开关电源设计流程.docx

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开关电源设计流程

目的

希望以簡短的篇幅，將公司目前設計的流程做介紹，假设有介紹不當之處，請不吝指教.

設計步驟:

繪線路圖、PCBLayout.

變壓器計算.

零件選用.

設計驗證.

設計流程介紹（以DA-14B33為例）:

線路圖、PCBLayout請參考資識庫中說明.

變壓器計算:

變壓器是整個電源供應器的重要核心，因此變壓器的計算及驗証是很重要的，以下即就DA-14B33變壓器做介紹.

決定變壓器的材質及尺寸:

依據變壓器計算公式

B（max）=鐵心飽合的磁通密度（Gauss）

Lp=一次側電感值（uH）

Ip=一次側峰值電流（A）

Np=一次側（主線圈）圈數

Ae=鐵心截面積（cm2）

B（max）依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDKFerriteCorePC40為例，100℃時的B（max）為3900Gauss，設計時應考慮零件誤差，因此一样取3000~3500Gauss之間，假设所設計的power為Adapter（有外殼）則應取3000Gauss左右，以幸免鐵心因高溫而飽合，一样而言鐵心的尺寸越大，Ae越高，因此能够做較大瓦數的Power。

決定一次側濾波電容:

濾波電容的決定，能够決定電容器上的Vin（min），濾波電容越大，Vin（win）越高，能够做較大瓦數的Power，但相對價格亦較高。

決定變壓器線徑及線數:

當變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，依據Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數，亦可計算出線徑的電流密度，電流密度一样以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設計而言，只能當做參考值，最終應以溫昇記錄為準。

決定Dutycycle（工作週期）:

由以下公式可決定Dutycycle，Dutycycle的設計一样以50%為基準，Dutycycle假设超過50%易導致振盪的發生。

NS=二次側圈數

NP=一次側圈數

Vo=輸出電壓

VD=二極體順向電壓

Vin（min）=濾波電容上的谷點電壓

D=工作週期（Dutycycle）

決定Ip值:

Ip=一次側峰值電流

Iav=一次側平均電流

Pout=輸出瓦數

效率

PWM震盪頻率

決定輔助電源的圈數:

依據變壓器的圈比關係，可決定輔助電源的圈數及電壓。

決定MOSFET及二次側二極體的Stress（應力）:

依據變壓器的圈比關係，能够初步計算出變壓器的應力（Stress）是不是符合選用零件的規格，計算時以輸入電壓264V（電容器上為380V）為基準。

其它:

假设輸出電壓為5V以下，且必須利用TL431而非TL432時，須考慮多一組繞組提供Photocoupler及TL431利用。

將所得資料代入

公式中，如此可得出B（max），假设B（max）值太高或太低則參數必須从头調整。

DA-14B33變壓器計算:

輸出瓦數4A），Core=EI-28，可繞面積（槽寬）=10mm，MarginTape=（每邊），剩餘可繞面積=.

假設fT=45KHz，Vin（min）=90V，

=，.=（cosθ），Lp=1600Uh

計算式:

變壓器材質及尺寸:

由以上假設可知材質為PC-40，尺寸=EI-28，Ae=，可繞面積（槽寬）=10mm，因MarginTape利用，因此剩餘可繞面積為.

假設濾波電容利用47uF/400V，Vin（min）暫定90V。

決定變壓器的線徑及線數:

假設NP利用ψ的線

電流密度=

可繞圈數=

假設Secondary利用ψ的線

電流密度=

假設利用4P，則

電流密度=

可繞圈數=

決定Dutycycle:

假設Np=44T，Ns=2T，VD=（利用schottkyDiode）

決定Ip值:

決定輔助電源的圈數:

假設輔助電源=12V

NA1=圈

假設利用ψ的線

可繞圈數=

假设NA1=6Tx2P，則輔助電源=

決定MOSFET及二次側二極體的Stress（應力）:

MOSFET（Q1）=最高輸入電壓（380V）+

=

=

Diode（D5）=輸出電壓（Vo）+

x最高輸入電壓（380V）

=

=

Diode（D4）=

=

=

其它:

