开关电源电路设计实例分析设计流程Word文件下载.docx

1、 由以下公式可决定Duty cycle ，Duty cycle 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 = 二次侧圈数 NP = 一次侧圈数 Vo = 输出电压 VD= 二极管顺向电压 Vin（min） = 滤波电容上的谷点电压 D = 工作周期（Duty cycle）3.2.5 决定Ip 值: Ip = 一次侧峰值电流 Iav = 一次侧平均电流 Pout = 输出瓦数 h =效率f = PWM 振荡频率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（

2、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Photo coupler 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。3.2.10 DA-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，Margin Tape = 2.8mm（每边），剩余

3、可绕面积=4.4mm. 假设fT = 45 KHz ，Vin（min）=90V， =0.7，P.F.=0.5（cos ），Lp=1600 Uh 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Margin Tape使用2.8mm，所以剩余可绕面积为4.4mm.2 假设滤波电容使用47uF/400V，Vin（min）暂定90V。l 决定变压器的线径及线数:2 假设NP使用0.32的线电流密度可绕圈数假设Secondary使用0.35的线假设使用4P，则决定Duty cycle:假设Np=44T，Ns=2T，VD=0

4、.5（使用schottky Diode）决定Ip 值:决定辅助电源的圈数:假设辅助电源=12V假设使用0.23的线若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress（应力）:Ns其它:因为输出为3.3V，而TL431 的Vref值为2.5V，若再加上photo coupler 上的压降约1.2V，将使得输出电压无法推动Photo coupler 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0.35线，则所以可将NA2定为4Tx2P变压器的接线图:3.3 零件选用:零件位置（标注）请参考线路图: （DA-14B3

5、3 Schematic）3.3.1 FS1保险丝: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。3.3.2 TR1（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/5），若C1 电容使用较大的值，则必须

6、考虑将热敏电阻的阻值变大（一般使用在大瓦数的Power 上）。3.3.3 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），加上突波吸收器来保护0.32x1Px22T0.35x2Px4T0.35x4Px2T0.23x2Px6TPower（一般常用07D471K），但若有价格上的考虑，可先忽略不装。3.3.4 CY1，CY2（Y-Cap）:Y-Cap 一般可分为Y1 及Y2 电容，若AC Input 有FG（3 Pin）一般使用Y2- Cap ， AC Input 若为2Pin（只有L，N）一般使用Y1-Cap，Y

7、1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（Leakage Current ）必须符合安规须求（3Pin 公司标准为750uAmax）。3.3.5 CX1（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: FCC Part 15J Class B 、 CISPR22

8、（EN55022） Class B 两种 ， FCC测试频率在450K30MHz，CISPR22 测试频率在150K30MHz， 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1.2M 1/4W）。3.3.6 LF1（Common Choke）: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

9、性及温升，以同样尺寸的Common Choke 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。3.3.7 BD1（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。3.3.8 C1（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AC Input 范围在90V132V （Vc1 电压最高约190V），可使用耐压200V 的电容;

10、若AC Input 范围在90V264V（或180V264V），因Vc1 电压最高约380V，所以必须使用耐压400V 的电容。3.3.9 D2（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）3.3.10 R10（辅助电源电阻）:主要用于调整PWM IC 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（

11、或输入瓦数过大）。3.3.11 C7（滤波电容）:辅助电源的滤波电容，提供PWM IC 较稳定的直流电压，一般使用100uf/25V 电容。3.3.12 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高，此时若没有保护电路，可能会造成零件损坏，若在3843VCC 与3843 Pin3 脚之间加一个Zener Diode，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

12、1/2W 即可）.3.3.13 R2（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3843 VCC 所需的电压，R2 阻值较大时，turn on的时间较长，但短路时Pin 瓦数较小，R2 阻值较小时，turn on的时间较短，短路时Pin 瓦数较大，一般使用220K/2W M.O。3.3.14 R4 （Line Compensation）:高、低压补偿用，使3843 Pin3 脚在90V/47Hz 及264V/63Hz 接近一致（一般使用750K1.5M 1/4W 之间）。3.3.15 R3，C6，D1 （Snubber）:此三个零件组成Snubber

13、，调整Snubber 的目的:1.当Q1 off 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2W M.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）。3.3.16 Q1（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

14、/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。3.3.17 R8:R8 的作用在保护Q1，避免Q1 呈现浮接状态。3.3.18 R7（Rs 电阻）:3843 Pin3 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2W M.O.电阻，设计时先决定R7 后再加上R4 补偿，一般将3843 Pin3 脚电压设计在0.85V0.95V 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）。3.3.19 R5，C3（RC filter）:滤除3843 Pin3 脚的噪声，R5 一般使用1K 1/8W，C3 一般

