開關(guān)電源設(shè)計全過程

1、開關(guān)電源設(shè)計全過程1 目的希翼以簡短的篇幅,將公司目前設(shè)計的流程做介紹,若有介紹不當(dāng)之處,請不吝指教.2 設(shè)計步驟:2.1 繪線路圖、 layout.2.2 變壓器計算.2.3 零件選用.2.4 設(shè)計驗證.3 設(shè)計流程介紹(以da-14b33為例):3.1 線路圖、pcb layout請參考資識庫中說明.3.2 變壓器計算:變壓器是整個電源供應(yīng)器的重要核心,所以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.3.2.1 決定變壓器的材質(zhì)及尺寸:依據(jù)變壓器計算公式b(max) = 鐵心飽合的磁通密度(gauss)?lp = 一次側(cè)電感值(uh)?ip = 一次側(cè)峰值電流(a)

2、np = 一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)?ae = 鐵心截面積(cm2)?b(max)? 依鐵心的材質(zhì)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(shè)計時應(yīng)考慮零件誤差,所以普通取30003500 gauss之間,若所設(shè)計的power為adapter(有外殼)則應(yīng)取3000 gauss左右,以避開鐵心因高溫而飽合,普通而言鐵心的尺寸越大,ae越高,所以可以做較大瓦數(shù)的power.3.2.2 決定一次側(cè)濾波電容:濾波電容的決定,可以決定電容器上的vin(min),濾波電容越大,vin(win)越高,可以做較大瓦數(shù)的power,但相對價格

3、亦較高.3.2.3 決定變壓器線徑及線數(shù):當(dāng)變壓器決定後,變壓器的bobbin即可決定,依據(jù)bobbin的槽寬,可決定變壓器的線徑及線數(shù),亦可計算出線徑的電流密度,電流密度普通以6a/mm2為參考,電流密度對變壓器的設(shè)計而言,只能當(dāng)做參考值,最終應(yīng)以溫昇記錄為準(zhǔn).3.2.4 決定duty cycle (工作週期):由以下公式可決定duty cycle ,duty cycle的設(shè)計普通以50%為基準(zhǔn),duty cycle若超過50%易導(dǎo)致振蕩的發(fā)生.ns = 二次側(cè)圈數(shù)?np =? 一次側(cè)圈數(shù)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

4、期(duty cycle)3.2.5 決定ip值:ip = 一次側(cè)峰值電流?iav = 一次側(cè)平均電流?pout = 輸出瓦數(shù)?效率?震盪頻率? 3.2.6 決定輔助電源的圈數(shù):依據(jù)變壓器的圈比關(guān)係,可決定輔助電源的圈數(shù)及電壓.3.2.7 決定及二次側(cè)二極體的stress(應(yīng)力):依據(jù)變壓器的圈比關(guān)係,可以初步計算出變壓器的應(yīng)力(stress)是否符合選用零件的規(guī)格,計算時以輸入電壓264v(電容器上為380v)為基準(zhǔn).3.2.8 其它:若輸出電壓為5v以下,且必須用法tl431而非tl432時,須考慮多一組繞組提供photo coupler及tl431用法.3.2.9 將所得資料代入 公式中

5、,如此可得出b(max),若b(max)值太高或太低則參數(shù)必須重新調(diào)整.3.2.10 da-14b33變壓器計算:輸出瓦數(shù)13.2w(3.3v/4a),core = ei-28,可繞面積(槽寬)=10mm,margin tape =? 2.8mm(每邊),剩餘可繞面積=4.4mm.假設(shè)ft = 45 khz ,vin(min)=90v,? =0.7,p.f.=0.5(cos),lp=1600 uh計算式:?變壓器材質(zhì)及尺寸:? 由以上假設(shè)可知材質(zhì)為pc-40,尺寸=ei-28,ae=0.86cm2,可繞面積(槽寬)=10mm,因margin tape用法2.8mm,所以剩餘可繞面積為4.4mm

