开关电源设计全过程

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、pCBLayout.

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、pCBLayout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証是很重要的,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TDKFerriteCorepC40为例,100℃时的B(max)为3900Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500Gauss之间,若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000Gauss左右,以防止铁心因高温而饱合,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.3.2.4决定Dutycycle(工作周期):由以下公式可决定Dutycycle,Dutycycle的设计一般以50%为基准,Dutycycle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=二极管顺向电压Vin(min)=滤波电容上的谷点电压D=工作周期(Dutycycle)

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TL432时,须考虑多一组绕组供应photocoupler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.3.2.10DA-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,MarginTape=2.8mm(每边),剩余可绕面积=4.4mm.假设fT=45KHz,Vin(min)=90V,=0.7,p.F.=0.5(cosθ),Lp=1600Uh

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,Ae=0.86cm2,可绕面积(槽宽)=10mm,因MarginTape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Dutycycle:假设Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用schottkyDiode)决定Ip值:决定辅助电源的圈数:假设辅助电源=12VNA1=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及二次侧二极管的Stress(应力):MOSFET(Q1)=最高输入电压(380V)+==463.6VDiode(D5)=输出电压(Vo)+x最高输入电压(380V)==20.57VDiode(D4)===41.4V其它:因为输出为3.3V,而TL431的Vref值为2.5V,若再加上photocoupler上的压降约1.2V,将使得输出电压无法推动photocoupler及TL431,所以必须另外新增一组线圈供应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-14B33Schematic)

3.3.1FS1: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.

3.3.2TR1(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出现伤害,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).3.3.3VDR1(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.3.3.4CY1,CY2(Y-Cap):Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容,若ACInput有FG(3pin)一般使用Y2-Cap,ACInput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(LeakageCurrent)必须符合安规须求(3pin公司标准为750uAmax).

3.3.5CX1(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:FCCpart15JClassB、CISpR22(EN55022)ClassB两种,FCC测试频率在450K~30MHz,CISpR22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1.2MΩ1/4W).3.3.6LF1(CommonChoke):EMI防制零件,重要影响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CommonChoke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.

3.3.7BD1(整流二极管):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的整流二极管,因为是全波整流所以耐压只要600V即可.3.3.8C1(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ACInput范围在90V~132V(Vc1电压最高约190V),可使用耐压200V的电容;若ACInput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3.3.9D2(辅助电源二极管):整流二极管,一般常用FR105(1A/600V)或BYT42M(1A/1000V),两者重要差异: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)3.3.10R10(辅助电源电阻):重要用于调整pWMIC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).3.3.11C7(滤波电容):辅助电源的滤波电容,供应pWMIC较稳定的直流电压,一般使用100uf/25V电容.3.3.12Z1(Zener二极管):

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3843VCC与3843pin3脚之间加一个ZenerDiode,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).

3.3.13R2(启动电阻):供应3843第一次启动的路径,第一次启动时透过R2对C7充电,以供应3843VCC所需的电压,R2阻值较大时,turnon的时间较长,但短路时pin瓦数较小,R2阻值较小时,turnon的时间较短,短路时pin瓦数较大,一般使用220KΩ/2WM.O..3.3.14R4(LineCompensation):高、低压补偿用,使3843pin3脚在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ1/4W之间).3.3.15R3,C6,D1(Snubber):此三个零件组成Snubber,调整Snubber的目的:1.当Q1off瞬间会有Spike出现,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2WM.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).

3.3.16Q1(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为考量,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.3.3.17R8:R8的用途在保护Q1,防止Q1呈现浮接状态.

3.3.18R7(Rs电阻):3843pin3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2WM.O.电阻,设计时先决定R7后再加上R4补偿,一般将3843pin3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).3.3.19R5,C3(RCfilter):滤除3843pin3脚的噪声,R5一般使用1KΩ1/8W,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3843pin3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.3.3.20R9(Q1Gate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,Q1turnon/turnoff的速度较慢,EMI特性较好,但Q1的温升较高、效率较低(重要是因为turnoff速度较慢);若阻值较小,Q1turnon/turnoff的速度较快,Q1温升较低、效率较高,但EMI较差,一般使用51Ω-150Ω1/8W.

3.3.21R6,C4(控制振荡频率):决定3843的工作频率,可由DataSheet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/50VpE电容,R6为3.74KΩ1/8W精密电阻,振荡频率约为45KHz.3.3.22C5:功能类似RCfilter,重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.3.3.23U1(pWMIC):

3843是pWMIC的一种,由photoCoupler(U2)回授信号控制DutyCycle的大小,pin3脚具有限流的用途(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,但出现的振荡频率略有差异,UC3843BN较KA3843快了约2KHz,fT的新增会衍生出一些问题(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.3.3.24R1、R11、R12、C2(一次侧回路增益控制):

3843内部有一个ErrorAMp(误差放大器),R1、R11、R12、C2及ErrorAMp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).

