何。体积方面还是很难比过商品电源。 ...

目前是没有110v的隔离电源，还无法进行测试