开关电源电路中每个元件的作用及参数计算.docx
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开关电源电路中每个元件的作用及参数计算
开关电源电路中每个元件的作用及计算
本次讲解电源以一个13.2W电源为例
输入：
AC90~264V输出:
3.3V/4A原理图
SZr/77ΓT1Γ∏
变圧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耍的。
决定变压器的材质及尺寸：
依据变圧器计算公式
-S（IlIaX）=^^xlOOGClItSS
NPXAe
■B（InaX）=铁心饱介的磁通密度（GaUSS）
■LP=—次侧电感值（UH）
^IP≡次侧峰侑电流（A）
^NP≡一次側（主线圈）圈数
^Ae-铁心戯而^（ClIr）
PB（InaX）依铁心的材质及木自的温度来决立・以TDKFeniteCOrePC40为例∙100*C时的B（max）为3900Gauss.设汁时应考虑零件误差•所以一般取3000-3500GauSS21间•托所段汁的POWer为AdaPter（⅛外先测应取3000GMlSS左右.以避免佚心因局温向饱合•一股血言铁心的尺寸越大.Ae越A¾∙所以可以做较大瓦数的POwer=
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。
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的槽竞，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。
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，DUty
CyCle若超过50%易导致振荡的发生。
NS_（Fo+TD）X（I-D）
NPP‰（min）;TD
>NS=二次侧圈数
>NP=一次侧圈数
》VO=输出电丿卡.
>Λ⅛=二极管顺向电压
>VilI（1】Iln）=滤波电容上的谷点电压
>D=匸作周期（DUtyCyCle）
决定IP值:
JT1WTPOHtFn7（Inin）P
IP=IaV+—ΔZIaV=:
Δ/=X—
2VJH（nyin）xDxηLPf
”IP=一次侧峰值电流
厂IaV=一次侧平均电流
”PoUt=输岀瓦数
>η=效率
，f=p∖vm震荡频率
决定辅助电源的圈数：
依据变圧器的圈比关系，可决定辅助电源的圈数及电圧。
决定MOSFET及二次侧二极管的StreSS（应力）:
依据变圧器的圈比关系，可以初步计算出变圧器的应力（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。
其它：
若输出电压为5V以下，Jl必须使用TL431而非TL432时，须考虑多一组绕组提供PhotoCOUPler及TL431使用。
将所得资料代入
5（max）=SX"xL00GCIlfSS
NPXAe
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。
变压器计算：
输出瓦数13.2W（3.3V∕4A）,COre=EI"28t可绕面积（槽宽）=1OmmfMarginTaPe=
2.8mm（每边），剰余可绕面积=4.4mm・
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=O.86cm2,可绕面积（槽宽）=1Omnι,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:
决定辅助电源的圈数:
假设辅助电源=UV
假设使用0.23Ψ的线
44
可绕圈数=:
二19.13圈
（0.23+0.02）
若NAl=6Tx2P,则辅助电源=11.4V
决定MOSFET及二次侧二极管的StreSS（应力）:
Nt、
MoSFET（QI）=最高籀入IliIK（3SOVH—+VD）
NS
=380÷≡（33÷0.5）
=463.6V
s3∙3+⅛x38°
=20.57V
yv
DIO（Ie（D4）=輸出電啄CVj十—并最∣⅛輸入電哄（3807）
…NP
=6.6÷-x380=4Γ4V
其它：
因为输出为3・3V,而TL431的Vref值为2.5V,若再加上PhOtOCoUPIer±的圧降约1.2V,将使得输出电压无法推动PhotOCoUPIer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iSNA2∙4T便用O∙35H∕线.则
变压器的接线图:
A
O・32GXlpXnT
O.23φx2Px6TN4
<5）1⑥
零件选用：
•FS1：
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（InaX）时的Iin是否会超过保险丝的额定值。
•TRK热敏电阻）：
电源激活的瞬间，由T-CK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CI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）。
•VDR1（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），加上突波吸收器來保护PoWer（—般常用07D471K）,但若有价格上的考量，可先忽略不装。
∙CY1,CY2（Y-Cap）:
Y-CaP-般可分为Yl及Y2电容，若ACInPUt有FG（3Pin）—般使用Y2-CaP,ACInPUt若为2Pin（只有L,N）—般使用Yl-Cap,YI与Y2的差异，除了价格外（Yl较昂贵），绝缘等级及耐圧亦不同（Yl称为双重绝缘，绝缘耐压约为Y2的两倍,IL在电容的本体上会有“回”符号或注明Yl）,此电路因为有FG所以使用Y2-Cap,Y-Cap会影响EHl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）。
•CXI（X-CaP）、RXl:
X-CaP为防制EMl零件，EMI可分为COndUCtiOn及RadiatiOn两部分，CondUCtiOn规范一般可分为：
FCCPart15JCIaSSB、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EMl防制有效，一般而言X-Cap愈大，EMl防制效果愈好（但价格愈高），若X-CaP在O.22uf以上（包含0.22uf）,安规规定必须要有泄放电阻（RX1,—般为1.2MQ1/4W）（S
∙LF1（Co≡onChOke）:
EMI防制零件，主要影响COndUCtiOn的中、低频段，设计时必须同时考虑EHl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），EMl防制效果愈好，但温升可能较高。
•BDK整流二极管）:
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。
∙C1（滤波电容）：
由CI的大小（电容值）可决定变圧器计算中的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（VCI电压最高约190V）,可使用耐1⅛200V的电容;若AC
InPUt范围在90V"264V（或180V~264V）,因VCI电压最高约380V,所以必须使用耐压400V的电容。
∙D2（辅助电源二极管）：
整流二极管，一般常用FR105（lA∕600V）或BYT42M（1A/IoOoV）,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（FRIO5=1.2V,BYT42M=1.4V）
