QMNJ33229开关电源电路设计指引原标准号03060.docx
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QMNJ33229开关电源电路设计指引原标准号03060
开关电源电路设计指引
（发布日期：
2009-02-02）
1范围
本标准描述了家用变频空调室外开关电源电路硬件控制的实现方法，一般开关电源电路设计者在使用不同型号的开关电源控制IC及不同的开关电源电路方案时可以此为参考，更快、更好地完成特定功能的硬件设计。
希望本标准能对硬件可靠性的提升有所帮助。
本标准适用于美的家用空调国内事业部空调器开关电源电路的设计。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB/T7725房间空气调节器
GB/T15184按能力批准评定质量的电子设备用开关电源变压器分规范
GB/T14714微小型计算机系统设备用开关电源通用技术条件
IEC61000-4-2电磁兼容性.第4-2部分:
试验和测量方法.静电放电抗扰试验
IEC61000-4-3电磁兼容性（EMC）.第4-3部分:
试验和测量方法.辐射、射频和电磁场抗扰试验
IEC61000-4-4电磁兼容性.第4-4部分:
试验和测量技术.电快速瞬时/突发抗扰试验
IEC61000-4-5电磁兼容性.第4-5部分:
试验和测量方法.电涌抗扰试验
3硬件接口定义及相关原理图
3.1控制芯片型号——TOPSwitch-FX系列单片机（TOP233Y）；
3.2管脚定义——涉及五个端口，相关说明如下：
芯片C脚：
电压反馈控制脚兼电源脚，为IC正常工作提供电源，同时电压反馈误差信号引入内部误差放大电路的输入口，进而调整PWM的输出占空比，使得输出电压稳定；芯片M脚：
多功能控制脚，可用作过压/欠压保护功能，也可以做远程控制开关用；芯片S脚：
内置功率MOSEFT的源极（S极），同时也是开关电源电路初级的公共参考地；
芯片F脚：
载频控制脚，在F脚接C脚时载波为66kHz，在F脚接S脚时载波为132kHz，芯片D脚：
启动时偏置电源脚，同时也是内部功率MOSEFT的漏极（D极），还是IC的电流过流保护功能脚；
3.2.1原理图
本应用电路为三路输出的电路，其中+15V输出与初级侧共参考地，外加初级侧IC的电源为第四路，+5V/+12V为次级侧，与初级侧安全隔离。
在实际的使用中，一般初级侧IC的电源根据IC的不同有多种形式，可以由IC内部直接供电而不需要此路输出，也有与实际工作输出电压共用一路输出（比如本原理图可以取消IC电源而直接共用+15V输出）；
输出的电源可以是单路，也可以是两路或者多路，输出电源可以与初级侧共地，也可以与初级侧绝缘，该绝缘的安全等级可以是基本绝缘、加强绝缘，由实际需要确定。
在多路输出中，其中有一路是稳压取样回路，比如图中的+5V输出电源，该路的电源电压稳定度最高，可以达到±1.5%以内，其他各路次之，同时其他各路输出的电压稳定度与各路的负载变化有直接关系；有时候为了使其中的两路输出相对比较稳定，取样回路同时从该两路输出中取样，经加权叠加后反馈给控制脚。
4各元器件在电路中的作用
4.1美的家用变频空调最早使用的是TOPSwitch-FX系列单片机电源集成电路，可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、开关电源模块中；
4.2具有3路输出的10W开关电源电路如上图所示。
这3路电压分别为：
Uo1（+12V,400mA），Uo2（+15V,300mA），Uo3（+5V，300mA）。
其中，+5V作为主输出，其余各路均为辅输出。
当交流输入宽范围电压输入（u=85～265VAC）,总输出功率10W。
该电源采用3片IC：
TOP233Y（IC6），光耦合器TCP521（IC5）,也可以是TLP521、PC817、TLP421、PS2501等等性能相近或更优，绝缘耐压在3750Vac以上，电流传输比在100%或以上的光偶；精密参考电压源TL431C（IC7）。
由R13和C21构成的吸收回路可降低TOP233Y内部的EFT管的开关噪声。
必要时还可将开关频率选择端（F）改接控制端（C），选择半频方式，以进一步降低开关电源产生的高频噪声。
R11和R8构成电压取样电路，将5V电源的电压变化反馈给控制端C，该取样电路直接决定输出电压的电压值，IC7的R端固定为参考电压：
2.495V，输出电压：
V+5V=2.495*（R8+R11）/R11若主回路使用+12V或其他的电压值Vo,其R8、R11参数的选取规则为：
首先任意选取R8的值为2~10kΩ的阻值，然后下列根据公式确定R11的值：
Vo=2.495*（R8+R11）/R11若选取多路输出的电压叠加后作取样输出，则根据电路的叠加原理作对应分析，同样使用上述的计算公式，计算要根据实际电路的作调整，其核心是R11的两端电压始终是2.495V。
C11构成TL431C的频率补偿电路。
C26为软启动电容（该电容对开关电源的调节灵敏度有严重影响，不宜过大），取C17=47μF可增加软启动时间，再加上本身已有10ms的软启动时间。
其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比来确定。
+15V,+12V电源的输出允许误差±6%，对其它供电电路没有影响。
VR2和D10构成过冲吸收电路，对于小功率应用，该电路已经足够；但当电路的功率较大时，过冲能量很大，易损坏VR2，此时可以并联一个1~2W电阻，阻值在68~200kΩ的功率电阻及一个高压瓷片电容/薄膜电容（1kV/222）加强吸收效果；有时为了降低成本，在过冲电压抑制要求不高时还可以取消VR2而仅使用一颗电阻与一个电容并联的吸收电路。
VR2的数值具体与开关电源（尤其是开关电源变压器的漏感）的设计有关，一般取反射电压Vr与过冲电压的和加20V的裕度，在150V~200V范围内；TOP233Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。
另外，再合理地选择安全电容C27和EMI滤波器的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射达到CISPR22（FCCB）国际标准。