因為輸出為，而TL431的Vref值為，假设再加上photocoupler上的壓降約，將使得輸出電壓無法推動Photocoupler及TL431，因此必須另外增加一組線圈提供迴授路徑所需的電壓。

假設NA2=4T利用ψ線，則

可繞圈數=

，因此可將NA2定為4Tx2P

變壓器的接線圖:

Φx2Px6T

零件選用:

零件位置（標註）請參考線路圖:

（DA-14B33Schematic）

FS1:

由變壓器計算取得Iin值，以此Iin值可知利用公司共用料2A/250V，設計時亦須考慮Pin（max）時的Iin是不是會超過保險絲的額定值。

TR1（熱敏電阻）:

電源啟動的瞬間，由於C1（一次側濾波電容）短路，導致Iin電流专门大，雖然時間很短暫，但亦可能對Power產生傷害，因此必須在濾波電容之前加裝一個熱敏電阻，以限制開機瞬間Iin在Spec之內（115V/30A，230V/60A），但因熱敏電阻亦會消耗功率，因此不可放太大的阻值（否則會影響效率），一样利用SCK053（3A/5Ω），假设C1電容利用較大的值，則必須考慮將熱敏電阻的阻值變大（一样利用在大瓦數的Power上）。

VDR1（突波吸收器）:

當雷極發生時，可能會損壞零件，進而影響Power的正常動作，因此必須在靠AC輸入端（Fuse之後），加上突波吸收器來保護Power（一样经常使用07D471K），但假设有價格上的考量，可先忽略不裝。

CY1，CY2（Y-Cap）:

Y-Cap一样可分為Y1及Y2電容，假设ACInput有FG（3Pin）一样利用Y2-Cap，ACInput假设為2Pin（只有L，N）一样利用Y1-Cap，Y1與Y2的差異，除價额外（Y1較昂貴），絕緣等級及耐壓亦不同（Y1稱為雙重絕緣，絕緣耐壓約為Y2的兩倍，且在電容的本體上會有“回”符號或註明Y1），此電路因為有FG因此利用Y2-Cap，Y-Cap會影響EMI特性，一样而言越大越好，但須考慮漏電及價格問題，漏電（LeakageCurrent）必須符合安規須求（3Pin公司標準為750uAmax）。

CX1（X-Cap）、RX1:

X-Cap為防制EMI零件，EMI可分為Conduction及Radiation兩部份，Conduction規範一样可分為:

FCCPart15JClassB、CISPR22（EN55022）ClassB兩種，FCC測試頻率在450K~30MHz，CISPR22測試頻率在150K~30MHz，Conduction可在廠內以頻譜分析儀驗證，Radiation則必須到實驗室驗證，X-Cap一样對低頻段（150K~數M之間）的EMI防制有效，一样而言X-Cap愈大，EMI防制成效愈好（但價格愈高），假设X-Cap在以上（包括，安規規定必須要有洩放電阻（RX1，一样為Ω1/4W）。

LF1（CommonChoke）:

EMI防制零件，要紧影響Conduction的中、低頻段，設計時必須同時考慮EMI特性及溫昇，以同樣尺寸的CommonChoke而言，線圈數愈多（相對的線徑愈細），EMI防制成效愈好，但溫昇可能較高。

BD1（整流二極體）:

將AC電源以全波整流的方式轉換為DC，由變壓器所計算出的Iin值，可知只要利用1A/600V的整流二極體，因為是全波整流因此耐壓只要600V即可。

C1（濾波電容）:

由C1的大小（電容值）可決定變壓器計算中的Vin（min）值，電容量愈大，Vin（min）愈高但價格亦愈高，此部份可在電路中實際驗證Vin（min）是不是正確，假设ACInput範圍在90V~132V（Vc1電壓最高約190V），可利用耐壓200V的電容;假设ACInput範圍在90V~264V（或180V~264V），因Vc1電壓最高約380V，因此必須利用耐壓400V的電容。

D2（輔助電源二極體）:

整流二極體，一样经常使用FR105（1A/600V）或BYT42M（1A/1000V），兩者要紧差異:

耐壓不同（在此處利用差異無所謂）

VF不同（FR105=，BYT42M=

R10（輔助電源電阻）:

要紧用於調整PWMIC的VCC電壓，以目前利用的3843而言，設計時VCC必須大於（Min.Load時），但為考慮輸出短路的情況，VCC電壓不可設計的太高，以避免當輸出短路時不保護（或輸入瓦數過大）。

C7（濾波電容）:

輔助電源的濾波電容，提供PWMIC較穩定的直流電壓，一样利用100uf/25V電容。

Z1（Zener二極體）:

當回授失效時的保護電路，回授失效時輸出電壓衝高，輔助電源電壓相對提高，此時假设沒有保護電路，可能會造成零件損壞，假设在3843VCC與3843Pin3腳之間加一個ZenerDiode，當回授失效時ZenerDiode會崩潰，使得Pin3腳提早到達1V，以此可限制輸出電壓，達到保護零件的目的.Z1值的大小取決於輔助電源的高低，Z1的決定亦須考慮是不是超過Q1的VGS耐壓值，原則上利用公司的現有料（一样利用1/2W即可）.

R2（啟動電阻）:

提供3843第一次啟動的路徑，第一次啟動時透過R2對C7充電，以提供3843VCC所需的電壓，R2阻值較大時，turnon的時間較長，但短路時Pin瓦數較小，R2阻值較小時，turnon的時間較短，短路時Pin瓦數較大，一样利用220KΩ/2W。

.

R4（LineCompensation）:

高、低壓補償用，使3843Pin3腳在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致（一样利用750KΩ~Ω1/4W之間）。

R3，C6，D1（Snubber）:

此三個零件組成Snubber，調整Snubber的目的:

1.當Q1off瞬間會有Spike產生，調整Snubber能够確保Spike不會超過Q1的耐壓值，2.調整Snubber可改善EMI.一样而言，D1利用1N4007（1A/1000V）EMI特性會較好.R3利用2W.電阻，C6的耐壓值以兩端實際壓差為準（一样利用耐壓500V的陶質電容）。

Q1（N-MOS）:

目前常利用的為3A/600V及6A/600V兩種，6A/600V的RDS（ON）較3A/600V小，因此溫昇會較低，假设IDS電流未超過3A，應該先以3A/600V為考量，並以溫昇記錄來驗證，因為6A/600V的價格高於3A/600V許多，Q1的利用亦需考慮VDS是不是超過額定值。

R8:

R8的作用在保護Q1，幸免Q1呈現浮接狀態。

R7（Rs電阻）:

3843Pin3腳電壓最高為1V，R7的大小須與R4配合，以達到高低壓平稳的目的，一样利用2W.電阻，設計時先決定R7後再加上R4補償，一样將3843Pin3腳電壓設計在~之間（視瓦數而定，假设瓦數較小則不能太接近1V，以避免因零件誤差而頂到1V）。

R5，C3（RCfilter）:

濾除3843Pin3腳的雜訊，R5一样利用1KΩ1/8W，C3一样利用102P/50V的陶質電容，C3假设利用電容值較小者，重載可能不開機（因為3843Pin3瞬間頂到1V）;假设利用電容值較大者，也許會有輕載不開機及短路Pin過大的問題。

R9（Q1Gate電阻）:

R9電阻的大小，會影響到EMI及溫昇特性，一样而言阻值大，Q1turnon/turnoff的速度較慢，EMI特性較好，但Q1的溫昇較高、效率較低（主若是因為turnoff速度較慢）;假设阻值較小，Q1turnon/turnoff的速度較快，Q1溫昇較低、效率較高，但EMI較差，一样利用51Ω-150Ω1/8W。

R6，C4（操纵振盪頻率）:

決定3843的工作頻率，可由DataSheet取得R、C組成的工作頻率，C4一样為10nf的電容（誤差為5%），R6利用周密電阻，以DA-14B33為例，C4利用103P/50VPE電容，R6為Ω1/8W周密電阻，振盪頻率約為45KHz。

C5:

