硬件电路设计规范.docx
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硬件电路设计规范
硬件电路设计规范
规范编码：
版本：
V2.0
密级：
机密
DCGLOBAL
执笔人：
朱春辉
页数：
共26页
辅助电源设计规范
2002年7月30日发布2002年7月30日实施
艾默生网络能源有限公司
前言
本规范于2002年7月30日首次发布；
本规范起草单位：
一次电源、研究管理部技术管理处；
本规范执笔人：
朱春辉
本规范主要起草人：
朱春辉；
本规范标准化审查人：
林攀；
本规范批准人：
曹升芳
本规范修改记录：
2005-06-01
更改信息表
版本
更改原因
更改说明
更改人
更改时间
V2.0
补充部分内容
增加与规格书的联系、增加低温系列芯片等
吴连日
2005-06-01
目录
摘要6
关键词6
1来源6
2适用范围6
3满足技术指标7
4设计原则与要求8
5实现方案8
5.1 方案（拓扑）选择8
5.2 反激变换器实现方式8
6电路设计9
6.1控制芯片的选择9
6.1.1 控制芯片类型9
6.1.2 选择方法10
6.2384X的外围电路设计10
6.2.1振荡电路11
6.2.2基准去耦11
6.2.4 软启动电路12
6.2.5 电源去耦12
6.3 启动控制12
6.4启动电路13
6.4.1 通用设计13
6.4.2 VCC不带负载14
6.4.3 VCC同时有其它负载14
6.5开关频率的确定15
6.6电流采样电路15
6.7变压器的设计15
6.8 开关管及驱动电路16
6.9 开关管吸收与钳位电路17
6.10 整流二极管17
6.11 整流二极管吸收电路17
6.12 输出滤波电路18
6.13 后级稳压18
6.14 钳位电路18
6.15环路设计18
6.15.1 环路设计要求18
6.15.2 不隔离控制的环路设计19
6.15.3 隔离控制的环路设计19
6.16 短路保护20
6.17 输入保护20
6.18安规设计（包括光耦和变压器短路）21
6.18.1 安规距离21
6.18.2 器件的安规21
6.18.3 满足安规试验的要求21
6.19EMC设计21
6.19.1 输入EMI21
6.19.2 静电22
6.19.3 辐射22
6.19.4 浪涌22
6.20 工艺与可生产性22
6.20.1 工艺22
6.20.2 可测试性22
6.20.3 容差设计22
6.21 其它23
7电路调测23
8经验案例24
8.1H1412M1的串联电阻。
24
8.2PSM-A9启动失败问题24
8.3PSM-A启动失败问题24
8.4PSM-A10纹波问题25
8.5PSM-A和PSM-A93843-PIN3电压超标25
8.6H6412Z的UC38C43损坏问题25
8.7HD4850的风扇电源问题25
9元器件清单26
10附件清单26
摘要
辅助电源的功能是提供模块内的各级控制电路、各功能电路、监控电路和功率模块驱动电路所需电源。
其输入电压范围一般较宽，并需满足安规要求，输出功率一般小于30W。
本规范内容总结了一次电源整流模块辅助电源和监控模块辅助电源电路，参考了二次电源相关的CBB，确定了一次电源辅助电源的设计方法和关键要点。
从器件选择、工艺要求、单元电路等几个层次作了规范，列举常见问题，附录介绍了一次电源主要使用的辅助电源电路。
关键词
反激式变换器：
在开关电源中有一类变换器，在功率管导通时，电感/高频变压器将电能变为磁能储存起来，功率管截止时，电感/高频变压器将原来储存的磁能变为电能，传递给负载。
这种变换器称为反激式变换器。
峰值电流型PWM控制：
在脉宽比较器的输入端直接用峰值电流信号与电压误差放大器输出信号进行比较。
在每个开关周期的开始，功率管开通，其电流上升，当峰值电流信号达到电压误差放大器的输出时，功率管关断。
它动态特性好，能逐波限流。
DCM：
Discontinuecurrentmode电感电流不连续。
CCM：
Continuecurrentmode电感电流连续。
1来源