6、. 假設(shè)濾波電容用法47uf/400v,vin(min)暫定90v. 決定變壓器的線徑及線數(shù):假設(shè)np用法0.32的線?電流密度=可繞圈數(shù)=假設(shè)secondary用法0.35的線電流密度=假設(shè)用法4p,則?電流密度=可繞圈數(shù)=決定duty? cycle:假設(shè)np=44t,ns=2t,vd=0.5(用法schottky diode)?決定ip值:?決定輔助電源的圈數(shù):假設(shè)輔助電源=12vna1=6.3圈假設(shè)用法0.23的線可繞圈數(shù)=若na1=6tx2p,則輔助電源=11.4v決定mosfet及二次側(cè)二極體的stress(應(yīng)力):?mosfet(q1) =最高輸入電壓(380v)+ =463.6v

7、diode(d5)=輸出電壓(vo)+ x最高輸入電壓(380v)=20.57vdiode(d4)= =41.4v其它:?因為輸出為3.3v,而tl431的vref值為2.5v,若再加上photo coupler上的壓降約1.2v,將使得輸出電壓無法推動photo coupler及tl431,所以必須另外增強(qiáng)一組線圈提供迴授路徑所需的電壓.假設(shè)na2 = 4t用法0.35線,則可繞圈數(shù)= ,所以可將na2定為4tx2p?變壓器的接線圖:?3.3 零件選用:零件位置(標(biāo)注)請參考線路圖: (da-14b33 schematic)3.3.1 fs1:由變壓器計算得到iin值,以此iin值(0.42

8、a)可知用法公司共用料2a/250v,設(shè)計時亦須考慮pin(max)時的iin是否會超過保險絲的額定值.3.3.2 tr1(熱敏電阻):電源啟動的瞬間,由於c1(一次側(cè)濾波電容)短路,導(dǎo)致iin電流很大,雖然時間很短暫,但亦可能對power產(chǎn)生傷害,所以必須在濾波電容之前加裝一個熱敏電阻,以限制開機(jī)瞬間iin在spec之內(nèi)(115v/30a,230v/60a),但因熱敏電阻亦會消耗功率,所以不行放太大的阻值(否則會影響效率),普通用法sck053(3a/5),若c1電容用法較大的值,則必須考慮將熱敏電阻的阻值變大(普通用法在大瓦數(shù)的power上).3.3.3 vdr1(突波汲取器):當(dāng)雷極發(fā)生

9、時,可能會損壞零件,進(jìn)而影響power的正常動作,所以必須在靠ac輸入端 (fuse之後),加上突波汲取器來保護(hù)power(普通常用07d471k),但若有價格上的考量,可先忽視不裝.3.3.4 cy1,cy2(y-cap):y-cap普通可分為y1及y2電容,若ac input有fg(3 pin)普通用法y2- cap , ac input若為2pin(惟獨l,n)普通用法y1-cap,y1與y2的差異,除了價分外(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所以用法y2-cap,y-cap會影響emi

10、特性,普通而言越大越好,但須考慮漏電及價格問題,漏電(leakage current )必須符合安規(guī)需求(3pin公司標(biāo)準(zhǔn)為750ua max).3.3.5 cx1(x-cap)、rx1:x-cap為防制emi零件,emi可分為conduction及radiation兩部分,conduction規(guī)範(fàn)普通可分為: fcc part 15j class b 、 cispr 22(en55022) class b 兩種 , fcc測試頻率在450k30mhz,cispr 22測試頻率在150k30mhz, conduction可在廠內(nèi)以頻譜分析儀驗證,radiation 則必須到實驗室驗證,x-ca

11、p 普通對低頻段(150k 數(shù)m之間)的emi防制有效,普通而言x-cap愈大,emi防制效果愈好(但價格愈高),若x-cap在0.22uf以上(包含0.22uf),安規(guī)規(guī)定必須要有洩放電阻(rx1,普通為1.2m 1/4w).3.3.6 lf1(common choke):emi防制零件,主要影響conduction 的中、低頻段,設(shè)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(shù)愈多(相對的線徑愈細(xì)),emi防制效果愈好,但溫昇可能較高.3.3.7 bd1(整流二極體):將ac電源以全波整流的方式轉(zhuǎn)換為dc,由變壓器所計算出的iin值,可知只要用法1a/6

