开关电源实例设计.docx

1、开关电源实例设计开关电源电路设计实例分析(设计流程)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、PCB Layout.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、PCB Layout 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B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss)Lp = 一次侧

2、电感值(uH)Ip = 一次侧峰值电流(A)Np = 一次侧(主线圈)圈数Ae = 铁心截面积(cm2)B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK FerriteCore PC40 为例，100时的B(max)为3900 Gauss，设计时应考虑零件误差，所以一般取30003500 Gauss 之间，若所设计的power 为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss 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

3、)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。设计流程简介3.2.4 决定Duty cycle (工作周期): 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

4、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(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TL

5、432 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，A

6、e=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=0.5(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

7、: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-14B33 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

8、(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

9、保护0.32x1Px22T0.32x1Px22T0.35x2Px4T0.35x4Px2T0.23x2Px6T设计流程简介Power(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，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-

10、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(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，Radiat

11、ion 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

12、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;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FR

13、105(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(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

14、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

15、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，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

16、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/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):

17、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.

18、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10

19、3P/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

20、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

21、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(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 U

22、3(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

23、 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1N4148(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

24、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，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，C1

25、0一般使用耐压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

26、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 PIN3 脚电压(full load 4A) :90V/47Hz = 0.83V115V/60Hz = 0.83V132V/60Hz = 0.83V180V/60Hz = 0.86V230V/6

27、0Hz = 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)Vout(V)P.F.Ripple(mV)Pout(w)eff90V/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60.3143.300.522813

28、.2271.1132V/60Hz18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60Hz18.70.2143.300.493013.2370.7230V/60Hz18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60Hz19.20.1643.300.452913.2368.94.1.1.7 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.(过电流保护)90V/47Hz = 7.2A264V/63H

29、z = 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(无FG 者)，HI-POT test 为3000Vac/

30、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验证；后者(范围