将C27的一端接U1的正极或U1的负极（具体如何接以实际的测试效果确定，同开关变压器的绕制方式有直接的关系），能把TOP233Y的共模干扰减至最小。
须要指出，C27和C20都称作安全电容，区别只是C27接在高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰，在IEC950国际标准中称之为“Y电容"。
C20则接在交流或直流电源进线端，专门滤波电网线之间的差模干扰，被称作“X电容”。
为承受可能从电网线窜入的雷击电压，在交流输入端还并联只标称电压U1mA=680V的压敏电阻器VSR。
U1mA表示当压敏电阻器上通过1mA的直流电流时，元件两端的电压值。
5开关电源PCB设计注意事项及规范
5.1在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:
5.1.1从原理图到PCB的设计流程建立元件参数－>输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计－>复查->CAM输出。
5.1.2参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。
最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。
5.1.3元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。
每一个开关电源都有四个电流回路：
5.1.3.1电源开关电流回路
5.1.3.2输出整流电流回路
5.1.3.3输入信号源电流回路
5.1.3.4输出负载电流回路
输入回路通过一个正向脉冲电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个滤除谐波及储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时滤除高频纹波。
所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源。
电源开关交流回路和整流器的交流回路包含丰富谐波的正向脉冲电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍。
在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。
建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：
a）放置变压器b）设计电源开关电流回路c）设计输出整流器电流回路d）连接到交流电源电路的控制电路
5.2设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
5.2.1首先要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。
位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于5mm。
5.2.2放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。
5.2.3以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,去耦电容尽量靠近器件的VCC。
5.2.4在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。
一般电路应尽可能使元器件平行排列。
这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
5.2.5按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
5.2.6布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。
5.2.7尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。
5.3布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。
即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题（甚至再次辐射出干扰信号）。
因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。
印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。
长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。
根据印制线路板电流的大小，尽量加大电源线宽度，减少环路电阻。
同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。
因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。
在地线设计中应注意以下几点：
5.3.1正确选择单点接地：
通常滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。
在开关电源中的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地，即将电源开关电流回路（中的几个器件的地线都连到接地脚上，输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上，接在比较集中的一块铜箔处就可以。
5.3.2尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，产生地线噪声，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线，如有可能，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。