12、00v的整流二極體,因為是全波整流所以耐壓只要600v即可.3.3.8 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,此部分可在電路中實際驗證vin(min)是否正確,若ac input 範(fàn)圍在90v132v (vc1 電壓最高約190v),可用法耐壓200v的電容;若ac input 範(fàn)圍在90v264v(或180v264v),因vc1電壓最高約380v,所以必須用法耐壓400v的電容.re:開關(guān)電方設(shè)計?過算 3.3.9 d2(輔助電源二極體):整流二極體,普通常用fr105(1a/600v)或byt42m(1

13、a/1000v),兩者主要差異:1. 耐壓不同(在此處用法差異無所謂)2. vf不同(fr105=1.2v,byt42m=1.4v)3.3.10 r10(輔助電源電阻):主要用於調(diào)整pwm ic的vcc電壓,以目前用法的3843而言,設(shè)計時vcc必須大於8.4v(min. load時),但為考慮輸出短路的情況,vcc電壓不行設(shè)計的太高,以免當(dāng)輸出短路時不保護(hù)(或輸入瓦數(shù)過大).3.3.11 c7(濾波電容):輔助電源的濾波電容,提供pwm ic較穩(wěn)定的直流電壓,普通用法100uf/25v電容.3.3.12 z1(zener 二極體):當(dāng)回授失效時的保護(hù)電路,回授失效時輸出電壓沖高,輔助電源電壓

14、相對提高,此時若沒有保護(hù)電路,可能會造成零件損壞,若在3843 vcc與3843 pin3腳之間加一個zener diode,當(dāng)回授失效時zener diode會崩潰,使得pin3腳提前到達(dá)1v,以此可限制輸出電壓,達(dá)到保護(hù)零件的目的.z1值的大小取決於輔助電源的凹凸,z1的決定亦須考慮是否超過q1的vgs耐壓值,原則上用法公司的現(xiàn)有料(普通用法1/2w即可).3.3.13 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(shù)較小,r2阻值較小時,turn on的時間較短,

15、短路時pin瓦數(shù)較大,普通用法220k/2w m.o.3.3.14 r4 (line compensation):高、低壓補(bǔ)償用,使3843 pin3腳在90v/47hz及264v/63hz臨近全都(普通用法750k1.5m 1/4w之間).3.3.15 r3,c6,d1 (snubber):此三個零件組成snubber,調(diào)整snubber的目的:1.當(dāng)q1 off瞬間會有spike產(chǎn)生,調(diào)整snubber可以確保spike不會超過q1的耐壓值,2.調(diào)整snubber可充實emi.普通而言,d1用法1n4007(1a/1000v)emi特性會較好.r3用法2w m.o.電阻,c6的耐壓值以兩端

16、實際壓差為準(zhǔn)(普通用法耐壓500v的陶質(zhì)電容).3.3.16 q1(n-mos):目前常用法的為3a/600v及6a/600v兩種,6a/600v的rds(on)較3a/600v小,所以溫昇會較低,若ids電流未超過3a,應(yīng)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的用法亦需考慮vds是否超過額定值.3.3.17 r8:r8的作用在保護(hù)q1,避開q1呈現(xiàn)浮接狀態(tài).3.3.18 r7(rs電阻):3843 pin3腳電壓最高為1v,r7的大小須與r4協(xié)作,以達(dá)到凹凸壓平衡的目的,普通用法2w m.o.電阻,設(shè)計時先決定r7後再加上r4補(bǔ)償