本规范中的电路来源于公司正在或曾经大量生产的HD4820－5（H4412Z），HD4825-3（公司内部型号为H6412Z），HD4850（公司内部型号H1415Z），HD4850-2（公司内部型号为H2415Z）HD48100（公司内部型号H141AZ），HD4850（公司内部型号H1415Z）（AC/DC模块的PFC电路，和PSM－A，PSM－A9，PSM－A10的辅助电源，并参考了一次电源、二次电源和工业电源相关CBB、设计规范、测试规范等。
2适用范围
是一次电源所有产品的辅助电源设计必须参考的规范。
3满足技术指标
对于所有一次电源整流模块和监控模块的辅助电源或其它类的一次电源的辅助电源，均必须有相应的辅助电源规格书。
规格书内容由辅助电源需求方与设计方共同讨论决定，格式和具体条款按照《一次电源辅助电源规格书模板》要求进行规定，并要经过相应的辅助电源专家、需求方成员、设计方成员、测试部人员、项目领导组成的评审委员会开会评审通过。
在辅助电源开发过程中，如需要对辅助电源规格书的某些条款进行更改，必须经过需求方与设计方共同讨论同意后，提交评审委员会评审通过后方可进行更改。
项目开发时建立产品结构树时必须有辅助电源规格书条款和相应图号，项目完成后，辅助电源规格书也必须进行归档。
任一辅助电源规格书中都必须有的项目为：
输入电压范围、输出电压整定值及波动范围、工作温度和贮存温度、纹波与噪声、负载调整率、电压调整率、开机过冲、开关机特性、输出功率、输出最小固定负载、输出电流、交互调节特性、输入瞬态冲击电压、环路稳定性、成本与面积（体积）、安规、输出短路、高低温工作、高温贮存、低温贮存、恒定湿热、高低温循环、振动、冲击、跌落、运输、低气压、EMC等。
其中高低温工作、高温贮存、低温贮存、恒定湿热、高低温循环、振动、冲击、跌落、运输、低气压、EMC等项目应与整机一致，随整机进行试验，辅助电源不单独进行此类试验。
另外对于监控模块辅助电源，动态响应也应列为必选项目，而对于整流模块辅助电源，动态响应则为可选项目。
有些电源指标对于一般的辅助电源来说不是很重要，除非有特别要求，故此类项目归为可选项目，主要有如下项目：
温度系数、动态响应、容性负载、最大输入电流、辅助电源开关频率、动态输入电压、启动冲击电流、效率、稳压精度、绝缘电阻、耐压等。
另外在些电源指标和功能对于一般的辅助电源来说是不作要求或没有的，如果某个辅助电源对此类指标有要求时，需要在辅助电源规格书中进行特别规定。
此类项目主要有：
输出电压可调性、输出电压杂音、输出电压上升时间、输出电压开机时间、启动延时时间、开机/关机时的输出电压时序、音频隔离度、输入电压过压保护、输出电压过压保护、输入电压欠压保护、输出电压欠压保护、输出限流功能、过温保护等。
4设计原则与要求
辅助电源必须按下列原则设计：
（1）辅助电源设计首先要满足相应辅助电源规格书中各项指标的要求，且辅助电源的可靠性必须高于主电路可靠性，故其各功率器件的降额幅度应略大于主电路的功率降额幅度。
。
（2）辅助电源设计在满足可靠性第一的要求同时，其它性能指标以适用为主，不要求各性能指标做得最精最好，而是要求辅助电源追求最低的综合成本。
（3）辅助电源的安规等级要与整机保持一致，辅助电源必须满足整机相应的安规要求，如不作特殊说明应满足EN60950的要求。
（4）辅助电源设计中应考虑对整机EMC性能的影响，对于监控辅助电源，应在输入电路中加入EMC滤波网络，并在实际测试过程中对滤波网络参数进行调整。
5实现方案
5.1 方案（拓扑）选择
可以实现辅助电源功能的方案有很多种，包括
反激变换器
正激变换器
取自主变绕组（仅用于整流模块辅助电源）
其中竞争对手SwitchtecR648的辅助电源取自主变，但目前不适合一次电源的使用。
正激变换器一般用在功耗较大的辅助电源中。
因此，反激变换器是一次电源目前首选的方案，如没有特殊的要求，应采用反激变换器方案。
5.2 反激变换器实现方式
反激变换器工作原理在常用的开关电源书中都有介绍，这里仅作简单说明。
反激变换器实现多路输出稳压电压框图如图1。
环路控制一般采用电压误差放大控制峰值电流的方式。
多路输出的一路通过反馈而稳定，其它路或者不稳压，或者加后级稳压（如三端稳压）。
控制器件有两类，一是以UC384X为代表，需要外加开关管。
一类以TopSwitch为代表，集成了控制芯片和开关管，外围电路简单。
一次电源普通使用UC384X集成电路作控制器，并在二次电源、工业电源大量应用，因此目前应使用UC384X系列控制芯片或低温系列芯片。
图1：
反激式多路输出变换器框图
6电路设计
6.1控制芯片的选择
