開關(guān)電源開發(fā)流程

1、開關(guān)電源開發(fā)流程1 目的希望以簡(jiǎn)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(qǐng)不吝指教.2 設(shè)計(jì)步驟：2.1 繪線路圖、PCB Layout.2.2 變壓器計(jì)算.2.3 零件選用.2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證.3 設(shè)計(jì)流程介紹(以DA-14B33為例)：3.1 線路圖、PCB Layout請(qǐng)參考資識(shí)庫(kù)中說明.3.2 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)算及驗(yàn)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(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=

2、一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)Ae=鐵心截面槓(cm2)B(max)依鐵心的材質(zhì)及本身的溫度來(lái)決定，以TDK Femte Core PC40為 例，100”C時(shí)的B(niax)為3900 Gauss,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮零件誤差，所以一般 取3000-3500 Gauss之間，若所設(shè)計(jì)的power為Adapter(有夕卜殻)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人，Ae越 高，所以可以做較大瓦數(shù)的Powero3.2.2 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(nun),濾波電容越人，Vm(wm) 越高，可以做較大瓦數(shù)的Power,但相對(duì)價(jià)格亦較高。3.

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Bobbm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(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)。3.2.4 決定Duty cycle (工作週期)：由以卞公式可決定Duty cycle ,Dutv cycle的設(shè)計(jì)一般以50%為基準(zhǔn),Duty cycle若超過50%易導(dǎo)致振邀的發(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(mm)=濾波電容上的谷點(diǎn)電壓D =工作週期(Duty cycle)3.2.5

4、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PWM震鍛頻率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，町決定輔助電源的圈數(shù)及電壓。3.2.7 決定MOSFET及二次側(cè)二極韻的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)。3.2.8 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及TL431使用。3.2.9 將所得資料代入公式中，如此可得出E(max),若B(ma

5、x)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(jì)算：輸出瓦數(shù) 13.2W(3.3V/4A), Core = EI-28,可繞面積(槽寬)=10imn,Maigin Tape = 2.8nmi(每邊)，剩餘可繞面積=4.4nim.假設(shè) fT = 45 KHz , Vin(niui)=90V, =0.7, P.F.=0.5(cose), Lp=1600Uh 計(jì)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=0.86cni2,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

6、用47uF/400V, Vm(inin)暫定90Vo決定變壓器的線徑及線數(shù)：假設(shè)NP使用0.32屮的線電流密度=可繞圈數(shù)=假設(shè)Secondaiy使用0.35屮的線電流密度=假設(shè)使用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(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 W的線可繞圈數(shù)=若NAl=6Tx2P,則輔助電源=11.4V決定MOSFET及二次側(cè)二極鶻的Stress(應(yīng)力)：MOSFET(Ql)=最高輸入電壓(380V)+=463.6VDiode(D

7、5尸輸出電壓(Vo)+ x最高輸入電壓(380V)=20.57VDiode(D4 尸= =41.4V其它：因?yàn)檩敵鰹?.3V,而TL431的Vref值為2.5V,若再加上photo coupler 上的壓降約1.2V,將使得輸出電壓無(wú)法推動(dòng)Photo coupler及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 = 4Tj吏用0.35+線，貝ij可繞圈數(shù)=,所以町將NA2定為4Tx2P變壓器的接線圖:3.3 零件選用：零件位置(標(biāo)註)請(qǐng)參考線路圖：(DA-14B33 Schematic)3.3.1 FS1:由變壓器計(jì)算得到Im值，以此Im值(0.42A)可知使用公司

8、共用料2A/250V, 設(shè)計(jì)時(shí)亦須考慮Pm(max)時(shí)的Ini是否會(huì)超過保險(xiǎn)絲的額定值。3.3.2 TR1(熱敏電阻)：電源敢動(dòng)的瞬間，由於C1(一次側(cè)濾波電容)短路，導(dǎo)致IH1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)(U5V/30A, 230V/60A)，但因熱敏電阻亦會(huì)消耗功率，所以不可放太人的阻值(否則 會(huì)影響效率)，一般使用SCK053(3A/5Q),若Cl電容使用較人的值，則 必須考慮將熱敏電阻的阻值變?nèi)?一般使用在人瓦數(shù)的Power上)。3.3.3 VDR1(突波吸收器)：當(dāng)雷極發(fā)生時(shí)，可

