開關(guān)電源研發(fā)與設(shè)計(jì)說明

1、 . . 18/18開關(guān)電源研發(fā)與設(shè)計(jì) 日期：目的希望以簡短的篇幅，將公司目前設(shè)計(jì)的流程做介紹，若有介紹不當(dāng)之處，請不吝指教.設(shè)計(jì)步驟:繪線路圖、PCB Layout.變壓器計(jì)算.零件選用.設(shè)計(jì)驗(yàn)證.設(shè)計(jì)流程介紹(以DA-14B33為例):線路圖、PCB Layout請參考資識(shí)庫中說明.變壓器計(jì)算:變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心，所以變壓器的計(jì)算與驗(yàn)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(zhì)與尺寸: 依據(jù)變壓器計(jì)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)Np=一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)Ae=鐵心截面積(cm2

2、)B(max) 依鐵心的材質(zhì)與本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40為例，100時(shí)的B(max)為3900 Gauss，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮零件誤差，所以一般取30003500 Gauss之間，若所設(shè)計(jì)的power為Adapter(有外殼)則應(yīng)取3000 Gauss左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做較大瓦數(shù)的Power。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(duì)價(jià)格亦較高。決定變壓器線徑與線數(shù):當(dāng)變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，

3、依據(jù)Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑與線數(shù)，亦可計(jì)算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)而言，只能當(dāng)做參考值，最終應(yīng)以溫昇記錄為準(zhǔn)。決定Duty cycle (工作週期):由以下公式可決定Duty cycle ，Duty cycle的設(shè)計(jì)一般以50%為基準(zhǔn)，Duty cycle若超過50%易導(dǎo)致振盪的發(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(diǎn)電壓D = 工作週期(Duty cycle)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

4、率PWM震盪頻率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)與電壓。決定MOSFET與二次側(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(jì)算出變壓器的應(yīng)力(Stress)是否符合選用零件的規(guī)格，計(jì)算時(shí)以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準(zhǔn)。其它:若輸出電壓為5V以下，且必須使用TL431而非TL432時(shí)，須考慮多一組繞組提供Photo coupler與TL431使用。將所得資料代入公式中，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。DA-14B33變壓器計(jì)算:輸出瓦數(shù)13.2W(3.3V/4A)，Core = EI-28，可繞

5、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(jì)算式:變壓器材質(zhì)與尺寸: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使用2.8mm，所以剩餘可繞面積為4.4mm.假設(shè)濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V。決定變壓器的線徑與線數(shù):假設(shè)NP使用0.32的線電流密度=可繞圈數(shù)=假設(shè)Secondary使用0.35的線電流密度=假設(shè)使用4P

6、，則電流密度=可繞圈數(shù)=決定Duty cycle:假設(shè)Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用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)使用0.23的線可繞圈數(shù)=若NA1=6Tx2P，則輔助電源=11.4V決定MOSFET與二次側(cè)二極體的Stress(應(yīng)力):MOSFET(Q1) =最高輸入電壓(380V)+ =463.6VDiode(D5)=輸出電壓(Vo)+x最高輸入電壓(380V)=20.57VDiode(D4)=41.4V其它:因?yàn)檩敵鰹?.3V，而TL431的Vref值為2.5V，若再加上photo coupler上的壓

7、降約1.2V，將使得輸出電壓無法推動(dòng)Photo coupler與TL431，所以必須另外增加一組線圈提供迴授路徑所需的電壓。假設(shè)NA2 = 4T使用0.35線，則可繞圈數(shù)=，所以可將NA2定為4Tx2P變壓器的接線圖:0.35x2Px4T0.35x4Px2T0.32x1Px22T0.32x1Px22T0.23x2Px6T零件選用:零件位置(標(biāo)註)請參考線路圖: (DA-14B33 Schematic)FS1:由變壓器計(jì)算得到Iin值，以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料2A/250V，設(shè)計(jì)時(shí)亦須考慮Pin(max)時(shí)的Iin是否會(huì)超過保險(xiǎn)絲的額定值。TR1(熱敏電阻):電源啟動(dòng)的瞬間，

8、由於C1(一次側(cè)濾波電容)短路，導(dǎo)致Iin電流很大，雖然時(shí)間很短暫，但亦可能對(duì)Power產(chǎn)生傷害，所以必須在濾波電容之前加裝一個(gè)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(huì)消耗功率，所以不可放太大的阻值(否則會(huì)影響效率)，一般使用SCK053(3A/5)，若C1電容使用較大的值，則必須考慮將熱敏電阻的阻值變大(一般使用在大瓦數(shù)的Power上)。VDR1(突波吸收器):當(dāng)雷極發(fā)生時(shí)，可能會(huì)損壞零件，進(jìn)而影響Power的正常動(dòng)作，所以必須在靠AC輸入端 (Fuse之後)，加上突波吸收器來保護(hù)Power(一般常用07D471K)，但若有價(jià)格上的