6.1.1 控制芯片类型
6.1.1.1几种类型控制芯片对比（UC的芯片为例）
UC384X系列有很多芯片，差别为电源电压，最大占空比，启动电流等不同。
启动电源电压
关断电源电压
最大占空比
UC3842
16（14.5-17.5）
10（8.5-11.5）
97%（95-100%）
UC3843
8.4（7.8-9.0）
7.6（7-8.2）
97%（95-100%）
UC3844
16（14.5-17.5）
10（8.5-11.5）
48%（47-50%）
UC3845
8.4（7.8-9.0）
7.6（7-8.2）
48%（47-50%）
注：
设计时应特别注意到电源电压具有一定的范围，例如UC3842的最高启动电可达到17.5V；UC3843的最高关断电压可达到8.2V。
6.1.1.2 注意不同后缀的芯片差别（以ST为例）
UC3843为例，有UC3843、UC3843A，UC3843B三种版本，参数上有差别。
例如，对启动电流，UC3843为0.5mA,最大1mA,而UC3843A和UC3843B为0.3mA,最大0.5mA。
电压误差放大器输出电流，UC3843为0.8mA，最小0.5mA。
UC3843A和UC3843B为1mA，最小为0.5mA。
注意不同厂商的参数差别。
6.1.1.3 注意同型号不同厂商的器件，参数可能有差别
例如KA3843B和UC3843B（ST）的差别（部分）
序号
参数
UC3843（ST）
KA3843（FSC）
1振荡器
振荡频率Tj=25度
49＜52＜55KHz
47＜52＜57KHz
5
最大占空比
94%＜96%＜100%
95%＜97%＜100%
6耗电
启动电流
＜0.3mA＜0.5mA
<0.45mA<1mA
工作电流
＜14mA＜17mA
<12mA<17mA
输出吸收电流
2＜12＜ mA
2＜7＜mA
输出提供电流
-0.5＜-1＜ mA
-0.6＜-1＜ mA
6.1.1.4低温系列的芯片
全球系列的产品一般要求的环境温度范围较宽，温度下限要求均超过-10℃以下，像全球监控要求的温度范围就为-40℃∽+75℃，辅助电源所用的器件都要满足温度范围要求，特别是主要功率器件和控制芯片均要采用低温器件，像光耦、基准源、MOSFET、PWM芯片等，目前公司现在器件平台上低温辅助电源用PWM芯片的主要参数如下表：
型号
工作环境温度
工作结温Tj
贮存温度Tstg
最大占空比
UVLO
ON/OFF
最大启动电流ISTART-UP
最大工作电流IDD
UCC28C43D
-40℃to105℃
150℃
-65℃to150℃
96%
8.4V/7.6V
100uA
3mA
MIC38C43B
-40℃to85℃
150℃
-65℃to150℃
96%
8.4V/7.6V
200uA
6mA
UC2843B
-25℃to85℃
150℃
-65℃to150℃
96%
8.4V/7.6V
0.5mA
17mA
其中UCC28C43和MIC38C43对应系列为BiCMOS型芯片，UCC28C43X最高电源供电电压为18V，MIC38C43X最高电源供电电压为20V，UC2843X最高电源供电电压为30V，设计时还应注意其它参数的不同。
另不同后缀不同型号的参数均有变化，选型时要注意选取适合要求的芯片。
6.1.2 选择方法
对低电压输入的辅助电源，应该用代电压工作的UC3843/5或其改进型（以下以3843/5也包括其改进型）。
例如，监控电源如输入电压最低至18V，若选择UC3842，最高启动电压17.5V，不利于启动电路设计。
芯片电压的选择也取决于芯片工作时的电压。
例如，有些辅助电源芯片和其它电路共用电源，当不希望使电路出现高于17.5V的电压时，应采用UC3483/5而不能采用UC3842/4
对设计时不出现占空比＞50%的情况，应该采用3844/5及其改进型芯片，限定占空比有利于电流环的稳定。
对于工作环境温度低于-5℃以下的辅助电源，PWM脉宽调制芯片要选择低温系列的芯片。
6.2384X的外围电路设计
图2
6.2.1振荡电路
振荡电路的参数根据工作频率和手册的公式确定。
根据规格书的要求或设计需要确定振荡频率fs。
先确定Ct后确定Rt。
Ct值同时会影响最大占空比。
另外，Ct过小易受干扰，不应小于1000P，通常应设计在2200P到4700P，最大占空比满足要求时选较大的电容。
