开关电源设计全过程.docx

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开关电源设计全过程

开关电源设计全过程

1目的

希望以简短的篇幅,将公司目前设计的流程做介绍,若有介绍不当之处,请不吝指教.

2设计步骤:

2.1绘线路图、PCBLayout.

2.2变压器计算.

2.3零件选用.

2.4设计验证.

3设计流程介绍（以DA-14B33为例）:

3.1线路图、PCBLayout请参考资识库中说明.

3.2变压器计算:

变压器是整个电源供应器的重要核心,所以变压器的计算及验证是很重要的,以下即就DA-14B33变压器做介绍.

3.2.1决定变压器的材质及尺寸:

依据变压器计算公式  

 B（max）=铁心饱合的磁通密度（Gauss）?

 Lp=一次侧电感值（uH）?

?

Ip=一次侧峰值电流（A）

 Np=一次侧（主线圈）圈数?

 Ae=铁心截面积（cm2）?

 B（max）?

依铁心的材质及本身的温度来决定,以TDKFerriteCorePC40为例,100℃时的B（max）为3900Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500Gauss之间,若所设计的power为Adapter（有外壳）则应取3000Gauss左右,以避免铁心因高温而饱合,一般而言铁心的尺寸越大,Ae越高,所以可以做较大瓦数的Power.

3.2.2决定一次侧滤波电容:

滤波电容的决定,可以决定电容器上的Vin（min）,滤波电容越大,Vin（win）越高,可以做较大瓦数的Power,但相对价格亦较高.

3.2.3决定变压器线径及线数:

当变压器决定后,变压器的Bobbin即可决定,依据Bobbin的槽宽,可决定变压器的线径及线数,亦可计算出线径的电流密度,电流密度一般以6A/mm2为参考,电流密度对变压器的设计而言,只能当做参考值,最终应以温升记录为准.

3.2.4决定Dutycycle（工作周期）:

由以下公式可决定Dutycycle,Dutycycle的设计一般以50%为基准,Dutycycle若超过50%易导致振荡的发生.

 NS=二次侧圈数?

 NP=?

一次侧圈数

 Vo=输出电压?

 VD=二极管顺向电压?

 Vin（min）=滤波电容上的谷点电压?

 D=?

工作周期（Dutycycle）

3.2.5决定Ip值:

 Ip=一次侧峰值电流?

 Iav=一次侧平均电流?

 Pout=输出瓦数?

 效率?

 PWM震荡频率?

3.2.6决定辅助电源的圈数:

依据变压器的圈比关系,可决定辅助电源的圈数及电压.

3.2.7决定MOSFET及二次侧二极管的Stress（应力）:

依据变压器的圈比关系,可以初步计算出变压器的应力（Stress）是否符合选用零件的规格,计算时以输入电压264V（电容器上为380V）为基准.

3.2.8其它:

若输出电压为5V以下,且必须使用TL431而非TL432时,须考虑多一组绕组提供Photocoupler及TL431使用.

3.2.9将所得资料代入公式中,如此可得出B（max）,若B（max）值太高或太低则参数必须重新调整.

3.2.10DA-14B33变压器计算:

 输出瓦数13.2W（3.3V/4A）,Core=EI-28,可绕面积（槽宽）=10mm,MarginTape=?

2.8mm（每边）,剩余可绕面积=4.4mm.

 假设fT=45KHz,Vin（min）=90V,?

=0.7,P.F.=0.5（cosθ）,Lp=1600Uh

 计算式:

?

 变压器材质及尺寸:

?

?

由以上假设可知材质为PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可绕面积（槽宽）=10mm,因MarginTape使用2.8mm,所以剩余可绕面积为4.4mm.

 假设滤波电容使用47uF/400V,Vin（min）暂定90V.?

?

决定变压器的线径及线数:

 假设NP使用0.32ψ的线?

电流密度=

可绕圈数=

?

假设Secondary使用0.35ψ的线

电流密度=

 假设使用4P,则?

电流密度=

可绕圈数=

 决定Duty?

cycle:

 假设Np=44T,Ns=2T,VD=0.5（使用schottkyDiode）?

 决定Ip值:

?

?

决定辅助电源的圈数:

假设辅助电源=12V

 NA1=6.3圈

假设使用0.23ψ的线

可绕圈数=

若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V

 决定MOSFET及二次侧二极管的Stress（应力）:

?

MOSFET（Q1）=最高输入电压（380V）+  =

=463.6V

Diode（D5）=输出电压（Vo）+x最高输入电压（380V）

=

=20.57V

Diode（D4）=

==41.4V

 其它:

?

因为输出为3.3V,而TL431的Vref值为2.5V,若再加上photocoupler上的压降约1.2V,将使得输出电压无法推动Photocoupler及TL431,所以必须另外增加一组线圈提供回授路径所需的电压.

假设NA2=4T使用0.35ψ线,则

可绕圈数=,所以可将NA2定为4Tx2P

?

 变压器的接线图:

?

3.3零件选用:

零件位置（标注）请参考线路图:

（DA-14B33Schematic）

3.3.1FS1:

由变压器计算得到Iin值,以此Iin值（0.42A）可知使用公司共享料2A/250V,设计时亦须考虑Pin（max）时的Iin是否会超过保险丝的额定值.