3.3.25U2(photocoupler)光耦合器(photocoupler)重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photocoupler的原因,是为了符合安规需求(primacytosecondary的距离至少需5.6mm).

3.3.26R13(二次侧回路增益控制):控制流过photocoupler的电流,R13阻值较小时,流过photocoupler的电流较大,U2转换电流较大,回路增益较快(要确认是否会造成振荡),R13阻值较大时,流过photocoupler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.

3.3.27U3(TL431)、R15、R16、R18调整输出电压的大小,,输出电压不可超过38V(因为TL431VKA最大为36V,若再加photocoupler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2KΩ以下),以免造成输出不准.

3.3.28R14,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Dynamicload来量测,即可取得一个最佳值.

3.3.29D4(整流二极管):因为输出电压为3.3V,而输出电压调整器(OutputVoltageRegulator)使用TL431(Vref=2.5V)而非TL432(Vref=1.25V),所以必须多新增一组绕组供应photocoupler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).3.3.30C8(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.3.3.31D5(整流二极管):输出整流二极管,D5的使用需考虑: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,但经点温升验証后发现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相关经验証后符合,因此最后使用15A/40VSchottky.3.3.32C10,R17(二次侧snubber):

D5在截止的瞬间会有spike出现,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,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,应防止此种情况发生.

3.3.33C11,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

3.3.34R19(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).

3.3.35L3,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设计验証:(可分为三部分)a.设计阶段验証b.样品制作验証c.QE验証4.1设计阶段验証设计实验阶段应该养成记录的习惯,记录可以验証实验结果是否与电气规格相符,以下即就DA-14B33设计阶段验証做说明(验証项目视规格而定).

4.1.1电气规格验証:

4.1.1.13843pIN3脚电压(fullload4A):90V/47Hz=0.83V115V/60Hz=0.83V132V/60Hz=0.83V180V/60Hz=0.86V230V/60Hz=0.88V264V/63Hz=0.91V4.1.1.2DutyCycle,fT:4.1.1.3Vin(min)=100V(90V/47Hzfullload)

4.1.1.4Stress(264V/63Hzfullload):Q1MOSFET:4.1.1.5辅助电源(开机,满载)、短路pinmax.:

4.1.1.6Static(fullload)pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V)p.F.Ripple(mV)pout(w)eff90V/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60..3143.300.522813.2271.1132V/60Hz18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60Hz18.70.2143.300.493013.2370.7230V/60Hz18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60Hz19.20.1643.300.452913.2368.94.1.1.7FullRange负载(0.3A-4A)(验証是否有振荡现象)

4.1.1.8回授失效(输出轻载)Vout=8.3V90V/47HzVout=6.03V264V/63Hz

4.1.1.9O.C.p.(过电流保护)90V/47Hz=7.2A264V/63Hz=8.4A4.1.1.10pin(max.)90V/47Hz=24.9W264V/63Hz=27.1W4.1.1.11DynamictestH=4A,t1=25ms,slewRate=0.8A/ms(Rise)L=0.3A,t2=25ms,slewRate=0.8A/ms(Full)90V/47Hz264V/63Hz

4.1.1.12HI-pOTtest:HI-pOTtest一般可分为两种等级:输入为3pin(有FG者),HI-pOTtest为1500Vac/1minute.Y-CAp使用Y2-CAp输入为2pin(无FG者),HI-pOTtest为3000Vac/1minute.Y-CAp使用Y1-CApDA-14B33属于输入3pINHI-pOTtest为1500Vac/1minute.4.1.1.13Groundingtest:输入为3pin(有FG者),一般均要测接地阻(Groundingtest),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/3Second).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/40VSchottkybarrier肖特基二极管),因温升较高改为pBYR1540CTX(15A/40V).4.1.1.15EMI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,CISpR22:150K-30MHz),前者可利用厂内的频谱分析仪验証;后者(范围由30M-300MHz,则因厂内无设备必须到实验室验証,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証,验証的项目包括:pCB尺寸、零件限高、零件禁置区、螺丝孔位置及孔径、外壳孔寸….,若设计阶段无法验証,则必须在样品阶段验証.

4.1.2样品验証:样品制作完成后,除温升记录、EMI测试外(是否需重新验証,视情况而定),每一台样品都应经过验証(包括电气及机构尺寸),此阶段的电气验証可以以ATE(Chroma)测试来完成,ATE测试必须与电气规格相符.4.1.3QE验証:QE针对工程部所供应的样品做验証,工程部应供应以下交件及样品供QE验証.