65와트 PD 고속 충전 GaN 충전기를 오픈소스로 공개합니다. DK8607AD 전원 칩 기반의 액티브 클램프 플라이백(Active Clamp Flyback, ACF) 토폴로지이며, IP6538-AC-65W + XPM52CDP65 구성입니다.
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실물 사진
GaN 플라이백 전원 베이스보드 양면 및 DCDC 고속충전 서브보드 정면 사진:
DCDC 고속충전 서브보드 뒷면 사진:
프로젝트 설명
본 프로젝트는 GaN 플라이백 전원 베이스보드(24V/3A) 와 65W 고속충전 DCDC 서브보드 로 구성되어 있습니다.
고속충전 서브보드는 두 가지 설계 방안을 제작하였으며, 각각 다음과 같습니다:
- IP6538-AC-65W 칩 사용, Buck 강압 회로, 내장 MOSFET, A+C 포트
- XPM52CDP65 칩 사용, Buck 강압 회로, 내장 MOSFET, 단일 Type-C 포트
GaN 플라이백 전원 베이스보드 설계는 일차측에 동커(Dongke)사의 DK8607AD 전원 칩을 채택하였으며, 내부에 2개의 GaN 트랜지스터를 내장하고 있으며 최대 스위칭 주파수는 1MHz입니다. 이차측은 HBR20200P5 쇼트키 다이오드 정류 또는 UCC24612+HSBB15N15S 동기 정류 방식 중 하나를 선택하여 납땜할 수 있도록 설계되었습니다.
실제로 이 프로젝트는 실패한 프로젝트입니다. 왜냐하면 GaN 플라이백 전원 베이스보드가 정상적으로 작동하지 않기 때문입니다. 다만 65W 고속충전 DCDC 서브보드는 정상적으로 테스트되었으며, 여기서 공유하며 여러분께 조언을 구하고자 합니다. 어디에서 문제가 발생했는지 확인 부탁드립니다.
전원 베이스보드는 총 4개를 납땜하였으며, 아래에 각각의 문제점을 간략히 설명하겠습니다:
- 1번 보드: 전원 인가 시 구동되지 않음, 출력 없음, 보조 권선에 전압 없음, 입력 전력 약 0.5W
- 2번 보드: 전원 인가 직후 DK8607AD 칩 파손 후 입력 단락 발생
- 3번 보드: 전원 인가 시 구동되지 않음, 입력 전력 약 0.5W, 보조 권선에 전압 없음. 그러나 AC 전원 차단 순간에 잠시 구동되며, 보조 권선 정류 및 필터 후 약 15V 전압이 수십 마이크로초 동안 유지된 후 전원이 꺼졌으며, 이후 DK8607AD 칩 파손됨
- 4번 보드: 전원 인가 즉시 DK8607AD 칩과 전류 감지 저항이 파손됨. 파손 후 개방 상태
칩 파손 후 보드 사진:
변압기 사양 및 실측 데이터
SMPSKit 소프트웨어를 사용하여 계산하였습니다. 소프트웨어 다운로드 주소: https://bbs.eeclub.top/t/smpskit/196
변압기 계산 결과 스크린샷:
변압기 코어는 PQ2020이며, 1차권선 인덕턴스는 63μH입니다. 권선 사양은 아래 표와 같습니다:
| 권선층 | 단자 번호 | 와이어 사양 | 권선수 | 권선 방식 |
|---|---|---|---|---|
| 1층 | 1-2 | Φ0.2mm×7 (리츠선) | 6 | 분산 |
| 2층 | 5-6 | Φ0.2mm×7 (리츠선) | 2 | 분산 |
| 3층 | 10-12 | Φ0.2mm×20 (리츠선) | 3 | 분산 |
| 4층 | 2-3 | Φ0.2mm×7 (리츠선) | 6 | 분산 |
변압기 제작 사양서 이미지:
변압기 권선 완료 후 실측 1차권선 인덕턴스는 69.576μH입니다.
변압기 1차권선 누설 인덕턴스는 1.2μH로 다소 큽니다. 수작업으로 권선하여 제작 품질이 좋지 않았습니다.
DCDC 고속충전 서브보드 테스트
XPM52CDP65
XPM52C는 동기 스위치를 통합한 강압 컨버터로, 다양한 고속충전 프로토콜을 지원하며 USB Type-C 및 PD 프로토콜, 퀄컴 QC 2.0/3.0/3.0+, 화웨이 FCP/SCP/HVSCP, VOOC 2.0/4.0, 메디아텍 PE, 삼성 AFC, USB BC1.2 DCP, Apple 2.4A 충전 규격 등을 지원합니다. 자동차용 충전기, 다양한 고속충전 어댑터, 스마트 멀티탭 등 전원 장치에 완벽한 솔루션을 제공합니다. XPM52C는 VIN 입력 전압을 자동 인식하여 출력 전압을 조절할 수 있으며, 내장된 파워 MOSFET은 최대 입력 전압 31V, 출력 전압 범위 3.3V~21V, 최대 65W 출력이 가능하며, 인식된 고속충전 프로토콜에 따라 자동으로 출력 전압과 전류를 조정합니다. 출력은 CV(정전압)/CC(정전류) 특성을 가지며, 출력 전류가 설정값 미만일 경우 CV 모드로 동작하여 출력 전압을 일정하게 유지하고, 출력 전류가 설정값 이상일 경우 CC 모드로 전환되어 출력 전압이 감소합니다. 또한 출력 전류 증가 시 연결 케이블의 임피던스로 인한 전압 강하를 보상하기 위해 출력 전압을 상승시키는 라인 드롭 보상 기능도 포함되어 있습니다. XPM52C는 독점적인 XPD-LINK 연동 통신 기술을 탑재하여 다중 Type-C 포트 충전 설계에 유연하게 적용할 수 있습니다. 또한 재프로그래밍이 가능하여 온라인 업그레이드도 지원합니다. 과전압, 저전압, 출력 단락, 과전류, 과열 보호 등 다양한 보호 기능을 갖추고 있으며, QFN4x4-16L 패키지를 사용합니다.