同时，Ct容值的变化会影响振荡频率，应采用精度不低于5%的电容，考虑温度特性，应选用NP0材质的电容为佳。
电阻Rt应满足降额，精度达到1%即可。
图3
6.2.2基准去耦
基准的去耦电容是必须有的。
其取值考虑两方面的因素：
---对启动过程的影响
---去耦作用
如C1过大，则VREF建立时间太慢，影响启动时序（二次电源有这方面案例）。
如C1太小，则起不了去耦作用。
推荐使用0.1UF的电容，不能大于1UF。
PCB中，C1应加在靠近VREF之处。
6.2.3斜波补偿
当占空比＞50%时，应考虑使用斜波补偿使电流环稳定。
图4
根据二次电源的应用情况，推荐使用图4所示的斜波补偿电路。
Q1使用高频小功率三极管，根据我司的器件平台，可选择2N4401。
R2是射随电阻，确定三极管的偏置，通常取220欧。
C2用于高频耦合，使交流信号加到PIN3，一般取0.01UF。
R1与PIN3的采样电阻确定补偿的深度。
补偿深度取决于采样到的电感电流的变化率。
也可以不接C2，形成直流补偿。
使用直流补偿时，应注意可能对峰值限流点有较大影响，特别是在要求低温较低的环境温度时当温度最低、输入电压最小、输出功率最大的情况下辅助电源能否正常工作，输出是否进行限流态。
图5
6.2.4 软启动电路
软启动电路的作用是使输出脉宽逐步增加，避免对开关管、变压器有过大的冲击。
软启动电路时间过长时，容易使VCC电压下降过多后电源才达到正常值，使电路产生不能启动的危险。
软启动的时间取决于C3的值以及芯片COMP输出的最大输出电流，即PIN1（COMP）的输出电流对C3充电到正常工作电压的时间，当PIN1还连接其它电路时，还要考虑这些电路的分流作用。
通常C3取0.1UF。
R3的作用时维持启动后C3上的高电压，通常取100K。
D1、D2用普通的二极管即可。
插件一般用1N4148，如采用表贴器件，可以使D1D2在同一封装中。
6.2.5 电源去耦
VCC上除了接较大容量的电解电容外，还需有高频去耦电容。
一般采用0.1UF－1UF的电容。
6.3 启动控制
一些辅助电源应用中，可能需要控制辅助电源的是否工作。
图6
该控制功能通过拉低软启动的C3电容上电压实现。
如图6，通过外部控制信号，当需要辅助电源关机时，使Q2饱和导通实现。
Q2通常用2N4401。
6.4启动电路
6.4.1 通用设计
目前所用的辅助电源都需要有自举功能。
自举电路必须确保在辅助电源应该工作的所用条件能启动，包括集成电路参数、电容容量误差、电阻精度等所有变化在内。
图7
图7中D3输入来自变压器。
启动过程为：
Vin通过R4对C4和C1充电，当VCC电压达到芯片的启动电压时，辅助电源启动，VCC电压下降。
然后，占空比逐渐增大，VCC电压仍然下降，当馈电支路提供能量逐渐增加并超过控制电路所需的能量时，VCC开始上升，当占空比达到正常工作时的占空比，VCC才能稳压在工作电压上，因此前面软启动电路中的C3不能过大，否则容易导致无法启动。
启动过程与负载、输入电压、控制器COMP的最大输出电流、C4、C3等多个参数有关，而这些参数都有一定的范围或随时间有一定变化。
为确保电源能够启动，应留有足够余量。
目前要求在最恶劣条件下，VCC电压的下降不大于芯片最小开机电压与最大关机电压回差的1/3。
要求在各种工作温度范围内、输入电压全范围内、输出负载全范围内辅助电源均应能正常启动。
图中R4根据最低输入电压Vinmin、芯片的最高启动电压Vstmax和控制芯片的最大启动电流Istmax设计：
R4＜（Vinmin-Vstmax）/Istmax
并注意Vinmin是指能加到R4的电压，小于要求的输入电压值。
最高启动电压和最大启动电流应按同编码下不同器件中最大的来设计。
并需一定裕量：
对于直流输入DC/DC整流模块和监控模块的辅助电源的输入电压范围应比相应模块的输入电压范围宽2Vdc~5Vdc。
另外，给384X芯片供电的电压一方面应确保384X在任何应该工作的情况不被关断，另一方面要使驱动的MOS管栅电压不超过规定的要求。
因此3843/5的供电电压应在11－16V范围，3842/4的供电电压应取在14-16V
6.4.2 VCC不带负载
有些情况下，控制芯片的电源没有其它负载，此时直接整流。
但因负载小，受其它的影响很大，因此须在整流二极管上串联电阻。
