XDPS21071 — 03 典型应用与设计计算

对标 TI 手册“Application and Implementation”章：先给 Design Requirements，再按编号步骤走设计流程。系统级功率级设计（变压器/母线/输出电容）引用官方设计指南 DG《REF_XDPS21071_45W1》的结论；IC 外围（R_CS/PDC、ZCD 分压、限流补偿、ZVS 参数、配置映射）用 DS/DG 公式逐步亲手核算。标注“本库推导/假设”处为本库分析，其余数值出自 DS/DG 原文。

本篇总结

1. 45 W USB-PD（90~264 VAC，5/9/12/15/20 V）官方参考设计的关键选型：Cbulk=100 µF、EIQ25 变压器（Np=14、Ns=2、Naux=2、Nzvs=1、Lp=190 µH）、主管 IPD70R360P7S、ZVS 管 BSL606SN、SR 管 BSC0805LS、R_CS=0.25 Ω。
2. 本篇 12 个编号步骤里，每步都是“式子→代入→结果→工程判读”：例如 R_CS 的选型不是查表，而是 (594−40−89) mV÷2.08 A≈0.23 Ω→实取 0.25 Ω 的三段扣减（PDC 补偿+斜率下垂）。
3. 最容易被忽略的一步是 PDC_FACTOR=13000 的来历：(R_CS·t_PD)/(Lp·LSB)×(2¹⁶−1)——换任何一个主功率参数它都要重算，本篇代回验证 12971≈13000。
4. ZVS 网络的设计核心是一条能量不等式：0.5·Lp·i_neg²>0.5·C_eqv·V_ds²，本篇代入得 4.9 µJ>4.0 µJ（余量 1.25×）——这就是 kZVSonfactor 必须按实管调的定量原因。
5. Zener 钳位“进 1.16 W、只耗 21 mW”的能量流验算（0.5·C·ΔV²·f=1.156 W ✓）解释了为什么 FFR 反激敢用“看似低效”的稳压管钳位。
6. 一个本库推导出的真问题：5~20 V 全输出范围内单绕组辅助供电无法同时满足 VCC<19 V 与 >7.2 V——固定输出应用无此难题，PD 应用必须核对参考设计的 VCC 方案（待核实）。

1. Design Requirements（DG 表 2 同规格）

连接要点：HV×4 并联经 R_HV=100 kΩ 接母线（无启动电阻回路）；变压器四组绕组（初级 Np、次级 Ns、辅助/ZCD Naux、ZVS Nzvs）；ZCD 分压接 Naux；光耦接 MFIO；CS 经串联电阻接 R_CS；GD1→Q1→ZVS 绕组回路是普通反激没有的第三功率回路。

2. 编号设计步骤

步骤 1：母线电容与最低母线电压（DG 式 1~3）

discharge 期能量平衡：0.5·Cbulk·(Vpk²−Vbulkmin²)=P_in·(T2−T1)。DG 取 Cbulk=100 µF（按 −15% 衰减核算）。 本库验算（90 Vac/47 Hz/45 W，Vpk=127 V，P_in≈50 W，Ceff=85 µF）：sin⁻¹(85/127)=0.734 rad→T1=10.6 ms×0.266=2.8 ms→放电窗 7.8 ms；需能 50×7.8 m=0.39 J；电容能给出 0.5×85 µ×(127²−85²)=0.378 J ✓。 结果：Vbulkmin=85 V（DG 表 3）。15 V/3 A 因反射电压低、峰值电流大，才是磁密最恶劣工况。 掉电侧同理：母线跌破 Brown-out 门槛（44.7 V DC，DG §5.1 换算）即停机——X2 电容放电仍按安规常规处理，XDPS21071 的待机路径不额外增加放电负担（本库提醒，整机安规以对应标准为准）。