RIO（Jffi助电源电阻）：
主要用于调整PWMlC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）。
∙C7（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IOOUf∕25V电容。
∙Z1（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髙，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
IV,以此可限制输出电压，达到保护零件的目的.Zl值的大小取决于辅助电源的高低，ZI的决定亦须考虑是否超过Ql的VGS耐压值,原则上使用公司的现有料（一般使用1/2W即可）。
∙R2（激活电阻）：
提供3843第一次激活的路径，第一次激活时透过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220KQ/2WM.0。
∙R4（LineCOmPenSatiOn）:
高、低圧补偿用，使3843Pin3脚在90V∕47Hz及264V∕63Hz接近一致（一般使用750KQ~l.5MQ1/4W之间）。
∙R3,C6,DI（SnUbber）:
此三个零件组成Snubber,调整SnUbber的目的：
1.当QIoff瞬间会有SPike产生，调整SnUbber可以确保SPike不会超过Ql的耐圧值，2.调整SnUbber可改善EMl.—般而言,Dl使用1N4OO7（1A∕IOOOV）EMl特性会较好.R3使用2WM.0.
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）。
•QI（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为考量，并以温升记录來验证，因为6A/600V的价格高于3A/600V许多，QI的使用亦需考虑VDS是否超过额定值。
•R8:
R8的作用在保护Ql,避免Ql呈现浮接状态。
∙R7（RS电阻）:
3843Pin3脚电压最高为IV,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.0.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IV,以免因零件误差而顶到IV）o
∙R5,C3（RCfilter）:
滤除3843Pin3脚的噪声，R5—般使用IKQ1∕8W,C3—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IV）;若使用电容值较大者，也许会有轻載不开机及短路Pin过大的问题。
∙R9（Q1Gate电阻）：
R9电阻的大小，会影响到EMl及温升待性，一般而言阻值大，QIturnOn/turnOff的速度较慢，EHl特性较好，但Ql的温升较高、效率较低（主要是因为turnOff速度较慢）；若阻值较小，QIturnOn/turnOff的速度较快，Ql温升较低、效率较高，但EHl较差，一般使用51Ω-150Ω1/8WO
∙R6,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Ionf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3.74KQ1/8W精密电阻，振荡频率约为45KHZO
•C5:
功能类似RCfilter,主要功用在于使高压轻載较不易振荡，一般使用101P/50V陶质电容。
∙U1（PWMIC）:
3843是PWMIC的一种，由PhOtOCOUPler（U2）回授信号控制DUtyCyCIe的大小,Pin3脚具有限流的作用（最高电压IV）,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的増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UC3843BN0
•Rl、RlKRI2、C2（—次侧回路增益控制）:
3843内部有一个ErrOrAMP（误差放大器），Rl、RH.Rl2、C2及ErrOrAMP组成一个负回授电路，用來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）。
∙U2（PhOtOCOUPIer）光耦合器（PhOtOCOUPIer）主耍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Ql,使用PhOtOCOUPIer的原因，是为了符合安规需求（PrimaCytoSeCOndary的距离至少需5.6mm）
∙R13（二次侧回路增益控制）：
控制流过PhotOCOUPIer的电流，R13阻值较小时，流过PhOtOCOUPIer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PhOtoCoUPIer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。
∙U3（TL431）∖RI5、Rl6、R18调整输出电压的大小，
VO=VrefX
（R13∕∕R16）+R18
（M5∕∕Λ16）-,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，ILRI5与R16并联后的值不可太大（尽量在2KQ以下），以免造成输出不准。
∙R14,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DynamiCIoad來量测，即可取得一个最佳值。
∙D4（整流二极管）：
因为输出电压为3.3V,而输岀电圧调整器（OUtPUtVOItageRegUIatOr）使用TL431（Vref=2.5V）而非TL432（Vref=l.25V）,所以必须多增加一组绕组提供PhOtoCOUPIer及TL431所需的电源，因为U2及U3所需的电流不大（约IOmA左右），二极管耐压值IOOV即可，所以只需使用1N4148（O.15A/100V）。
∙C8（滤波电容）：
因为U2及U3所需的电流不大，所以只要使用lu∕50V即可。
∙D5（整流二极管）：
输出整流二极管，D5的使用需考虑:
a.电流值b.二极管的耐圧值以此为例，输出电流4A,使用IOA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IoA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∕40VSChottkyo
•CIO,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，ClO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。
•Cll,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（LX乙YXA-）,电容选择是否洽当可依以下三点來判定:
a∙输出RiPPIe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
∙R19（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）。
∙L3,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。
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