17、,普通將3843 pin3腳電壓設(shè)計在0.85v0.95v之間(視瓦數(shù)而定,若瓦數(shù)較小則不能太臨近1v,以免因零件誤差而頂?shù)?v).3.3.19 r5,c3(rc filter):濾除3843 pin3腳的雜訊,r5普通用法1k 1/8w,c3普通用法102p/50v的陶質(zhì)電容,c3若用法電容值較小者,重載可能不開機(jī)(因為3843 pin3瞬間頂?shù)?v);若用法電容值較大者,也許會有輕載不開機(jī)及短路pin過大的問題.3.3.20 r9(q1 gate電阻 ):r9電阻的大小,會影響到emi及溫昇特性,普通而言阻值大,q1 turn on / turn off的速度較慢,emi特性較好,但q1的

18、溫昇較高、效率較低(主要是因為turn off速度較慢);若阻值較小, q1 turn on / turn off的速度較快,q1溫昇較低、效率較高,但emi較差,普通用法51-150 1/8w.3.3.21 r6,c4(控制振蕩頻率):決定3843的工作頻率,可由data sheet得到r、c組成的工作頻率,c4普通為10nf的電容(誤差為5%),r6用法精密電阻,以da-14b33為例,c4用法103p/50v pe電容,r6為3.74k 1/8w精密電阻,振蕩頻率約為45 khz. 3.3.22 c5:功能類似rc filter,主要功用在於使高壓輕載較不易振蕩,普通用法101p/50v

19、陶質(zhì)電容.3.3.23 u1(pwm ic):3843是pwm ic的一種,由photo coupler (u2)回授信號控制duty cycle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(s.t.)兩種,兩者腳位相同,但產(chǎn)生的振蕩頻率略有差異,uc3843bn較ka3843快了約2khz,ft的增強(qiáng)會衍生出一些問題(例如:emi問題、短路問題),因ka3843較難買,所以新機(jī)種設(shè)計時,盡量用法uc3843bn.3.3.24 r1、r11、r12、c2(一次側(cè)迴路增益控制):3843內(nèi)部有一個error amp(誤

20、差),r1、r11、r12、c2及error amp組成一個負(fù)回授電路,用來調(diào)整迴路增益的穩(wěn)定度,迴路增益,調(diào)整不恰當(dāng)可能會造成振蕩或輸出電壓不正確,普通c2用法立式積層電容(溫度持性較好).3.3.25 u2(photo coupler)光耦合器(photo coupler)主要將二次側(cè)的信號轉(zhuǎn)換到一次側(cè)(以電流的方式),當(dāng)二次側(cè)的tl431導(dǎo)通後,u2即會將二次側(cè)的電流依比例轉(zhuǎn)換到一次側(cè),此時3843由pin6 (output)輸出off的信號(low)來關(guān)閉q1,用法photo coupler的緣由,是為了符合安規(guī)需求(primacy to secondary的距離起碼需5.6mm).3

21、.3.26 r13(二次側(cè)迴路增益控制):控制流過photo coupler的電流,r13阻值較小時,流過photo coupler的電流較大,u2轉(zhuǎn)換電流較大,迴路增益較快(需要確認(rèn)是否會造成振蕩),r13阻值較大時,流過photo coupler的電流較小,u2轉(zhuǎn)換電流較小,迴路增益較慢,雖然較不易造成振蕩,但需注重輸出電壓是否正常.3.3.27 u3(tl431)、r15、r16、r18調(diào)整輸出電壓的大小, ,輸出電壓不行超過38v(因為tl431 vka最大為36v,若再加photo coupler的vf值,則vo應(yīng)在38v以下較平安),tl431的vref為2.5v,r15及r16並

22、聯(lián)的目的使輸出電壓能微調(diào),且r15與r16並聯(lián)後的值不行太大(盡量在2k以下),以免造成輸出不準(zhǔn).3.3.28 r14,c9(二次側(cè)迴路增益控制):控制二次側(cè)的迴路增益,普通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(diào)整的最佳值,則可以dynamic load來量測,即可取得一個最佳值.3.3.29 d4(整流二極體):因為輸出電壓為3.3v,而輸出電壓調(diào)整器(output voltage regulator)用法tl431(vref=2.5v)而非tl432(vref=1.25v),所以必須多增強(qiáng)一組繞組提供