步骤 2：变压器（DG §3.3，表 5）

90 Vac 满载按 CRM 设计（FFR 的 ZVS 依赖退磁后的振荡相位，深 DCM 会拉长周期）。DG 表 5 关键值：

本库能量核验：每周期 0.5×190 µH×2.08²=411 µJ；输入 50 W 需 f≈122 kHz——与 DG 实测 Fsw=137 kHz（表 7）同量级 ✓（效率假设 85~90%）。 本库反射电压核算：Nps=14:2=7 → V_OR=20×7=140 V；低线反射平台 85+140=225 V，高线被 Zener 钳位抬到 374+151=525 V（步骤 10）——钳位电压选 151 V 峰值正好把高线应力压进 630 V 降额线。15 V 档 V_OR=105 V、Ipk=2.08 A 是磁密最恶劣点（Bmax 0.317 T）。 Bmax 按 15 V/3 A 工况校核（0.317 T），OCP1 限流点的任何上偏都会直接顶到铁氧体饱和区——这就是步骤 3 要精确扣减限流的原因之一。

步骤 2B：ZVS 绕组匝数的选择逻辑（DG §3.5.2 + 本库解读）

DG 取 N_p:N_ZVS=14:1。这一匝比是三件事的联立：①Q1 应力=V_Bulk/Npz+V_ZVS，Npz 越大应力越低（14:1 时仅 36.7 V，小信号管即可）；②注入斜率=(Np/Nzvs)·V_ZVS/Lp——Nzvs 越小斜率越陡（0.737 A/µs），同样脉宽注入的负磁化越多，但 ZVS 电容/回路的电流应力也越大；③ZVS 电容电压（~10 V）是匝数与电容取值的共同结果。改匝比=同时改应力、斜率、脉宽需求三张牌，参考设计的 14:1 是 45 W 档的平衡点，功率档变化时按式(13)~(15) 重推。

步骤 3：电流检测电阻 R_CS 与 PDC 配置（DG 式(16)~(19)，最核心的 IC 外围计算）

DG 的思路：OCP1 最大指令（594 mV≈600 mV）不是全部给了电流——要先扣掉两项“看不见的修正量”：

1. 斜率下垂（式 19）：slopedrop=(D_on−0.4375)×T_sw×84 mV/µs。20 V 输出低线：D_on=n·Vout/(Vbulk+n·Vout)=6×20/(85+120)=0.585〔DG 原文 n=6；按 Nps=14:2=7 应为 0.622，原文口径如此，本库照录〕；T_sw=7.14 µs（140 kHz）→ slopedrop=(0.5853−0.4375)×7.14×84=89 mV。
2. PDC 校正（式 17/18）：PDC_FACTOR=(R_CS·t_PD)/(Lp·V_CSlsb8)×(2¹⁶−1)，其中 LSB=0.6 V/256=2.34 mV、t_PD=352 ns（含比较器+驱动+关断）→ (0.25×352 n)/(190 µ×2.34 m)×65535=12971→13000（=表 8 默认值 ✓✓）；低线校正 13000×85/65535=17 LSB=40 mV。
3. 求解：R_CS=(600−40−89) mV/2.08 A=0.471/2.08=0.226 Ω→按 0.23 Ω 计算，实板取 0.25 Ω（DG：留实际调试空间）。

交叉验证（本库）：高线 PDC 数字口径 13000×372/65535=74 LSB×2.34 mV=173 mV vs DS 式(6) 模拟口径 (0.25/190 µ)×352 n×372=172 mV ✓——差 1 mV，两套公式互相印证。 设计含义：R_CS 偏大→满载误限流（15 V/3 A 带不满）；偏小→V_CSmax(max)=631 mV/0.25=2.52 A 时变压器逼近饱和（Bmax 已 0.317 T）。