15、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3843 Pin3 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。3.3.20 R9（Q1 Gate 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，Q1 turnon / turn off 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turn off速度较慢）;若阻值较小， Q1 turn on / turn off 的速度较快，Q1 温升较低、效率较高，但EMI 较差，一般使用51-150 1/8W。3.3.21 R6，C4（控制振荡

16、频率）:决定3843 的工作频率，可由Data Sheet 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/50V PE电容，R6 为3.74K 1/8W 精密电阻，振荡频率约为45 KHz。3.3.22 C5:功能类似RC filter，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。3.3.23 U1（PWM IC）:3843 是PWM IC 的一种，由Photo Coupler （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3

17、843 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。3.3.24 R1、R11、R12、C2（一次侧回路增益控制）:3843 内部有一个Error AMP（误差放大器），R1、R11、R12、C2 及Error AMP 组成一个负反馈电路，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

18、较）。3.3.25 U2（Photo coupler）光耦合器（Photo coupler）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Photo coupler 的原因，是为了符合安规需求（primacy tosecondary的距离至少需5.6mm）。3.3.26 R13（二次侧回路增益控制）:控制流过Photo coupler的电流，R13 阻值较小时，流过Photo coupler的电流较大，U2 转换电流较大，回路增益较快

19、（需要确认是否会造成振荡），R13 阻值较大时，流过Photo coupler 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。3.3.27 U3（TL431）、R15、R16、R18调整输出电压的大小，输出电压不可超过38V（因为TL431 VKA最大为36V，若再加Photo coupler 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2K以下），以免造成输出不准。3.3.28 R14，C9（二次侧回路增益控制）:控制二次

20、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Dynamic load 来量测，即可取得一个最佳值。3.3.29 D4（整流二极管）:因为输出电压为3.3V，而输出电压调整器（Output Voltage Regulator）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Photo coupler 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1N4

21、148（0.15A/100V）。3.3.30 C8（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。3.3.31 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/40V Schottky。3.3.32 C10，R17（二次侧snubber） :D5 在截止的瞬间会有spike 产生，

22、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。3.3.33 C11，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3.3.34 R19（假负载）:适当的

23、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）。3.3.35 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。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:4.1.1.1 3843 PIN

24、3 脚电压（full load 4A） :90V/47Hz = 0.83V115V/60Hz = 0.83V132V/60Hz = 0.83V180V/60Hz = 0.86V230V/60Hz = 0.88V264V/63Hz = 0.91V4.1.1.2 Duty Cycle , fT:4.1.1.3 Vin（min） = 100V （90V / 47Hz full load）4.1.1.4 Stress （264V / 63Hz full load） :4.1.1.5 辅助电源（开机，满载）、短路Pin max.:4.1.1.6 静态（满负荷）Pin（w）Iin（A）Iout（A）Vou

25、t（V）P.F.Ripple（mV）Pout（w）eff90V/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60.310.522871.1132V/60Hz0.280.5029180V/60Hz0.210.493013.23230V/60Hz18.90.180.4669.9264V/60Hz19.20.160.4568.94.1.1.7 Full Range 负载（0.3A-4A）（验证是否有振荡现象）4.1.1.8 反馈失效（输出轻载）90V/47Hz Vout = 8.3V264V/63Hz Vout = 6.03V4.1.1.9 O.C.P.（

26、过电流保护）90V/47Hz = 7.2A264V/63Hz = 8.4A4.1.1.10 Pin（max.）90V/47Hz = 24.9W264V/63Hz = 27.1W4.1.1.11 Dynamic testH=4A，t1=25ms，slew Rate = 0.8A/ms （Rise）L=0.3A，t2=25ms，slew Rate = 0.8A/ms （Full）4.1.1.12 HI-POT test:HI-POT test 一般可分为两种等级:输入为3 Pin（有FG 者），HI-POT test 为1500Vac/1 minute。Y-CAP 使用Y2-CAP输入为2 Pin

27、（无FG 者），HI-POT test 为3000Vac/1 minute。Y-CAP 使用Y1-CAPDA-14B33 属于输入3 PIN HI-POT test 为1500Vac/1 minute。4.1.1.13 Grounding test:输入为3 Pin（有FG 者），一般均要测接地阻（Grounding test），安规规定FG 到输出线材（输出端）的接地电阻不能超过100m（25A/3 Second）。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/40V Schottky），因温升较高改为PBYR1540CTX（15A/40V）。4.1.1.15 EMI 测试:EMI 测试分为二类:Conduction（传导干扰）Radiation（幅射干扰）前者视规范不同而有差异（FCC : 450K - 30MHz，CISPR 22 :150K- 30MHz），前者可利用厂内的频谱分析仪