3.3.2TR1（热敏电阻）:

电源启动的瞬间,由于C1（一次侧滤波电容）短路,导致Iin电流很大,虽然时间很短暂,但亦可能对Power产生伤害,所以必须在滤波电容之前加装一个热敏电阻,以限制开机瞬间Iin在Spec之内（115V/30A,230V/60A）,但因热敏电阻亦会消耗功率,所以不可放太大的阻值（否则会影响效率）,一般使用SCK053（3A/5Ω）,若C1电容使用较大的值,则必须考虑将热敏电阻的阻值变大（一般使用在大瓦数的Power上）.

3.3.3VDR1（突波吸收器）:

当雷极发生时,可能会损坏零件,进而影响Power的正常动作,所以必须在靠AC输入端（Fuse之后）,加上突波吸收器来保护Power（一般常用07D471K）,但若有价格上的考虑,可先忽略不装.

3.3.4CY1,CY2（Y-Cap）:

Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容,若ACInput有FG（3Pin）一般使用Y2-Cap,ACInput若为2Pin（只有L,N）一般使用Y1-Cap,Y1与Y2的差异,除了价格外（Y1较昂贵）,绝缘等级及耐压亦不同（Y1称为双重绝缘,绝缘耐压约为Y2的两倍,且在电容的本体上会有“回”符号或注明Y1）,此电路因为有FG所以使用Y2-Cap,Y-Cap会影响EMI特性,一般而言越大越好,但须考虑漏电及价格问题,漏电（LeakageCurrent）必须符合安规须求（3Pin公司标准为750uAmax）.

3.3.5CX1（X-Cap）、RX1:

X-Cap为防制EMI零件,EMI可分为Conduction及Radiation两部分,Conduction规范一般可分为:

FCCPart15JClassB、CISPR22（EN55022）ClassB两种,FCC测试频率在450K~30MHz,CISPR22测试频率在150K~30MHz,Conduction可在厂内以频谱分析仪验证,Radiation则必须到实验室验证,X-Cap一般对低频段（150K~数M之间）的EMI防制有效,一般而言X-Cap愈大,EMI防制效果愈好（但价格愈高）,若X-Cap在0.22uf以上（包含0.22uf）,安规规定必须要有泄放电阻（RX1,一般为1.2MΩ1/4W）.

3.3.6LF1（CommonChoke）:

EMI防制零件,主要影响Conduction的中、低频段,设计时必须同时考虑EMI特性及温升,以同样尺寸的CommonChoke而言,线圈数愈多（相对的线径愈细）,EMI防制效果愈好,但温升可能较高.

3.3.7BD1（整流二极管）:

将AC电源以全波整流的方式转换为DC,由变压器所计算出的Iin值,可知只要使用1A/600V的整流二极管,因为是全波整流所以耐压只要600V即可.

3.3.8C1（滤波电容）:

由C1的大小（电容值）可决定变压器计算中的Vin（min）值,电容量愈大,Vin（min）愈高但价格亦愈高,此部分可在电路中实际验证Vin（min）是否正确,若ACInput范围在90V~132V（Vc1电压最高约190V）,可使用耐压200V的电容;若ACInput范围在90V~264V（或180V~264V）,因Vc1电压最高约380V,所以必须使用耐压400V的电容.

Re:

开关电方设计过祘

3.3.9D2（辅助电源二极管）:

整流二极管,一般常用FR105（1A/600V）或BYT42M（1A/1000V）,两者主要差异:

1.耐压不同（在此处使用差异无所谓）

2.VF不同（FR105=1.2V,BYT42M=1.4V）

3.3.10R10（辅助电源电阻）:

主要用于调整PWMIC的VCC电压,以目前使用的3843而言,设计时VCC必须大于8.4V（Min.Load时）,但为考虑输出短路的情况,VCC电压不可设计的太高,以免当输出短路时不保护（或输入瓦数过大）.

3.3.11C7（滤波电容）:

辅助电源的滤波电容,提供PWMIC较稳定的直流电压,一般使用100uf/25V电容.

3.3.12Z1（Zener二极管）:

当回授失效时的保护电路,回授失效时输出电压冲高,辅助电源电压相对提高,此时若没有保护电路,可能会造成零件损坏,若在3843VCC与3843Pin3脚之间加一个ZenerDiode,当回授失效时ZenerDiode会崩溃,使得Pin3脚提前到达1V,以此可限制输出电压,达到保护零件的目的.Z1值的大小取决于辅助电源的高低,Z1的决定亦须考虑是否超过Q1的VGS耐压值,原则上使用公司的现有料（一般使用1/2W即可）.

3.3.13R2（启动电阻）:

提供3843第一次启动的路径,第一次启动时透过R2对C7充电,以提供3843VCC所需的电压,R2阻值较大时,turnon的时间较长,但短路时Pin瓦数较小,R2阻值较小时,turnon的时间较短,短路时Pin瓦数较大,一般使用220KΩ/2WM.O..

3.3.14R4（LineCompensation）:

高、低压补偿用,使3843Pin3脚在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致（一般使用750KΩ~1.5MΩ1/4W之间）.

3.3.15R3,C6,D1（Snubber）:

此三个零件组成Snubber,调整Snubber的目的:

1.当Q1off瞬间会有Spike产生,调整Snubber可以确保Spike不会超过Q1的耐压值,2.调整Snubber可改善EMI.一般而言,D1使用1N4007（1A/1000V）EMI特性会较好.R3使用2WM.O.电阻,C6的耐压值以两端实际压差为准（一般使用耐压500V的陶质电容）.

3.3.16Q1（N-MOS）:

目前常使用的为3A/600V及6