9、能會(huì)損壞零件，進(jìn)而影警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(lái)保護(hù)Power(一般 常用07D471K),但若有價(jià)格上的考量，可先忽略不裝。3.3.4 CY1, CY2(Cap):Y-Cap 一般可分為Y1及Y2電容，若AC Input有FG(3 Pm)般使用 Y2- Cap , AC Input 若為 2Pm(只有 L, N)般使用 Yl-Cap, Y1 與 Y2的差異，除了價(jià)格外(Y1較昂貴)，絕緣等級(jí)及耐壓亦不同(Y1稱為 雙重絕緣，絕緣耐壓約為Y2的兩倍，且在電容的本髓上會(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-C

10、ap會(huì)影嚮EMI 特性，一般而言越人越好，但須考慮漏電及價(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7 5 Ou A max）o3.3.5 CXl（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)一般可分為:FCC Pan 15J Class B、CISPR 22（EN55022）Class B兩種,FCC測(cè)試頻率在450K30MH乙CISPR 22測(cè)試頻率在 150K30MHz, Conduction nJ在廠內(nèi)以頻譜分析儀驗(yàn)證，Radiation則必 須到實(shí)驗(yàn)室

11、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愈人，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)定必須要有洩放電阻（RX1, 一般為 1.2MQ 1/4W）。3.3.6 LF1 （Common Choke）:EMI防制零件，主要影g Conduction的中、低頻段，設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考 慮EMI特性及溫昇，以同樣尺寸的Coimnon 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。3.3.7 BD1（整流二極鶻）：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

12、Im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?600V即可。3.3.8 C101S 波電容）：由C1的人?。娙葜担┛蓻Q定變壓器計(jì)算中的Vm（mm）值，電容量愈大， Vin（mm）愈高但價(jià)格亦愈高，此部分可在電路中實(shí)際驗(yàn)證Vin（nuii）是否正 確，若AC Input範(fàn)圍在90V-132V （Vcl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 Vcl 電 壓最高約380V,所以必須使用耐壓400V的電容。3.3.9 D2（輔助電源二極韻）：整流二極韻，一般常用FR105（lA600

13、V）或EYT42M（lA/1000V）,兩者主要 差異：1. 耐壓不同（在此處使用差異無(wú)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，以目前使用的3843而言，設(shè)計(jì)時(shí) VCC必須人於&4V（Mm. Load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)過人）。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，一般使用100uf25V 電容。3.3.12Z1 （Zener 二極體）：當(dāng)回授失效時(shí)的保護(hù)電路，回授失效

14、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 Pm3 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)IV,以此可限制輸出電壓，逹到保護(hù)零件的目的.Z1值的人小取決 於輔助電源的高低，Z1的決定亦須考慮是否超過Q1的VGS耐壓值，原則 上使用公司的現(xiàn)有料（一般使用1/2W即可）.3.3.13 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阻值較人時(shí)，turn on的時(shí)間較長(zhǎng)，但短路時(shí)Pin 瓦數(shù)較小，R

15、2阻值較小時(shí)，turn on的時(shí)間較短，短路時(shí)Pin瓦數(shù)較人，一 般使用220KQ/2WM.O。3.3.14 R4 （Line Compensation）:高、低壓補(bǔ)償用,使3843 Pui3腳在90V/47HZ及264V/63HZ接近一致（一般 使用750KQl5MQ 1/4W之間）。3.3.15 R3, C6, DI （Snubber）:此三個(gè)零件組成Snubber,調(diào)整Snubber的目的:1.當(dāng)QI 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Suu bber 町改善EMI.般而言，D1使用1N4OO7（1A/1OOOV）EMI特

16、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的陶 質(zhì)電容）。3.3.16 Ql（N-MOS）:目前常使用的為3A/600V及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(lái)驗(yàn)證，因?yàn)?A/600V的價(jià)格高於3A600V許多，Q1的使用 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,避免Q1呈現(xiàn)浮接狀態(tài)。3.3.18 R7（Rs 電阻）：3843 Pin3腳電壓最高為IV, R7的犬小須與R4配合，以達(dá)到高低壓平

17、衡的目的，一般使用2WM.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IV,以免因零件誤差而頂?shù)絀V）。3.3.19 R5, C3（RC filter）:濾除3843 Pm3腳的雜訊,R5 般使用1KQ 1/8W,C3 般使用102P/50V 的陶質(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)絀V）;若使用電容值較人者，也許會(huì)有輕載不開機(jī)及短路Pm過人 的問題。3.3.20 R9（Q1 Gate 電阻）:R9電阻的大小，會(huì)影響到EMI及溫昇特性，一般而言阻值人，

18、QI 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，QI 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51Q-150Q 1/8W。3.3.21 R6, C4（控制振謐頻率）：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/50VPE電容，R6為3.74KQ 1/8W精密電阻，振潘頻 率約為45 KHz.,3.3.2