进行全局布线的时候，还须遵循以下原则：
5.3.2.1布线方向：
从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
5.3.2.2设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应≥90度。
5.3.2.3印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如果电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。
因采用单面板，直插元件位于top面，表贴器件位于bottom面，所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠，但要避免焊盘重叠。
5.3.3输入地与输出地若开关电源为不隔离的低压DC－DC，欲将输出电压反馈回变压器的初级，两边的电路应有共同的参考地，所以在对两边的地线分别铺铜之后，还要连接在一起，形成共同的地。
5.4检查布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。
电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。
注意：
有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。
5.5复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。
5.6设计输出输出光绘文件的注意事项：
5.6.1需要输出的层有布线层（底层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（底层阻焊）、钻孔层（底层），另外还要生成钻孔文件（NCDrill）。
5.6.2设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Linec.在设置每层的Layer时，将BoardOutline选上，设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line。
d.生成钻孔文件时，使用ProtelPCB的缺省设置，不要作任何改。
6开关电源以下几种抗干扰测试要求
6.1静电放电抗扰度试验
6.1.1按IEC61000－4－2中规定，并在下列条件下进行：
6.1.2接触放电；
6.1.3严酷等级：
4；
6.1.4试验电压：
8kV；
6.1.5放电次数：
10。
6.2高频电磁场抗扰度试验
6.2.1按IEC61000－4－3中规定，并在下述条件下进行：
6.2.2电压和辅助线路加参比电压;
6.2.3 频率范围：
（150k～300MHz）;
6.2.4严酷等级：
2;
6.2.5 试验场强：
10V/m。
6.2.6在高频电磁场的作用下，开关电源不应出现损坏，并能正常工作，每组输出均正常。
6.3电快速瞬变脉冲群试验
6.3.1按照IEC61000－4－4中规定，并在下述条件下进行：
6.3.1.1试验电压应以共模方式施加；
6.3.1.2严酷度等级：
2；
6.3.1.3试验电压：
1kV；
6.3.1.4试验时间：
28ms。
6.3.1.5在脉冲群作用下开关电源不应出现损坏，并能正常工作，每组输出均正常。
6.4浪涌试验
6.4.1按IEC61000－4－5中规定，并在下述条件下进行：
6.4.1.1
严酷等级：
2；
6.4.1.2试验电压：
L、N：
1kV，L-PE、N-PE：
2kV；
6.4.1.3波形：
1.2/50μs；
6.4.1.4极性：
正/负/PE；
6.4.1.5试验次数：
正、负、PE极性各5次；重得率：
1分钟1次。
6.4.1.6在浪涌的作用下，开关电源不应出现损坏，并能正常工作，每组输出均正常。
6.5无线电干扰试验
6.5.1当频率在（0.15～3）MHz范围内;
6.5.2当频率在（30～300）MHz范围内测量距离为6m。
7
干扰的方式与类型
7.1电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。
“共模”干扰是指电源对大地，或中线对大地之间的电位差。
有时也称为纵横干扰、不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间的电位差。
7.1.1“差模”干扰存在于电源相线与中线之间，对于三相电路来说，还存在于相线与相线之间。
有时也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。
7.1.2两种干扰模式的区别是十分重要的，因为对共模干扰是不能用差模的方式来解决的，反之亦然。
7.1.3干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。
其中也包括电压变化（如电压的跌落、浪涌与中断）、频率变化、波形失真（电压的或电流的）、持续噪声或杂波，以及瞬变等。
7.1.4能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象，就不会造成由电源引起的对用电设备的影响。
7.1.5良好的电源设计应使电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作，同时应对电源线中的各种脉冲干扰有较好的抑制作用。
8 抑制干扰的方法
8.1一般的干扰抑制方法有以下几种：
在电源的输入端加入线路滤波器。
如图1所示。
8.1.1其中L1和L2的线圈同方向绕在同一磁芯上，这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵销的，因此不会引起磁芯的饱和。
而对于共模电流则可以反映为很大的电感，以便获得最大的滤波效果，所以又称为共模电感。
8.1.2Cx电容被用来衰减差模干扰，CY电容用于衰减共模干扰。
R用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。
8.1.3
