反激式开关电源的设计方法.docx
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反激式开关电源的设计方法
1设计步骤:
1.1产品规格书制作
1.2设计线路图、零件选用.
1.3PCBLayout.
1.4变压器、电感等计算.
1.5设计验证.
2设计流程介绍:
2.1产品规格书制作
依据客户的要求，制作产品规格书。
做为设计开发、品质检验、生产测试等的依据。
2.2设计线路图、零件选用。
2.3PCBLayout.
外形尺寸、接口定义，散热方式等。
2.4变压器、电感等计算.
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，
2.4.1决定变压器的材质及尺寸:
依据变压器计算公式
ØB（max）=铁心饱合的磁通密度（Gauss）
ØLp=一次侧电感值（uH）
ØIp=一次侧峰值电流（A）
ØNp=一次侧（主线圈）圈数
ØAe=铁心截面积（cm2）
ØB（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。
2.4.2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。
2.4.3决定变压器线径及线数:
变压器的选择实际中一般根据经验，依据电源的体积、工作频率，散热条件，工作环境温度等选择。
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。
2.4.4决定占空比:
由以下公式可决定占空比，反激电源的占空比一般小于0.5（最低输入电压下），占空比若超过0.5易导致振荡的发生。
占空比确定后根据下面公式确定匝比。
ØNS=二次侧圈数
ØNP=一次侧圈数
ØVo=输出电压
ØVD=二极管顺向电压
ØVin（min）=滤波电容上的谷点电压
ØD=占空比
2.4.5决定Ip值:
如果在连续模式，先定义好交流分量和直流的比值，根据输入平均电流计算出Ip，由Ip确定出电感量。
ØIp=一次侧峰值电流
ØIav=一次侧平均电流
ØPout=输出瓦数
Ø
效率
ØK=直流分量和Ip的比值
2.4.6确定Lp，
知道Ip，根据K值，计算出交流分量ΔI。
确定开关频率f，计算出Ton。
计算出Lp
ØLp=一次侧感量
ØTon=导通时间
ØΔI=交流分量
2.4.7确定匝数Np，Ns
根据下面的公式
可以推导出：
，在根据
，计算出次级匝数Ns
2.4.8决定辅助电源的圈数:
根据Ns和Vo和辅助电源的电压Vcc计算出辅助电源的匝数：
2.4.9以CRS10-05变压器计算:
✧输入66—160Vdc，输出瓦数10.6W（5.3V/2A）
✧K=0.3，Dmax=0.42
✧设定
=0.8，f=200KHz，T=5us，
●变压器尺寸:
✧因电源尺寸限制，选用的磁芯的FEY12.8，Ae值：
11.4mm2。
●计算Ip
确定直流分量和Ip的比值：
K，依据经验定为0.3。
●计算Lp
由Ip和K值，计算出ΔI=Ip*（1-K）=0.736*（1-0.3）=0.515A
●计算初级匝数：
取整：
58匝。
根据
计算出Ns：
6.79，取整7匝，为保证占空比变化不大，可以适当更改初级匝数，一般初级匝数要比计算值多一些，避免Bmax超标。
●决定辅助电源的圈数:
假设辅助电源Vcc=12V
2.5零件选用:
（原理图参考网上的资料，内容稍全面一些）
2.5.1FS1（保险）:
由变压器计算得到Iin值，以此Iin值（0.42A）可知使用2A/250V的保险，设计时亦须考虑Pin（max）时的Iin是否会超过保险丝的额定值。
2.5.2TR1（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）。
2.5.3VDR1（压敏电阻）:
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。
2.5.4CY1，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）。
2.5.5CX1（X-Cap）、RX1:
X-Cap为防制EMI零件，EMI可分为传导及辐射两部分，一般为（EN55022）ClassA、ClassB两种，传导测试频率在150K~30MHz，证，辐射测试频率在30MH~1GHz。
2.5.6LF1（共模电感）:
EMI防制零件，主要影响传导的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI特性及温升，以同样尺寸的共模电感而言，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。
2.5.7BD1（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。
2.5.8C1（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。
2.5.9D2（辅助电源二极管）:
2.5.10R10（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）。
2.5.11C7（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。
2.5.12Z1（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）.
2.5.13R2（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。
.