고속충전 프로토콜 테스트 결과, 실제로 지원하는 프로토콜은 다음과 같습니다: PD3.0 FIX 65W, PPS 63W, QC2 20V, QC3 20V, QC3.0+, QC4+, QC5, FCP 12V, AFC 9V, Apple 2.4A.
테스트에 사용된 USB 전류계는 Ruiken X3입니다: https://s.click.taobao.com/575iCMn
부하 테스트: 입력 전압 24V, PD 유도 출력 20V, 전자 부하 3.3A 설정 시, 실측 출력 전력 67.74W, 입력 전력 70.8W, 변환 효율 95.65%, 성능 우수함.
최대 출력 시 열화상 이미지: 칩 최고 온도 약 90.3℃ (소형 히트싱크 부착 상태)
IP6538
IP6538은 동기 스위치를 통합한 강압 컨버터로, 14종의 고속충전 프로토콜을 지원하며 Type-C 출력과 USB PD2.0/PD3.0(PPS) 프로토콜을 지원하는 듀얼 포트 출력 SoC IC입니다. 자동차용 충전기, 고속충전 어댑터, 스마트 멀티탭 등에 완벽한 솔루션을 제공합니다. 듀얼 USB Type-C, USB Type-C + USB A, 또는 듀얼 USB A 출력을 지원하며, 듀얼 포트 자동 플러그 감지 기능을 내장하고 있어 어느 한 포트를 단독 사용해도 고속충전이 가능하며, 두 포트를 동시에 사용할 경우 모두 5V 출력, 총 출력 5V/4.8A로 동작합니다. 내장 파워 MOSFET, 입력 전압 범위 8.2V~32V, 출력 전압 범위 3V~20V.
고속충전 프로토콜 테스트 결과, 실제로 지원하는 프로토콜은 다음과 같습니다: PD3.0 FIX 65W, PPS 63W, QC2 20V, QC3 20V, QC4+, QC5, PE1.1, PE2.0, Apple 2.4A.
부하 테스트: 입력 전압 24V, PD 유도 출력 20V, 전자 부하 2.7A 설정 시, 실측 출력 전력 55.41W, 입력 전력 57.35W, 변환 효율 96.62%.
2.7A 이상의 전류를 인가하면 보호 회로가 작동하는데, 이는 제가 설계를 잘못한 것인지 아니면 해당 배치의 칩 자체에 문제가 있는 것인지 모르겠습니다. 동일한 회로도를 사용한 다른 프로젝트에서는 이러한 문제가 없습니다. 140W+65W 부스터/벅 PD3.1 고속충전 모듈(2C+1A 포트), IP6557+IP6538: https://blog.zeruns.com/archives/801.html
최대 출력 시 열화상 이미지: 칩 최고 온도 약 87.6℃, 히트싱크 없음.
회로도
GaN 플라이백 전원 베이스보드
XPM52CDP65 고속충전 서브보드
IP6538 고속충전 서브보드
PCB 레이아웃
GaN 플라이백 전원 베이스보드
XPM52CDP65 고속충전 서브보드
IP6538 고속충전 서브보드
부품 구매 링크
본 프로젝트에 사용된 일부 부품들의 구매 링크는 아래와 같습니다:- 0402/0603 저항 및 커패시터 샘플북: https://s.click.taobao.com/3rAjyQn
- SMT 스텐실: https://s.click.taobao.com/EMrr8Gn
- PQ2020 코어 및 프레임: https://s.click.taobao.com/DLPE8Gn
- MSB40M: https://s.click.taobao.com/ToQ68Gn
- NTC 5D-7: https://s.click.taobao.com/LrD08Gn
- XPM52CDP65: https://s.click.taobao.com/8r3VxQn
- 리츠선(Litz wire): https://s.click.taobao.com/IuyT7Gn
- 표면실장형 고체 커패시터: https://s.click.taobao.com/xylswQn
권장 구매처: LCSC 전자부품몰: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
이 오픈소스 프로젝트의 BOM(부품 목록)을 클릭하여 LCSC 몰에서 바로 주문하면, 필요한 모든 부품을 장바구니에 한 번에 추가할 수 있습니다.
자료 다운로드 링크
자료 포함 내용:立创EDA 설계 파일, 회로도 PDF, SMPSKit 소프트웨어, 사용된 칩 데이터 시트, 납땜 보조 도구(인터랙티브 BOM), 변압기 사양서, Gerber 파일, 3개 기판을 하나로 합친 SMT 스텐실 파일(10*10cm 이내, 타오바오에서 스텐실 제작, 약 15위안).
- 123클라우드 다운로드 링크: https://www.123865.com/s/2Y9Djv-MaddH
- 바이두 클라우드 다운로드 링크: https://pan.baidu.com/s/1yrOYifFEItxbd1aHXmoq4A?pwd=6k1n 추출 코드: 6k1n
- LCSC 오픈소스 플랫폼 링크: https://oshwhub.com/zeruns/pd65w-gallium-nitride-charger
전자공학/마이크로컨트롤러 기술 교류 QQ 그룹: 2169025065
eeClub - 전자 엔지니어 커뮤니티: https://bbs.eeclub.top/
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