9、考量，可先忽略不裝。CY1，CY2(Y-Cap):Y-Cap一般可分為Y1與Y2電容，若AC Input有FG(3 Pin)一般使用Y2- Cap ， AC Input若為2Pin(只有L，N)一般使用Y1-Cap，Y1與Y2的差異，除了價(jià)格外(Y1較昂貴)，絕緣等級(jí)與耐壓亦不同(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(huì)有“回”符號(hào)或註明Y1)，此電路因?yàn)橛蠪G所以使用Y2-Cap，Y-Cap會(huì)影響EMI特性，一般而言越大越好，但須考慮漏電與價(jià)格問題，漏電(Leakage Current )必須符合安規(guī)須求(3Pin公司標(biāo)準(zhǔn)為750uA max)。CX1(X-Cap)、RX

10、1:X-Cap為防制EMI零件，EMI可分為Conduction與Radiation兩部分，Conduction規(guī)範(fàn)一般可分為: 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(yàn)證，Radiation 則必須到實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，X-Cap 一般對(duì)低頻段(150K 數(shù)M之間)的EMI防制有效，一般而言X-Cap愈大，EMI防制效果愈好(但價(jià)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

11、放電阻(RX1，一般為1.2M 1/4W)。LF1(Common Choke):EMI防制零件，主要影響Conduction 的中、低頻段，設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮EMI特性與溫昇，以同樣尺寸的Common Choke而言，線圈數(shù)愈多(相對(duì)的線徑愈細(xì))，EMI防制效果愈好，但溫昇可能較高。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(jì)算出的Iin值，可知只要使用1A/600V的整流二極體，因?yàn)槭侨ㄕ魉阅蛪褐灰?00V即可。C1(濾波電容):由C1的大小(電容值)可決定變壓器計(jì)算中的Vin(min)值，電容量愈大，Vin(min)愈高但價(jià)格亦愈高，此部分可在電路中實(shí)際驗(yàn)

12、證Vin(min)是否正確，若AC Input 範(fàn)圍在90V132V (Vc1 電壓最高約190V)，可使用耐壓200V的電容;若AC Input 範(fàn)圍在90V264V(或180V264V)，因Vc1電壓最高約380V，所以必須使用耐壓400V的電容。D2(輔助電源二極體):整流二極體，一般常用FR105(1A/600V)或BYT42M(1A/1000V)，兩者主要差異:耐壓不同(在此處使用差異無所謂)VF不同(FR105=1.2V，BYT42M=1.4V) R10(輔助電源電阻):主要用於調(diào)整PWM IC的VCC電壓，以目前使用的3843而言，設(shè)計(jì)時(shí)VCC必須大於8.4V(Min. Load

13、時(shí))，但為考慮輸出短路的情況，VCC電壓不可設(shè)計(jì)的太高，以免當(dāng)輸出短路時(shí)不保護(hù)(或輸入瓦數(shù)過大)。 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，一般使用100uf/25V電容。 Z1(Zener 二極體):當(dāng)回授失效時(shí)的保護(hù)電路，回授失效時(shí)輸出電壓衝高，輔助電源電壓相對(duì)提高，此時(shí)若沒有保護(hù)電路，可能會(huì)造成零件損壞，若在3843 VCC與3843 Pin3腳之間加一個(gè)Zener Diode，當(dāng)回授失效時(shí)Zener Diode會(huì)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高低，Z1的決定亦須考慮是否超過Q1的VG

14、S耐壓值，原則上使用公司的現(xiàn)有料(一般使用1/2W即可). R2(啟動(dòng)電阻):提供3843第一次啟動(dòng)的路徑，第一次啟動(dòng)時(shí)透過R2對(duì)C7充電，以提供3843 VCC所需的電壓，R2阻值較大時(shí)，turn on的時(shí)間較長，但短路時(shí)Pin瓦數(shù)較小，R2阻值較小時(shí)，turn on的時(shí)間較短，短路時(shí)Pin瓦數(shù)較大，一般使用220K/2W M.O。. R4 (Line Compensation):高、低壓補(bǔ)償用，使3843 Pin3腳在90V/47Hz與264V/63Hz接近一致(一般使用750K1.5M 1/4W之間)。 R3，C6，D1 (Snubber):此三個(gè)零件組成Snubber，調(diào)整Snubbe

