开关电源设计全过程解析

开关电源设计全过程

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 Ferrite Core 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3000~3500 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)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:

当变压器决定後,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,最终应以温昇记录为准.

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= 二极体顺向电压

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

效率

PWM震荡频率

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及二次侧二极体的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),剩余可绕面积=4.4mm.

假设fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,? =0.7,P.F.=0.5(cosθ),Lp=1600 Uh

计算式:

变压器材质及尺寸:l

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.

假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定90V.

决定变压器的线径及线数:

假设NP使用0.32ψ的线

电流密度=

可绕圈数=

假设Secondary使用0.35ψ的线

电流密度=

假设使用4P,则

电流密度=

可绕圈数=

决定Dutyl 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

NA1=6.3圈

假设使用0.23ψ的线

可绕圈数=

若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V

决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力):

MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+   =

463.6V

Diode(D5)=输出电压(Vo)+ x最高输入电压(380V)=

20.57V

Diode(D4)=

41.4V

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0.35ψ线,则

可绕圈数= ,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:

由变压器计算得到Iin值,以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料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,由於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/5Ω),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之後),加上突波吸收器来保护Power(一般常用07D471K),但若有价格上的考量,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-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750uA max).

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 、 CISPR 22(EN55022) Class B 两种 , FCC测试频率在450K~30MHz,CISPR 22测试频率在150K~30MHz, 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1.2MΩ 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特性及温昇,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,但温昇可能较高.

3.3.7 BD1(整流二极体):

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的整流二极体,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90V~132V (Vc1 电压最高约190V),可使用耐压200V的电容;若AC Input 范围在90V~264V(或180V~264V),因Vc1电压最高约380V,所以必须使用耐压400V的电容.

Re:开关电方设计过祘

3.3.9 D2(辅助电源二极体):

整流二极体,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):

主要用於调整PWM IC的VCC电压,以目前使用的3843而言,设计时VCC必须大於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 二极体):

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3843 VCC与3843 Pin3脚之间加一个Zener Diode,当回授失效时Zener Diode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值的大小取决於辅助电源的高低,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220KΩ/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750KΩ~1.5MΩ 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,所以温昇会较低,若IDS电流未超过3A,应该先以3A/600V为考量,并以温昇记录来验证,因为6A/600V的价格高於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後再加上R4补偿,一般将3843 Pin3脚电压设计在0.85V~0.95V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脚的杂讯,R5一般使用1KΩ 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.

3.3.20 R9(Q1 Gate电阻 ):

R9电阻的大小,会影响到EMI及温昇特性,一般而言阻值大,Q1 turn on / turn off的速度较慢,EMI特性较好,但Q1的温昇较高、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温昇较低、效率较高,但EMI较差,一般使用51Ω-150Ω 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103P/50V PE电容,R6为3.74KΩ 1/8W精密电阻,振荡频率约为45 KHz.

3.3.22 C5:

功能类似RC filter,主要功用在於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Duty Cycle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组成一个负回授电路,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(温度持性较好).

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导通後,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 to secondary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 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并联後的值不可太大(尽量在2KΩ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,至於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(整流二极体):

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),二极体耐压值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(整流二极体):

输出整流二极体,D5的使用需考虑:

a. 电流值

b. 二极体的耐压值

以DA-14B33为例,输出电流4A,使用10A的二极体(Schottky)应该可以,但经点温昇验证後发现D5温度偏高,所以必须换为15A的二极体,因为10A的VF较15A的VF 值大.耐压部分40V经验证後符合,因此最後使用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超过二极体(D5)的耐压值,二极体会有被击穿的危险,调整snubber可适当的减少spike的电压值,除保护二极体外亦可改善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 PIN3脚电压(full load 4A) :

90V/47Hz = 0.83V

115V/60Hz = 0.83V

132V/60Hz = 0.83V

180V/60Hz = 0.86V

230V/60Hz = 0.88V

264V/63Hz = 0.91V

4.1.1.2 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 辅助电源(开机,满载)、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) eff

90V/47Hz 18.7 0.36 4 3.30 0.57 32 13.22 70.7

115V/60Hz 18.6 0..31 4 3.30 0.52 28 13.22 71.1

132V/60Hz 18.6 0.28 4 3.30 0.50 29 13.22 71.1

180V/60Hz 18.7 0.21 4 3.30 0.49 30 13.23 70.7

230V/60Hz 18.9 0.18 4 3.30 0.46 29 13.22 69.9

264V/60Hz 19.2 0.16 4 3.30 0.45 29 13.23 68.9

4.1.1.7 Full Range负载(0.3A-4A)

(验证是否有振荡现象)

4.1.1.8 回授失效(输出轻载)

Vout = 8.3Vê90V/47Hz

Vout = 6.03Vê264V/63Hz

4.1.1.9 O.C.P.(过电流保护)

90V/47Hz = 7.2A

264V/63Hz = 8.4A

4.1.1.10 Pin(max.)

90V/47Hz = 24.9W

264V/63Hz = 27.1W

4.1.1.11 Dynamic test

H=4A,t1=25ms,slew Rate = 0.8A/ms (Rise)

L=0.3A,t2=25ms,slew Rate = 0.8A/ms (Full)

90V/47Hz

264V/63Hz

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/1? minute.Y-CAP使用Y1-CAP

DA-14B33属於输入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100MΩ(2.5mA/3 Second).

4.1.1.14 温昇记录

设计实验定案後(暂定),需针对整体温昇及EMI做评估,若温昇或EMI无法符合规格,则需重新实验.温昇记录请参考附件,D5原来使用BYV118(10A/40V Schottky barrier 肖特基二极管 ),因温昇较高改为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;後者(范围由30M - 300MHz,则因厂内无设备必须到实验室验证,Conduction,Radiation测试资料请参考附件) .

4.1.1.16 机构尺寸:

设计阶段即应对机构尺寸验证,验证的项目包括 : PCB尺寸、零件限高、零件禁置区、螺丝孔位置及孔径、外壳孔寸….,若设计阶段无法验证,则必须在样品阶段验证.

4.1.2 样品验证:

样品制作完成後,除温昇记录、EMI测试外(是否需重新验证,视情况而定),每一台样品都应经过验证(包括电气及机构尺寸),此阶段的电气验证可以以ATE(Chroma)测试来完成,ATE测试必须与电气规格相符.

4.1.3 QE验证:

QE针对工程部所提供的样品做验证,工程部应提供以下交件及样品供QE验证.