功能類似RCfilter，要紧功用在於使高壓輕載較不易振盪，一样利用101P/50V陶質電容。

U1（PWMIC）:

3843是PWMIC的一種，由PhotoCoupler（U2）回授信號操纵DutyCycle的大小，Pin3腳具有限流的作用（最高電壓1V），目前所用的3843中，有KA3843（SAMSUNG）及UC3843BN.）兩種，兩者腳位相同，但產生的振盪頻率略有差異，UC3843BN較KA3843快了約2KHz，fT的增加會衍生出一些問題（例如:

EMI問題、短路問題），因KA3843較難買，因此新機種設計時，儘量利用UC3843BN。

R一、R1一、R1二、C2（一次側迴路增益操纵）:

3843內部有一個ErrorAMP（誤差放大器），R一、R1一、R1二、C2及ErrorAMP組成一個負回授電路，用來調整迴路增益的穩定度，迴路增益，調整不恰當可能會造成振盪或輸出電壓不正確，一样C2利用立式積層電容（溫度持性較好）。

U2（Photocoupler）

光耦合器（Photocoupler）要紧將二次側的信號轉換到一次側（以電流的方式），當二次側的TL431導通後，U2即會將二次側的電流依比例轉換到一次側，此時3843由Pin6（output）輸出off的信號（Low）來關閉Q1，利用Photocoupler的缘故，是為了符合安規需求（primacytosecondary的距離至少需。

R13（二次側迴路增益操纵）:

操纵流過Photocoupler的電流，R13阻值較小時，流過Photocoupler的電流較大，U2轉換電流較大，迴路增益較快（需要確認是不是會造成振盪），R13阻值較大時，流過Photocoupler的電流較小，U2轉換電流較小，迴路增益較慢，雖然較不易造成振盪，但需注意輸出電壓是不是正常。

U3（TL431）、R1五、R1六、R18

調整輸出電壓的大小，

，輸出電壓不可超過38V（因為TL431VKA最大為36V，假设再加Photocoupler的VF值，則Vo應在38V以下較平安），TL431的Vref為，R15及R16並聯的目的使輸出電壓能微調，且R15與R16並聯後的值不可太大（儘量在2KΩ以下），以避免造成輸出不準。

R14，C9（二次側迴路增益操纵）:

操纵二次側的迴路增益，一样而言將電容放大會使增益變慢；電容放小會使增益變快，電阻的特性則剛好與電容相反，電阻放大增益變快；電阻放小增益變慢，至於何謂增益調整的最正确值，則能够Dynamicload來量測，即可取得一個最正确值。

D4（整流二極體）:

因為輸出電壓為，而輸出電壓調整器（OutputVoltageRegulator）利用TL431（Vref=而非TL432（Vref=，因此必須多增加一組繞組提供Photocoupler及TL431所需的電源，因為U2及U3所需的電流不大（約10mA左右），二極體耐壓值100V即可，因此只需利用1N4148100V）。

C8（濾波電容）:

因為U2及U3所需的電流不大，因此只要利用1u/50V即可。

D5（整流二極體）:

輸出整流二極體，D5的利用需考慮:

電流值

二極體的耐壓值

以DA-14B33為例，輸出電流4A，利用10A的二極體（Schottky）應該能够，但經點溫昇驗証後發現D5溫度偏高，因此必須換為15A的二極體，因為10A的VF較15A的VF值大。

耐壓部份40V經驗証後符合，因此最後利用15A/40VSchottky。

C10，R17（二次側snubber）:

D5在截止的瞬間會有spike產生，假设spike超過二極體（D5）的耐壓值，二極體會有被擊穿的危險，調整snubber可適當的減少spike的電壓值，除保護二極體外亦可改善EMI，R17一样利用1/2W的電阻，C10一样利用耐壓500V的陶質電容，snubber調整的過程（264V/63Hz）需注意R17,C10是不是會過熱，應幸免此種情況發生。

C11，C13（濾波電容）:

二次側第一級濾波電容，應利用內阻較小的電容（LXZ，YXA…），電容選擇是不是洽當可依以下三點來判定:

輸出Ripple電壓是符合規格

電容溫度是不是超過額定值

電容值兩端電壓是不是超過額定值

R19（假負載）:

適當的利用假負載可使線路更穩定，但假負載的阻值不可过小，否則會影響效率，利用時亦須注意是不是超過電阻的額定值（一样設計只利用額定瓦數的一半）。

L3，C12（LC濾波電路）:

LC濾波電路為第二級濾波，在不影響線路穩定的情況下，一样會將L3放大（電感量較大），如此C12可利用較小的電容值。

設計驗証:

（可分為三部份）

設計階段驗証

樣品製作驗証

QE驗証

設計階段驗証

設計實驗階段應該養成記錄的習慣，記錄能够驗証實驗結果是不是與電氣規格相符，以下即就DA-14B33設計階段驗証做說明（驗証項目視規格而定）。

電氣規格驗証:

3843PIN3腳電壓（fullload4A）:

90V/47Hz=

115V/60Hz=

132V/60Hz=

180V/60Hz=

230V/60Hz=

264V/63Hz=

DutyCycle,fT:

Vin（min）=100V（90V/47Hzfullload）

Stress（264V/63Hzfullload）:

Q1MOSFET:

D5:

D4:

輔助電源（開機，滿載）、短路Pinmax.:

Static（fullload）

Pin（w）

Iin（A）

Iout（A）

Vout（V）

.

Ripple（mV）

Pout（w）

eff

90V/47Hz

4

32

115V/60Hz

0..31

4

28

132V/60Hz

4

29

180V/60Hz

4

30

230V/60Hz

4

29

264V/60Hz

4

29

FullRange負載

（驗証是不是有振盪現象）

回授失效（輸出輕載）

90V/47HzVout=

264V/63HzVout=

過電流保護）

90V/47Hz=

264V/63Hz=

Pin（max.）

90V/47Hz=

264V/63Hz=

Dynamictest

H=4A，t1=25ms，slewRate=ms（Rise）

L=，t2=25ms，slewRate=ms（Full）

90V/47Hz

264V/63Hz

HI-POTtest:

HI-POTtest一样可分為兩種等級:

輸入為3Pin（有FG者），HI-POTtest為1500Vac/1minute。

Y-CAP利用Y2-CAP

輸入為2Pin（無FG者），HI-POTtest為3000Vac/1minute。

Y-CAP利用Y1-CAP

DA-14B33屬於輸入3PINHI-POTtest為1500Vac/1minute。

Groundingtest:

輸入為3Pin（有FG者），一样均要測接地阻（Groundingtest），安規規定FG到輸出線材（輸出端）的接地電阻不能超過100mΩ（25A/3Second）。

溫昇記錄

設計實驗定案後（暫定），需針對整體溫昇及EMI做評估，假设溫昇或EMI無法符合規格，則需从头實驗。

溫昇記錄請參考附件，D5原來利用BYV118（10A/40VSchottky），因溫昇較高改為PBYR1540CTX（15A/40V）。

EMI測試:

EMI測試分為二類:

Conduction（傳導干擾）

Radiation（幅射干擾）

前者視規範不同而有差異（FCC:

450K-30MHz，CISPR22:

150K-30MHz），前者可利用廠內的頻譜分析儀驗証；後者（範圍由30M-300MHz，則因廠內無設備必須到實驗室驗証，Conduction，Radiation測試資料請參考附件）。

機構尺寸:

設計階段即應對機構尺寸驗証，驗証的項目包括:

PCB尺寸、零件限高、零件禁置區、螺絲孔位置及孔徑、外殼孔寸….，假设設計階段無法驗証，則必須在樣品階段驗証。

樣品驗証:

樣品製作完成後，除溫昇記錄、EMI測試外（是不是需从头驗証，視情況而定），每一台樣品都應經過驗証（包括電氣及機構尺寸），此階段的電氣驗証能够以ATE（Chroma）測試來完成，ATE測試必須與電氣規格相符。

QE驗証:

QE針對工程部所提供的樣品做驗証，工程部應提供以下交件及樣品供QE驗証。