步骤 4：主管与 ZVS 管选型（DG §3.5.1/3.5.2）

• 主管应力：V_ds=V_bulk,max+V_clamp=374+V_clamp；700 V 管按 90% 降额（630 V）→ V_clamp 须 <255 V。实板 Zener 钳位峰值 151 V（步骤 10）→ 总应力 525 V ✓。另有本库补充检查：ZVS 平台应力 Vbulk+Np/Nzvs×V_ZVS=374+140=514 V，同样 <630 V ✓——选管时钳位峰值和 ZVS 平台两个高应力点都要查。
• 选 IPD70R360P7S（700 V CoolMOS P7，最佳 Qg×Rds(on)）；15 V/3 A/100 °C 导通损耗 (√(0.53/3)×2.08)²×0.522=0.399 W。Coss 大不是问题——ZVS 下开通不放电容，这正是 FFR 敢用大 Coss 低 Ron 管的逻辑。
• 本库补充（体二极管视角）：ZVS 开通瞬间漏极电压已摆到 0 以下，主管体二极管先导通、GD0 随后开通——体二极管的反向恢复在这个换向里几乎不发生（电流由谐振自然过零换向），这与硬开关反激“体二极管灾难”形成对照；但注意 ZVS 使能线电压以下（可配置，迟滞 20 Vdc）退回谷底/硬开关时此红利消失，热核算要按最坏档位做。
• ZVS 管：应力=374/14+10=36.7 V，只搬 ~0.2 A 数十 ns 脉冲→小信号管 BSL606SN。查 Ciss ≥1.5 nF（GDx 最小容性负载，表 11），不足则 G-S 并电容（本库提醒）。

步骤 5：SR 管与 SR 控制器（DG §3.5.3/3.5.4——与次级 SR 配合的关键选型）

• 应力=374/7+20=73.4 V→100 V BSC0805LS（OptiMOS 5）；irms=√(0.43/3)×2.08×7=5.51 A→导通损耗 5.51²×0.009=0.273 W。初级 ZVS 的红利：SR 管在 ZVS 模式几乎看不到电压尖峰，100 V 即可（普通 QR 反激要按含振铃应力选）。
• SR 控制器必须选“伏秒平衡（arming）”型：ZVS 脉冲期间次级 V_DS 被拉负，直接检测型 SR 会误开通（DG 图 7）→ 轻则效率异常，重则初次级同时导通直通。万一只能用直接检测型，最小导通时间设到最小（如 50 ns）。详见 06_设计指南精译 §1.5.4 与 00_总览。

步骤 6：ZCD 分压与初级 OVP（DG 式(9)/(10)）

1. 限流选 R_H（上分压）：导通期 ZCD 钳位电流 i_zcd=(0.2+(N_aux/N_p)·V_bulk)/R_H≤4 mA——按数值口径即辅助绕组负压幅度 (2/14)×374=53.4 V：R_H≥53.6/4 m=13.4 kΩ→取 39 kΩ（实际 53.6/39 k=1.37 mA，余量 3 倍；DS AMR 持续钳位 3.5 mA 对照 ✓）。
2. OVP 定 R_L（下分压）：式(9) V_zcd=(N_aux/N_s)·(R_L/(R_H+R_L))·Vo。目标 Vout_ovp=21.7 V，用 V_ZCDOVP 的 min=2.72 V 计算保证上限：R_L/(R_L+39 k)=2.72/21.7=0.1253→R_L=5.6 kΩ。
3. R_L 上并 ~10 pF 滤噪（DG）。 本库核对：Vout→V_zcd 传递系数 = (2/2)×5.6/44.6=0.1256 V/V——20 V→2.51 V、21.7 V→2.73 V，正好卡在 ADC 量程（1.2~2.8 V）顶部、OVP 阈值（2.75 V）脚下，留白只有 2%：分压精度与 PTC 漂移要按 1% 级器件处理。