电阻的阻值可根据VCC的电压受负载影响确定，一般在10－30欧。
图8
二极管的耐压根据其承受的反压确定，其它参数应满足降额要求。
插件可用UG2D。
输入电压＜70V辅助电源的根据耐压可用BAV70（70V）、BAS21（200V/单管）、BAV23（200V/双管）。
6.4.3 VCC同时有其它负载
图9
当控制芯片的那一路电源上同时有其它负载时，应采用启动隔离的电路，使该部分不影响启动。
如图9，通过增加二极管D4实现，D4可用BYV26E。
R6是必须的，目的是防止其它负载变化或输入电压变化对输出电压变化过大。
其数值可根据实际情况调节。
如果VCC2所带负载很小，应在D3上串联电阻（参考图8）来提高对VCC2对输入电压和负载变化的稳定性。
6.5开关频率的确定
考虑到成本、体积、可靠性等因素，辅助电源的开关频率选择在100KHZ－300KHZ比较合适。
6.6电流采样电路
电流采样器件有两种，一种用电阻，一种用电流互感变压器。
在电流较大时为减小采样的功耗，一般采样电阻功耗大于0.5W时可使用电流互感器。
两种情况滤波电路的设计一样的。
图10
R8和C6对采样电流滤波，目的滤了开通瞬间引起的尖峰。
但过大的时间常数不能使采样电流及时响应，因此设计要同时考虑两方面的因素。
对100K左右的关频率，R8可使用470欧电阻，C6可使用220P电容，具体参数由调试确定。
PCB上C6应放在靠近PIN3的地方。
采样电阻R7确定了峰值限流点，选择原则为：
在所有需正常工作的条件下，辅助电源不能限流。
通常较容易到限流点的条件是最低输入电压，最低工作温度、最大负载。
设计应注意到一些容量因素，包括控制芯片限流点。
对384X系列其限流误差为±10%（Isen比较电压为0.9-1.1V）。
考虑到其它因素的影响，实际应留有20%以上的余量。
R7采用1%精度金膜电阻，应满足降额要求。
采用电流互感器的电路中，电流互感器统一采用1：
100的互感器，公司有编码09060001。
D5应采用开关二极管，插件用1N4148，贴片用BAV70、BAW56。
R9为几百至几K的电阻，通常为1k。
6.7变压器的设计
目前开发的产品中所用的辅助电源，开关频率都大于100KHZ，并且电流的谐波成份大。
变压器的设计与通常的开关变压器的设计方法一样。
设计中应注意以下几点：
――线径在可行的工艺条件下尽量细，目前推荐使用0.1mm多股线或0.21mm线绕制，这是考虑到趋肤效应和邻近效应的作用。
――变压器最大电流应以可能的最恶劣条件设计，可靠的最大电流是限流点。
――应考虑到满足安规距离的占空比损失。
――在满足体积等差异的情况下，应采用已大量应用的磁芯和骨架，可降低成本。
――反激变压器一般有气隙，应注意气隙有误差，从而电感量应考虑有10%的误差。
变压器具体设计方法有多种，这里提供一种计算方法。
假设已知条件：
最大输出功率：
Po
开关频率：
f
预计效率：
n
输入电压：
Vinmin-Vinmax
L（I2-I1）=D*T*Vin-----------------------------
（1）
平均输入电流Iin＝（I2+I1）D/2 式中D为占空比。
因Vin*Iin=Pin因此，D（I2＋I1）/2=Pin/Vin？
-------------------
（2）
由此得到：
I2－I1＝DTVin/L
I2+I1=2Pin/DVin
式中占空比是最大占空比，为设计的已知值。
如果是能量完全传递形式，I1＝0，可解出上式中的L和I2。
如果能量不完全传递形式，电感量决定电感电流形式，需综合选择。
实际情况下，对正常工作状态，工作在DCM方式下更有利。
一方面电感量减小，同时开关管损耗减小。
但对工作范围很宽的辅助电源，可以在低输入电压时工作在能量不完全传递状态（即CCM方式），CCM方式占空比可超过50%（当占空比超过50%时要采用斜坡补偿电路。
），这样对宽输入电压范围输入上下限设计较为简单，否则会引起输入上限时占空比接近与零的现象。
设计变压器时一定要考虑磁芯的最大磁通密度Bmax，一般情况下要求Bmax<0.2T，当采用DCM模式时，Bmax=Brmax+ΔBmax,当采用CCM模式时,Bmax=Brmax+Bdcmax+
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