2.5.14R4（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）。
2.5.15R3，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）。
2.5.16Q1（N-MOS）:
目前常使用的为3A/600V及6A/600V两种，6A/600V的RDS（ON）较3A/600V小，所以温升会较低，若IDS电流未超过3A，应该先以3A/600V为考虑，并以温升记录来验证，因为6A/600V的价格高于3A/600V许多，Q1的使用亦需考虑VDS是否超过额定值。
2.5.17R8:
R8的作用在保护Q1，避免Q1呈现浮接状态。
2.5.18R7（Rs电阻）:
3843Pin3脚电压最高为1V，R7的大小须与R4配合，以达到高低压平衡的目的，一般使用2WM.O.电阻，设计时先决定R7后再加上R4补偿，一般将3843Pin3脚电压设计在0.85V~0.95V之间（视瓦数而定，若瓦数较小则不能太接近1V，以免因零件误差而顶到1V）。
2.5.19R5，C3（RCfilter）:
滤除3843Pin3脚的噪声，R5一般使用1KΩ1/8W，C3一般使用102P/50V的陶质电容，C3若使用电容值较小者，重载可能不开机（因为3843Pin3瞬间顶到1V）;若使用电容值较大者，也许会有轻载不开机及短路Pin过大的问题。
2.5.20R9（Q1Gate电阻）:
R9电阻的大小，会影响到EMI及温升特性，一般而言阻值大，Q1turnon/turnoff的速度较慢，EMI特性较好，但Q1的温升较高、效率较低（主要是因为turnoff速度较慢）;若阻值较小，Q1turnon/turnoff的速度较快，Q1温升较低、效率较高，但EMI较差，一般使用51Ω-150Ω1/8W。
2.5.21R6，C4（控制振荡频率）:
决定3843的工作频率，可由DataSheet得到R、C组成的工作频率，C4一般为10nf的电容（误差为5%），R6使用精密电阻，以DA-14B33为例，C4使用103P/50VPE电容，R6为3.74KΩ1/8W精密电阻，振荡频率约为45KHz。
2.5.22C5:
功能类似RCfilter，主要功用在于使高压轻载较不易振荡，一般使用101P/50V陶质电容。
2.5.23U1（PWMIC）:
3843是PWMIC的一种，由PhotoCoupler（U2）回授信号控制DutyCycle的大小，Pin3脚具有限流的作用（最高电压1V），目前所用的3843中，有KA3843（SAMSUNG）及UC3843BN（S.T.）两种，两者脚位相同，但产生的振荡频率略有差异，UC3843BN较KA3843快了约2KHz，fT的增加会衍生出一些问题（例如:
EMI问题、短路问题），因KA3843较难买，所以新机种设计时，尽量使用UC3843BN。
2.5.24R1、R11、R12、C2（一次侧回路增益控制）:
3843内部有一个ErrorAMP（误差放大器），R1、R11、R12、C2及ErrorAMP组成一个负回授电路，用来调整回路增益的稳定度，回路增益，调整不恰当可能会造成振荡或输出电压不正确，一般C2使用立式积层电容（温度持性较好）。
2.5.25U2（Photocoupler）
光耦合器（Photocoupler）主要将二次侧的信号转换到一次侧（以电流的方式），当二次侧的TL431导通后，U2即会将二次侧的电流依比例转换到一次侧，此时3843由Pin6（output）输出off的信号（Low）来关闭Q1，使用Photocoupler的原因，是为了符合安规需求（primacytosecondary的距离至少需5.6mm）。
2.5.26R13（二次侧回路增益控制）:
控制流过Photocoupler的电流，R13阻值较小时，流过Photocoupler的电流较大，U2转换电流较大，回路增益较快（需要确认是否会造成振荡），R13阻值较大时，流过Photocoupler的电流较小，U2转换电流较小，回路增益较慢，虽然较不易造成振荡，但需注意输出电压是否正常。
2.5.27U3（TL431）、R15、R16、R18
调整输出电压的大小，
，输出电压不可超过38V（因为TL431VKA最大为36V，若再加Photocoupler的VF值，则Vo应在38V以下较安全），TL431的Vref为2.5V，R15及R16并联的目的使输出电压能微调，且R15与R16并联后的值不可太大（尽量在2KΩ以下），以免造成输出不准。
2.5.28R14，C9（二次侧回路增益控制）:
控制二次侧的回路增益，一般而言将电容放大会使增益变慢；电容放小会使增益变快，电阻的特性则刚好与电容相反，电阻放大增益变快；电阻放小增益变慢，至于何谓增益调整的最佳值，则可以Dynamicload来量测，即可取得一个最佳值。
2.5.29D4（整流二极管）:
因为输出电压为3.3V，而输出电压调整器（OutputVoltageRegulator）使用TL431（Vref=2.5V）而非TL432（Vref=1.25V），所以必须多增加一组绕组提供Photocoupler及TL431所需的电源，因为U2及U3所需的电流不大（约10mA左右），二极管耐压值100V即可，所以只需使用1N4148（0.15A/100V）。
2.5.30C8（滤波电容）:
因为U2及U3所需的电流不大，所以只要使用1u/50V即可。
2.5.31D5（整流二极管）:
输出整流二极管，D5的使用需考虑:
a.电流值
b.二极管的耐压值
以DA-14B33为例，输出电流4A，使用10A的二极管（Schottky）应该可以，但经点温升验证后发现D5温度偏高，所以必须换为15A的二极管，因为10A的VF较15A的VF值大。