电源滤波器主要用于抑制30MHz以下频率范围的噪声，而对于脉冲干扰，其谐波频率往往高达上百兆赫，实际使用下来其效果往往并不明显。
8.2采用带屏蔽层的变压器；由于共模干扰是一种相对大地的干扰，所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。
如果在初、次级之间插入屏蔽层，并使之良好接地，便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端的干扰电压。
屏蔽层对变压器的能量传输并无不良影响，但影响了绕组间的耦合电容。
图2画出了带屏蔽层的隔离变压器的共模干扰通路。
从图2中可以看到要使共模衰减量大，只要变压器屏蔽层接地阻抗小，便能奏效。
理论上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到60dB左右。
但实际使用后可以发现，对于尖峰干扰有抑制，其效果也不十分明显。
8.3压敏电阻、气体放电管、TVS管、固体放电管等吸波器件。
这类器件都有共同的特点，即在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压都有一定的抑制作用，但也有各自的局限性，例如气体放电管的响应速度较慢，压敏电阻的电流吸收能力又不够大，TVS管和固体放电管的阈值电压一般仅为300V～400V。
实践证明应用了上述抗干扰器件的开关电源在给产品配套使用后，均能使用户的产品在EMC检测中顺利过关。
9开关变压器的设计（仅供参考）
9.1已知的参数
这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定，包括：
输入电压Vin、输出电压Vout、每路输出的功率Pout、效率η、开关频率fs（或周期T）、线路主开关管的耐压Vmos。
9.2计算
9.2.1在反激变换器中，副边反射电压即反激电压Vf与输入电压之和不能高过主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量（此处假设为150V）。
反激电压由下式确定：
Vf=VMos-VinDCMax-150V
9.2.2反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。
所以确定了反激电压之后，就可以确定原、副边的匝比了。
Np/Ns=Vf/（Vout+Vd）Vd：
为次级整流二极管的正向管压降
9.2.3反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可以有下式：
VinDCMin•••DMax=Vf•（1-DMax）
9.2.4设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，当开关管关断时，原边电流上升到Ip2。
若Ip1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。
由能量守恒，我们有下式：
1/2•（Ip1+Ip2）•DMax•VinDCMin=Pout/η
9.2.5一般连续模式设计，我们令Ip2=3Ip1，这样就可以求出变换器的原边电流，由此可以得到原边电感量：
Lp=DMax•VinDCMin/fs•ΔIp
9.2.6对于连续模式，ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1；对于断续模式，ΔIp=Ip2。
可由AwAe法求出所要铁芯：
AwAe=（Lp•Ip22•104/Bw•K0•Kj）1.14
在上式中：
Aw为磁芯窗口面积，单位为cm2
Ae为磁芯截面积，单位为cm2
Lp为原边电感量，单位为H
Ip2为原边峰值电流，单位为A
Bw为磁芯工作磁感应强度，单位为T
K0为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为0.2~0.4
Kj为电流密度系数，一般取395A/cm2
9.2.6.1根据求得的AwAe值选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。
有了磁芯就可以求出原边的匝数。
根据下式：
Np=Lp•Ip2•104/Bw•Ae
9.2.6.2再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。
有时求的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。
9.2.6.3为了避免磁芯饱和，我们应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：
lg=0.4π•Np2•Ae•10-8/Lp
在上式中：
lg为气隙长度，单位为cm
Np为原边匝数，
Ae为磁芯的截面积，单位为cm2
Lp为原边电感量，单位为H
至此，单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成。
我们应该在设计完成后核算窗口面积是否够大、变压器的损耗和温升是否可以接受。
同时，在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意。
10关键元器件的选择
10.1滤波电容的选择
10.1.1电解电容C16、C17、C18、C26应选择CD286系列高频低ESR电容，C28要选择CD11类高ESR的电容，电容的耐压应根据厂家提供的功能规格书，预留20％以上的余量，温度等级室外的105℃，室内的选择85℃，C22的量值（单位：
微法）一般取设计输入功率（单位：
瓦）数值的2倍。
10.1.2磁片电容C3、C6、C14、C11、C15应选高频特性好的陶瓷电容，一般选104。
10.1.3安规电容C21、C27应选泄漏电流小的陶瓷Y1类或Y2类安规电容，C20应选X2类安规电容，耐压275Vac薄膜电容，或耐压630V的聚酯或聚丙烯电容，一般选333或104；C21不宜选太大，一般在100P以下，过大损耗大
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