15、r的目的:1.當(dāng)Q1 off瞬間會(huì)有Spike產(chǎn)生，調(diào)整Snubber可以確保Spike不會(huì)超過Q1的耐壓值，2.調(diào)整Snubber可改善EMI.一般而言，D1使用1N4007(1A/1000V)EMI特性會(huì)較好.R3使用2W M.O.電阻，C6的耐壓值以兩端實(shí)際壓差為準(zhǔn)(一般使用耐壓500V的質(zhì)電容)。 Q1(N-MOS):目前常使用的為3A/600V與6A/600V兩種，6A/600V的RDS(ON)較3A/600V小，所以溫昇會(huì)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(yàn)證，因?yàn)?A/600V的價(jià)格高於3A/600V許多，Q1的使用亦需考慮VDS是否超過額

16、定值。 R8:R8的作用在保護(hù)Q1，避免Q1呈現(xiàn)浮接狀態(tài)。 R7(Rs電阻):3843 Pin3腳電壓最高為1V，R7的大小須與R4配合，以達(dá)到高低壓平衡的目的，一般使用2W M.O.電阻，設(shè)計(jì)時(shí)先決定R7後再加上R4補(bǔ)償，一般將3843 Pin3腳電壓設(shè)計(jì)在0.85V0.95V之間(視瓦數(shù)而定，若瓦數(shù)較小則不能太接近1V，以免因零件誤差而頂?shù)?V)。R5，C3(RC filter):濾除3843 Pin3腳的雜訊，R5一般使用1K 1/8W，C3一般使用102P/50V的質(zhì)電容，C3若使用電容值較小者，重載可能不開機(jī)(因?yàn)?843 Pin3瞬間頂?shù)?V);若使用電容值較大者，也許會(huì)有輕載不開

17、機(jī)與短路Pin過大的問題。R9(Q1 Gate電阻 ):R9電阻的大小，會(huì)影響到EMI與溫昇特性，一般而言阻值大，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(主要是因?yàn)閠urn 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，一般使用51-150 1/8W。 R6，C4(控制振盪頻率):決定3843的工作頻率，可由Data Sheet得到R、C組成的工作頻率，C4一般為10nf的電容(誤差為5%)，R6使用精密電阻，以DA-14B33為例，C4使用103P/50V P

18、E電容，R6為3.74K 1/8W精密電阻，振盪頻率約為45 KHz。 C5:功能類似RC filter，主要功用在於使高壓輕載較不易振盪，一般使用101P/50V質(zhì)電容。 U1(PWM IC):3843是PWM IC的一種，由Photo Coupler (U2)回授信號(hào)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)與UC3843BN(S.T.)兩種，兩者腳位一樣，但產(chǎn)生的振盪頻率略有差異，UC3843BN較KA3843快了約2KHz，fT的增加會(huì)衍生出一些問題(例如:EMI問題、短路問題)，因KA3843較難買

19、，所以新機(jī)種設(shè)計(jì)時(shí)，儘量使用UC3843BN。 R1、R11、R12、C2(一次側(cè)迴路增益控制):3843內(nèi)部有一個(gè)Error AMP(誤差放大器)，R1、R11、R12、C2與Error AMP組成一個(gè)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(huì)造成振盪或輸出電壓不正確，一般C2使用立式積層電容(溫度持性較好)。 U2(Photo coupler)光耦合器(Photo coupler)主要將二次側(cè)的信號(hào)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(huì)將二次側(cè)的電流依比例轉(zhuǎn)換到一次側(cè)，此時(shí)3843由Pin6 (output)輸出off的信號(hào)(Low)來關(guān)閉

20、Q1，使用Photo coupler的原因，是為了符合安規(guī)需求(primacy to secondary的距離至少需5.6mm)。 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(shí)，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(huì)造成振盪)，R13阻值較大時(shí)，流過Photo coupler的電流較小，U2轉(zhuǎn)換電流較小，迴路增益較慢，雖然較不易造成振盪，但需注意輸出電壓是否正常。 U3(TL431)、R15、R16、R18調(diào)整輸出電壓的大小，輸出電壓不可超過38V(因?yàn)門L431 VKA最大為36V，若再加Photo

21、 coupler的VF值，則Vo應(yīng)在38V以下較安全)，TL431的Vref為2.5V，R15與R16並聯(lián)的目的使輸出電壓能微調(diào)，且R15與R16並聯(lián)後的值不可太大(儘量在2K以下)，以免造成輸出不準(zhǔn)。 R14，C9(二次側(cè)迴路增益控制):控制二次側(cè)的迴路增益，一般而言將電容放大會(huì)使增益變慢；電容放小會(huì)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(gè)最佳值。 D4(整流二極體):因?yàn)檩敵鲭妷簽?.3V，而輸出電壓調(diào)整器(Output Voltage Regulator)使用TL431(Vre