耐压部分40V经验证后符合，因此最后使用15A/40VSchottky。
2.5.32C10，R17（二次侧snubber）:
D5在截止的瞬间会有spike产生，若spike超过二极管（D5）的耐压值，二极管会有被击穿的危险，调整snubber可适当的减少spike的电压值，除保护二极管外亦可改善EMI，R17一般使用1/2W的电阻，C10一般使用耐压500V的陶质电容，snubber调整的过程（264V/63Hz）需注意R17,C10是否会过热，应避免此种情况发生。
2.5.33C11，C13（滤波电容）:
二次侧第一级滤波电容，应使用内阻较小的电容（LXZ，YXA…），电容选择是否洽当可依以下三点来判定:
a.输出Ripple电压是符合规格
b.电容温度是否超过额定值
c.电容值两端电压是否超过额定值
2.5.34R19（假负载）:
适当的使用假负载可使线路更稳定，但假负载的阻值不可太小，否则会影响效率，使用时亦须注意是否超过电阻的额定值（一般设计只使用额定瓦数的一半）。
2.5.35L3，C12（LC滤波电路）:
LC滤波电路为第二级滤波，在不影响线路稳定的情况下，一般会将L3放大（电感量较大），如此C12可使用较小的电容值。
3设计验证:
（可分为三部分）
a.设计时间验证
b.样品制作验证
3.1设计时间验证
设计实验阶段应该养成记录的习惯，记录可以验证实验结果是否与电气规格相符，以下即就DA-14B33设计时间验证做说明（验证项目视规格而定）。
3.1.1电气规格验证:
3.1.1.13843PIN3脚电压（fullload4A）:
90V/47Hz=0.83V
115V/60Hz=0.83V
132V/60Hz=0.83V
180V/60Hz=0.86V
230V/60Hz=0.88V
264V/63Hz=0.91V
3.1.1.2
DutyCycle,fT:
3.1.1.3Vin（min）=100V（90V/47Hzfullload）
3.1.1.4Stress（264V/63Hzfullload）:
Q1MOSFET:
D5:
D4:
3.1.1.5辅助电源（开机，满载）、短路Pinmax.:
3.1.1.6
3.1.1.7Static（fullload）
Pin（w）
Iin（A）
Iout（A）
Vout（V）
P.F.
Ripple（mV）
Pout（w）
eff
90V/47Hz
18.7
0.36
4
3.30
0.57
32
13.22
70.7
115V/60Hz
18.6
0..31
4
3.30
0.52
28
13.22
71.1
132V/60Hz
18.6
0.28
4
3.30
0.50
29
13.22
71.1
180V/60Hz
18.7
0.21
4
3.30
0.49
30
13.23
70.7
230V/60Hz
18.9
0.18
4
3.30
0.46
29
13.22
69.9
264V/60Hz
19.2
0.16
4
3.30
0.45
29
13.23
68.9
3.1.1.8FullRange负载（0.3A-4A）
（验证是否有振荡现象）
3.1.1.9回授失效（输出轻载）
90V/47HzVout=8.3V
264V/63HzVout=6.03V
3.1.1.10O.C.P.（过电流保护）
90V/47Hz=7.2A
264V/63Hz=8.4A
3.1.1.11Pin（max.）
90V/47Hz=24.9W
264V/63Hz=27.1W
3.1.1.12Dynamictest
H=4A，t1=25ms，slewRate=0.8A/ms（Rise）
L=0.3A，t2=25ms，slewRate=0.8A/ms（Full）
90V/47Hz
264V/63Hz
3.1.1.13HI-POTtest:
HI-POTtest一般可分为两种等级:
Ø输入为3Pin（有FG者），HI-POTtest为1500Vac/1minute。
Y-CAP使用Y2-CAP
Ø输入为2Pin（无FG者），HI-POTtest为3000Vac/1minute。
Y-CAP使用Y1-CAP
DA-14B33属于输入3PINHI-POTtest为1500Vac/1minute。
3.1.1.14Groundingtest:
输入为3Pin（有FG者），一般均要测接地阻（Groundingtest），安规规定FG到输出线材（输出端）的接地电阻不能超过100mΩ（25A/3Second）。
3.1.1.15温升记录
设计实验定案后（暂定），需针对整体温升及EMI做评估，若温升或EMI无法符合规格，则需重新实验。
温升记录请参考附件，D5原来使用BYV118（10A/40VSchottky），因温升较高改为PBYR1540CTX（15A/40V）。
3.1.1.16EMI测试:
EMI测试分为二类:
ØConduction（传导干扰）
ØRadiation（幅射干扰）
前者视规范不同而有差异（FCC:
450K-30MHz，CISPR22:
150K-30MHz），前者可利用厂内的频谱分析仪验证；后者（范围由30M-300MHz，则因厂内无设备必须到实验室验证，Conduction，Radiation测试数据请参考附件）。
3.1.1.17机构尺寸:
设计时间即应对机构尺寸验证，验证的项目包括:
PCB尺寸、零件限高、零件禁置区、螺丝孔位置及孔径、外壳孔寸….，若设计时间无法验证，则必须在样品阶段验证。
3.1.2样品验证:
样品制作完成后，除温升记录、EMI测试外（是否需重新验证，视情况而定），每一台样品都应经过验证（包括电气及机构尺寸），
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