内部开关电源设计资料.docx

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内部开关电源设计资料

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

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。

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。

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=工作周期（Dutycycle）

3.2.5决定Ip值:

ØIp=一次侧峰值电流

ØIav=一次侧平均电流

ØPout=输出瓦数

Ø

效率

Ø

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Dutycycle:

✧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:

0.35Φx2Px4T

0.35Φx4Px2T

0.32Φx1Px22T

0.32Φx1Px22T

0.23Φx2Px6T

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。

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。

3.3.17R8:

R8的作用在保护Q1，避免Q1呈现浮接状态。

3.3.18R7（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）。

3.3.19R5，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。

3.3.20R9（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。

3.3.21R6，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。

3.3.22C5:

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。

3.3.23U1（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。

3.3.24R1、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）。

3.3.25U2（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）。

3.3.26R13（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。

3.3.27U3（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。

3.3.28R14，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。

3.3.29D4（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）。

3.3.30C8（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。

3.3.31D5（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。

3.3.32C10，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。

3.3.33C11，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

3.3.34R19（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）。

3.3.35L3，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。

4设计验证:

（可分为三部分）

a.设计阶段验证

b.样品制作验证

c.QE验证

4.1设计阶段验证

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设计阶段验证做说明（验证项目视规格而定）。

4.1.1电气规格验证:

4.1.1.13843PIN3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

4.1.1.2DutyCycle,fT:

4.1.1.3Vin（min）=100V（90V/47Hzfullload）

4.1.1.4Stress（264V/63Hzfullload）:

Q1MOSFET:

D5:

D4:

4.1.1.5辅助电源（开机，满载）、短路Pinmax.:

4.1.1.6Static（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

4.1.1.7FullRange负载（0.3A-4A）

（验证是否有振荡现象）

4.1.1.8回授失效（输出轻载）

90V/47HzVout=8.3V

264V/63HzVout=6.03V

4.1.1.9O.C.P.（过电流保护）

90V/47Hz=7.2A

264V/63Hz=8.4A

4.1.1.10Pin（max.）

90V/47Hz=24.9W

264V/63Hz=27.1W

4.1.1.11Dynamictest

H=4A，t1=25ms，slewRate=0.8A/ms（Rise）

L=0.3A，t2=25ms，slewRate=0.8A/ms（Full）

90V/47Hz

264V/63Hz

4.1.1.12HI-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。

4.1.1.13Groundingtest:

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）。

4.1.1.14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）。

4.1.1.15EMI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）。

4.1.1.16机构尺寸:

设计阶段即应对机构尺寸验证，验证的项目包括:

PCB尺寸、零件