开关电源设计流程.docx

1、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、PCB Layout.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、PCB Layout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(m

2、ax) 依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40為例，100時的B(max)為3900 Gauss，設計時應考慮零件誤差，因此一样取30003500 Gauss之間，假设所設計的power為Adapter(有外殼)則應取3000 Gauss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B

3、obbin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Duty cycle (工作週期):由以下公式可決定Duty cycle ，Duty cycle的設計一样以50%為基準，Duty cycle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(Duty cycle)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

4、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Photo coupler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)=1

5、0mm，Margin Tape = (每邊)，剩餘可繞面積=.假設fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V，=，.=(cos)，Lp=1600 Uh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Margin Tape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利用的線電流密度=可繞圈數=假設Secondary利用的線電流密度=假設利用4P，則電流密度= 可繞圈數=決定Duty cycle:假設Np=44T，Ns=2T，VD=(利用schot

6、tky Diode)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photo coupler上的壓降約，將使得輸出電壓無法推動Photo coupler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利用線，則可繞圈數=，因此可將NA2定為

7、4Tx2P 變壓器的接線圖:x2Px6T零件選用:零件位置(標註)請參考線路圖: (DA-14B33 Schematic)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SCK

8、053(3A/5)，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AC Input有FG(3 Pin)一样利用Y2- Cap ， AC Input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(

9、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(Leakage Current )必須符合安規須求(3Pin公司標準為750uA max)。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: FCC Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 兩種 ， FCC測試頻率在450K30MHz，CISP

10、R 22測試頻率在150K30MHz， 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 1/4W)。LF1(Common Choke):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Common Choke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

11、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AC Input 範圍在90V132V (Vc1 電壓最高約190V)，可利用耐壓200V的電容;假设AC Input 範圍在90V264V(或180V264V)，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FR10

12、5(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PWM IC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PWM IC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

13、能會造成零件損壞，假设在3843 VCC與3843 Pin3腳之間加一個Zener Diode，當回授失效時Zener Diode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3843 VCC所需的電壓，R2阻值較大時，turn on的時間較長，但短路時Pin瓦數較小，R2阻值較小時，turn on的時間較短，短路時Pin瓦數較大，一样利用220K/

14、2W 。. R4 (Line Compensation):高、低壓補償用，使3843 Pin3腳在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致(一样利用750K 1/4W之間)。 R3，C6，D1 (Snubber):此三個零件組成Snubber，調整Snubber的目的:1.當Q1 off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

15、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):3843 Pin3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3843 Pin3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)。 R

16、5，C3(RC filter):濾除3843 Pin3腳的雜訊，R5一样利用1K 1/8W，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3843 Pin3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(Q1 Gate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，Q1 turn on / turn off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turn off速度較慢);假设阻值較小， Q1 turn on / turn off的速度較快，Q1溫昇較低、效率較高，但E

17、MI較差，一样利用51-150 1/8W。 R6，C4(操纵振盪頻率):決定3843的工作頻率，可由Data Sheet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/50V PE電容，R6為 1/8W周密電阻，振盪頻率約為45 KHz。 C5:功能類似RC filter，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(PWM IC):3843是PWM IC的一種，由Photo Coupler (U2)回授信號操纵Duty Cycle的大小，Pin3腳具有限流的作用(最高電壓1V)，目前所

18、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Error AMP(誤差放大器)，R一、R1一、R1二、C2及Error AMP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(Photo co

19、upler)光耦合器(Photo coupler)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Photo coupler的缘故，是為了符合安規需求(primacy to secondary的距離至少需。 R13(二次側迴路增益操纵):操纵流過Photo coupler的電流，R13阻值較小時，流過Photo coupler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Photo coupler

20、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TL431 VKA最大為36V，假设再加Photo coupler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2K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

21、益變慢，至於何謂增益調整的最正确值，則能够Dynamic load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(Output Voltage Regulator)利用TL431(Vref=而非TL432(Vref=，因此必須多增加一組繞組提供Photo coupler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

22、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/40V Schottky。 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

23、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

24、)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:3843 PIN3腳電壓(full load 4A) :90V/47Hz = 115V/60Hz = 132V/60Hz = 180V/60Hz = 230V/60Hz = 264V/63Hz = Duty Cycle , fT: Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)Stress (264V / 63Hz full load) :Q1 MOSFET:D5:

25、D4:輔助電源(開機，滿載)、短路Pin max.: Static (full load)Pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V).Ripple(mV)Pout(w)eff90V/47Hz432115V/60Hz0.31428132V/60Hz429180V/60Hz430230V/60Hz429264V/60Hz429Full Range負載(驗証是不是有振盪現象)回授失效(輸出輕載)90V/47Hz Vout = 264V/63Hz Vout = 過電流保護)90V/47Hz = 264V/63Hz = Pin(max.)90V/47Hz = 264V/63Hz = Dynam

26、ic testH=4A，t1=25ms，slew Rate = ms (Rise)L=，t2=25ms，slew Rate = ms (Full)90V/47Hz264V/63HzHI-POT test:HI-POT test一样可分為兩種等級:輸入為3 Pin(有FG者)，HI-POT test為1500Vac/1 minute。Y-CAP利用Y2-CAP輸入為2 Pin(無FG者)，HI-POT test為3000Vac/1 minute。Y-CAP利用Y1-CAPDA-14B33屬於輸入3 PIN HI-POT test 為1500Vac/1 minute。Grounding test:

27、輸入為3 Pin(有FG者)，一样均要測接地阻(Grounding test)，安規規定FG到輸出線材(輸出端)的接地電阻不能超過100m(25A/3 Second)。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/40V Schottky)，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，CISPR 22 :150K -

28、 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。