23、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,所以只需用法1n4148(0.15a/100v).3.3.30 c8(濾波電容):因為u2及u3所需的電流不大,所以只要用法1u/50v即可.3.3.31 d5(整流二極體):輸出整流二極體,d5的用法需考慮: a. 電流值b. 二極體的耐壓值以da-14b33為例,輸出電流4a,用法10a的二極體(schottky)應(yīng)該可以,但經(jīng)點溫昇驗証後發(fā)現(xiàn)d5溫度偏高,所以必須換為15a的二極體,因為10a的vf較15a的vf 值大.耐壓部分40v經(jīng)驗証後符合,因此最後用法15a

24、/40v schottky.3.3.32 c10,r17(二次側(cè)snubber) :d5在截止的瞬間會有spike產(chǎn)生,若spike超過二極體(d5)的耐壓值,二極體會有被擊穿的危險,調(diào)整snubber可適當(dāng)?shù)臏p少spike的電壓值,除保護(hù)二極體外亦可充實emi,r17普通用法1/2w的電阻,c10普通用法耐壓500v的陶質(zhì)電容,snubber調(diào)整的過程(264v/63hz)需注重r17,c10是否會過熱,應(yīng)避開此種情況發(fā)生.3.3.33 c11,c13(濾波電容):二次側(cè)第一級濾波電容,應(yīng)用法內(nèi)阻較小的電容(lxz,yxa),電容選擇是否洽當(dāng)可依以下三點來判定:a. 輸出ripple電壓是符

25、合規(guī)格b. 電容溫度是否超過額定值c. 電容值兩端電壓是否超過額定值3.3.34 r19(假負(fù)載):適當(dāng)?shù)挠梅儇?fù)載可使線路更穩(wěn)定,但假負(fù)載的阻值不行太小,否則會影響效率,用法時亦須注重是否超過電阻的額定值(普通設(shè)計只用法額定瓦數(shù)的一半).3.3.35 l3,c12(lc濾波電路):lc濾波電路為其次級濾波,在不影響線路穩(wěn)定的情況下,普通會將l3 放大(電感量較大),如此c12可用法較小的電容值.4 設(shè)計驗證可分為三部分)a. 設(shè)計階段驗證b. 樣品製作驗證c. qe驗證4.1 設(shè)計階段驗證設(shè)計實驗階段應(yīng)該養(yǎng)成記錄的習(xí)慣,記錄可以驗證實驗結(jié)果是否與電氣規(guī)格相符,以下即就da-14b33設(shè)計階段

26、驗證做說明(驗證項目視規(guī)格而定).4.1.1 電氣規(guī)格驗證:4.1.1.1 3843 pin3腳電壓(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) :q1 mosfet:4.1.1.5 輔助電源(

27、開機(jī),滿載)、短路pin max.:4.1.1.6 static (full load)pin(w) iin(a) iout(a) vout(v) p.f. ripple(mv) pout(w) eff90v/47hz 18.7 0.36 4 3.30 0.57 32 13.22 70.7115v/60hz 18.6 0.31 4 3.30 0.52 28 13.22 71.1132v/60hz 18.6 0.28 4 3.30 0.50 29 13.22 71.1180v/60hz 18.7 0.21 4 3.30 0.49 30 13.23 70.7230v/60hz 18.9 0.18

28、4 3.30 0.46 29 13.22 69.9264v/60hz 19.2 0.16 4 3.30 0.45 29 13.23 68.94.1.1.7 full range負(fù)載(0.3a-4a)(驗證是否有振蕩現(xiàn)象)4.1.1.8 回授失效(輸出輕載)vout = 8.3v?90v/47hzvout = 6.03v?264v/63hz4.1.1.9 o.c.p.(過電流保護(hù))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 (ful