22、f=2.5V)而非TL432(Vref=1.25V)，所以必須多增加一組繞組提供Photo coupler與TL431所需的電源，因?yàn)閁2與U3所需的電流不大(約10mA左右)，二極體耐壓值100V即可，所以只需使用1N4148(0.15A/100V)。 C8(濾波電容):因?yàn)閁2與U3所需的電流不大，所以只要使用1u/50V即可。 D5(整流二極體):輸出整流二極體，D5的使用需考慮:電流值二極體的耐壓值以DA-14B33為例，輸出電流4A，使用10A的二極體(Schottky)應(yīng)該可以，但經(jīng)點(diǎn)溫昇驗(yàn)証後發(fā)現(xiàn)D5溫度偏高，所以必須換為15A的二極體，因?yàn)?0A的VF較15A的VF 值大。耐壓

23、部分40V經(jīng)驗(yàn)証後符合，因此最後使用15A/40V Schottky。 C10，R17(二次側(cè)snubber) :D5在截止的瞬間會(huì)有spike產(chǎn)生，若spike超過二極體(D5)的耐壓值，二極體會(huì)有被擊穿的危險(xiǎn)，調(diào)整snubber可適當(dāng)?shù)臏p少spike的電壓值，除保護(hù)二極體外亦可改善EMI，R17一般使用1/2W的電阻，C10一般使用耐壓500V的質(zhì)電容，snubber調(diào)整的過程(264V/63Hz)需注意R17,C10是否會(huì)過熱，應(yīng)避免此種情況發(fā)生。 C11，C13(濾波電容):二次側(cè)第一級(jí)濾波電容，應(yīng)使用內(nèi)阻較小的電容(LXZ，YXA)，電容選擇是否洽當(dāng)可依以下三點(diǎn)來判定:輸出Rippl

24、e電壓是符合規(guī)格電容溫度是否超過額定值電容值兩端電壓是否超過額定值 R19(假負(fù)載):適當(dāng)?shù)氖褂眉儇?fù)載可使線路更穩(wěn)定，但假負(fù)載的阻值不可太小，否則會(huì)影響效率，使用時(shí)亦須注意是否超過電阻的額定值(一般設(shè)計(jì)只使用額定瓦數(shù)的一半)。 L3，C12(LC濾波電路):LC濾波電路為第二級(jí)濾波，在不影響線路穩(wěn)定的情況下，一般會(huì)將L3 放大(電感量較大)，如此C12可使用較小的電容值。設(shè)計(jì)驗(yàn)証:(可分為三部分)設(shè)計(jì)階段驗(yàn)証樣品製作驗(yàn)証QE驗(yàn)証設(shè)計(jì)階段驗(yàn)証設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)階段應(yīng)該養(yǎng)成記錄的習(xí)慣，記錄可以驗(yàn)証實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與電氣規(guī)格相符，以下即就DA-14B33設(shè)計(jì)階段驗(yàn)証做說明(驗(yàn)証項(xiàng)目視規(guī)格而定)。電氣規(guī)格驗(yàn)証:38

25、43 PIN3腳電壓(full load 4A) :90V/47Hz=0.83V115V/60Hz=0.83V132V/60Hz=0.83V180V/60Hz=0.86V230V/60Hz=0.88V264V/63Hz=0.91VDuty Cycle , fT:Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)Stress (264V / 63Hz full load) :Q1 MOSFET:D5:D4:輔助電源(開機(jī)，滿載)、短路Pin max.:Static (full load)Pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V)P.F.Ripple(mV)Po

26、ut(w)eff90V/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60.3143.300.522813.2271.1132V/60Hz18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60Hz18.70.2143.300.493013.2370.7230V/60Hz18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60Hz19.20.1643.300.452913.2368.990V/47Hz=OK115V/60Hz=OK132V/60Hz=OK180V/60Hz=OK230V/60Hz=OK264V/63Hz=OKFull Range負(fù)載(0.3A-4A)(驗(yàn)証是否有振盪現(xiàn)象)回授失效(輸出輕載)90V/47Hz Vout = 8.3V264V/63Hz Vout = 6.03VO.C.P.(過電流保護(hù))90V/47Hz = 7.2A264V/63Hz = 8.4APin(max.)90V/47Hz = 24.9W264V/63Hz = 27.1WDynamic testH=4A，t1=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Ris