步骤 7：自适应限流（Vcs offset）零点与梯度（DG §5.2.2）

1. 选转折输出电压 V_o_zero_point=13.5 V（高于它满功率）：对应 V_zcd=13.5×0.1256=1.70 V。
2. 数字零点：(1.70−1.2)×1.5/2.4×255=79（=表 8 默认 Vcs_offset_Vzcdzeropoint=79 ✓；DS §4.2.1.3 正文示例“1.41 V→148”自相矛盾，以 DG 为准）。
3. 目标最低补偿 80 mV（V_zcd=1.2 V 即 9.56 V 输出时）：34 LSB=80 mV→K=34/79×65536≈28240→配置 28000（表 8 ✓）。 工程含义：9.56~13.5 V 区间限流线性下压（每伏输出降约 15 mV），5 V 档按上限扣减 80 mV/0.25 Ω=0.32 A——LPS/线缆限功率的自动执行机构。

全输出档工作点表（本库核算，传递系数 0.1256 V/V、数字增益 159.4 LSB/V）：

这张表暴露了设计的“刻度感”：20 V 档卡量程顶、5 V 档卡底、补偿只覆盖中低档——任何分压电阻误差都会按 7.96 倍放大到 Vout 判读上，1% 电阻是下限（业界经验）。

步骤 8：ZVS 网络（DS 式(10) + DG 式(13)~(15)，本库代入）

1. 脉宽：t_GD1on=V_Bulk×(3200/65536)×15.15 ns+31.6 ns=0.74×V_Bulk+31.6 ns→85 V→94 ns、374 V→308 ns（图 30 曲线读数 92→330 ns，略高 ~10%，以实测为准）。
2. 负磁化峰值（式 14）：i_zvs_pk=(Np/Nzvs)·(V_ZVS/Lp)·t_GD1on=(14/1)×(10 V/190 µH)×t=0.737 A/µs×t→高线 0.227 A、低线 0.069 A。
3. 能量判据（式 13）：0.5×190 µH×0.227²=4.9 µJ vs 0.5×C_eqv×514²（C_eqv=30 pF 本库假设，含主管 Coss 有效值+变压器寄生）=4.0 µJ ✓ 余量 1.25×。C_eqv 到 40 pF 即误用——换大管/换变压器后必须实测漏极波形复核，这就是 kZVSonfactor 存在的理由。
4. 死区（式 15）：t_dead≈C_eqv·V_ds/i_pk≈30 p×514/0.227=68 ns；DS 固定（可配）220 ns，余量 3×，覆盖 Coss 强非线性 ✓。
5. ZVS 使能线电压可配置（迟滞 20 Vdc）——低压输入不想做 ZVS（损耗不经济性更好）可以关掉。

步骤 9：VCC、启动与辅助绕组窗口（DS §4.1 + DG §5.1 + 本库推导）

1. 启动时间核算（DG 式：t_delay=C_VCC·V_VCCon/(i_hv−i_lk)，i_lk≈30 µA；C_VCC=10 µF 本库假设）：高线 375 V→55 ms；Brown-in 门槛 117 V→180 ms。C_VCC 加大一倍、启动时间同比例加长——待机充电电流只有 2.4~10 mA，C_VCC 不是越大越好。
2. Brown-in/out 电压（DG §5.1）：V_bi=1.156 mA×(100 k+1.49 k)=117.3 V DC（≈83 Vac）；V_bo=0.443 mA×(100 k+0.99 k)=44.7 V DC（≈31.6 Vac）——R_HV 是这两个门槛的“标尺”。
3. 辅助绕组窗口难题（本库推导，重要）：N_aux=N_s=2 时 VCC≈Vout+V_F，全输出范围 5.7~20.7 V——下限低于 V_VCCoff=7.2 V（5 V 档 IC 直接掉电）、上限超过应用约束 19 V（DS 表 11 注 4）与 V_VCCon(max)=21.5 V 咬合的窗口。单绕组直接整流在 5~20 V PD 应用里两端都不满足。实板方案未在 DG/DS 中展开（待核实：可能为串联稳压、绕组堆叠或 ZVS 绕组泵电）；固定输出应用则无此难题，按 VCC 目标直接定 N_aux。设计动作：拿参考设计原理图核对 VCC 供电路径后再定绕组。
4. C_VCC 还要承受住突发睡眠相位（460 µA×突发关断时长）不掉出 7.2 V——与输出纹波迟滞窗口同数量级的核算，轻载待机波形必查。
5. 启动期的保护交互（本库提醒）：软启动期 BOP 消隐放宽到 5.27 ms（容忍浪涌拖低母线）、OCP2 消隐放宽到 1.001 µs、CSP 只查头三个脉冲、OLP 用独立定时器与开环区分——四个保护在启动期都有“宽容版”参数，重启动循环（t_AR=3 s）排查时先分清是哪个保护在哪个阶段触发。

步骤 10：钳位吸收（DG §3.6，表 7/8——“无损”的真相）

选 Zener 钳位（图 9）而非 RCD：轻载稳压管永不导通，无电阻残损。能量核算：

• 进入钳位的功率：P=0.5·C_clamp·(V_peak²−V_bottom²)·f_sw=0.5×2.2 nF×(151²−123²)×137 kHz=1.156 W（=DG 表 7 的 1.16 W ✓✓ 本库验算通过）。
• 实测稳压管耗散仅 21 mW（表 8）——98% 的能量去哪了？能量流推导：稳压管击穿导通→钳位电容电流反向→利用二极管反向恢复，电流经变压器次级同名端回馈到输出。这不是“无损吸收器”的魔术，而是漏感能量与输出电压之间天然存在一条回馈路径，Zener+快恢复二极管的组合恰好让它走通。
• 设计含义：①Zener 选型看反向恢复与动态阻抗，不只是钳位电压；②换变压器（漏感变）后 1.16 W 这个数会变，回馈比例需复测；③若回馈路径被破坏（布线/二极管选型不当），21 mW 会变成瓦级发热——这是热设计复核点。钳位电容按峰值 151 V 留裕量选 200 V 级；稳压值档位（Vclamp_bottom=123 V）由主管降额线倒推：374+123=497 V 常态应力，峰值 525 V，距 630 V 降额线各留 20%/17%。

步骤 11：输出电容（DG 式(7)/(8)，表 6）

15 V/3 A：充电分量 ΔVo1=13.3 mV；ESR 分量 ΔVo2=esr×√(Ipk_sec²−Io²)=esr×4.38 A=118.3 mV→合计 131.6 mV<150 mV ✓。选聚合物 330 µF/25 V+680 µF/25 V。纹波预算的大头在 ESR——聚合物电容的低 ESR 是 PD 突发纹波达标的前提。

步骤 12：频率律与突发配置映射（表 8 ↔ 图 23）

3. 关键元件选型表

4. 设计复核清单（参数联动关系，评审用）

5. 环路与瞬态

环路物理结构：次级 CC/CV 控制器→光耦→MFIO→数字频率律→f_SW/Ipk。受控对象是频率律曲线而非占空比——重载段定频调电流（与电流模式反激同构），中轻载变频（补偿设计按重载段整定即可，轻载由 BM/折返接管）。突发退出用固定 V_CSBMEX=92 mV 首脉冲保证大信号响应。ZCD 采样通道与光耦通道互为冗余（OVP 独立于光耦）。

EMI 手段盘点（本库梳理）：这套架构里 EMI 对策有三层——①FFR 本身把开通 dv/dt 谐振软化，>10 MHz 高频段（尤其辐射）收益最大（DS 明说支持超结管高频化）；②重载抖频 ±3.125%/3.2 ms 摊薄准峰值；③高线特殊频率钳位（105 kHz）压开关损耗的同时也压了高线频谱包络。传导低频段仍靠常规 EMI 滤波器设计（DG 图 15 的 EMI Filter 前级）——FFR 不是滤波器的替代品。 瞬态预算分工：大信号（负载阶跃）由 BM 快速退出（V_MFIOBMEX=2.02 V）+ 固定首脉冲 V_CSBMEX 接管，小信号稳定由次级 CC/CV 补偿整定；评估瞬态要把光耦 CTR 老化与低温情形纳入最坏工况（业界经验）。

精炼要点

上一级：XDPS21071