19、2 C5:功能類似RC filter,主要功用在於使高壓輕載較不易振謐，一般使用 101P/50V陶質(zhì)電容。3.3.23 U1（PWMIC）:3843 是 PWMIC 的一種，由 Photo Coupler （U2）回授信號(hào)控制 Duty Cycle 的大小，Pui3腳具有限流的作用（最高電壓IV）,目前所用的3843中， 有KA3843（SAMSUNG）及UC3843EN（S.T.）兩種，兩者腳位相同，但產(chǎn) 生的振謐頻率略有差異，UC3843BN較KA3843快了約2KH乙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， 所以新機(jī)種設(shè)計(jì)時(shí)，儘量使用UC384

20、3EN。3.3.24 Rl、Rll、R12、C2（次側(cè)迴路增益控制）：3843 內(nèi)部有一個(gè) Error AMP（誤差放人器），Rl、Rll、R12、C2 及 Error AMP組成一個(gè)負(fù)回授電路，用來(lái)調(diào)整迴路增益的穏定度，迴路增益， 調(diào)整不恰當(dāng)可能會(huì)造成振潘或輸出電壓不正確，一般C2使用立式積層 電容（溫度持性較好）。3.3.25 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Pm6 （output）輸出off的信號(hào)（Low）來(lái)關(guān)閉Q

21、1,使 用Photo coupler的原因，是為了符合安規(guī)需求（piunacy to secondaiy的距 離至少需5.6mm）。3.3.26 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(shí)，流過Photo coupler的 電流較人，U2轉(zhuǎn)換電流較人，迴路増益較快（需要確認(rèn)是否會(huì)造成振謐）, R13阻值較人時(shí)，流過Photo coupler的電流較小，U2轉(zhuǎn)換電流較小，迴 路增益較慢，雖然較不易造成振謐，但需注意輸出電壓是否正常。3.3.27 U3（TL431）、R15、R16、R18調(diào)整輸出電壓的大小，輸出電壓不可超過38V（因?yàn)門L431 VK

22、A最 大為36V,若再加Photo coupler的VF值，則Vo應(yīng)在38V以卞較安全）, TL431的Vref為2.5V, R15及R16並聯(lián)的目的使輸出電壓能微調(diào)，且 R15與R16並聯(lián)後的值不可太人（儘量在2KQ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，一般而言將電容放人會(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，電阻放人增益變快：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(lái) 量測(cè)，即可取得一個(gè)最佳值。3.3.29 D4（整流二極體）：因?yàn)檩敵鲭妷簽?.3V,而輸出電壓調(diào)整器

23、（Output Voltage Regulator）使用 TL431（VreM.5V）而非TL432（Vref=1.25V）,所以必須多增加一組繞組提 供Photo coupler及TL431所需的電源，因?yàn)閁2及U3所需的電流不人（約 10111A左右），二極鶻耐壓值100V即可，所以只需使用 lN4148（0.15A/100V）o3.3.30C8（濾波電容）：因?yàn)閁2及U3所需的電流不大，所以只要使用1U/50V即可。3.3.31D5（整流二極體）：輸出整流二極體，D5的使用需考慮：a. 電流值b. 二極體的耐壓值以DA-14B33為例，輸出電流4A,使用10A的二極體（Schottky）

24、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值人。耐壓部分40V經(jīng)驗(yàn)証後符 合，因此最後使用15A/40V Schottky。3.3.32 CIO, R17（二次側(cè) snubber）:D5在截止的瞬間會(huì)有spike產(chǎn)生，若spike超過二極韻（D5）的耐壓 值，二極韻會(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的陶質(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

25、發(fā)生。3.3.33 Cll, 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(lái)判定：a. 輸出Ripple電壓是符合規(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)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）。3.3.35 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。4設(shè)計(jì)驗(yàn)

26、証：（可分為三部分）a. 設(shè)計(jì)階段驗(yàn)証b. 樣品製作驗(yàn)証c. QE驗(yàn)証4.1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，以卞即就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）。4.1.1電氣規(guī)格驗(yàn)証：4.1.1.1 3843 PIN3 腳電壓（fiill 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:4.1.13 Vin(mm) = 100V (9

27、0V / 47Hz full load)4.1.1.4 Stress (264V / 63Hz fxill load):QI MOSFET:D5 D4:4.1.1.5 輔助電源(開機(jī)，滿載)、短路Pm max.:4.1.1.6 Static (full load)Pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V)P.F.Ripple(mV)Pout(w)90V/47HZ18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60HZ18.60.3143.300.522813.2271.1132V/60HZ18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60HZ18

28、.70.2143.300.493013.2370.7230V/60HZ18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60HZ19.20.1643.300.452913.2368.94.1.1.7 Full Range 負(fù)載(0.3A-4A)(驗(yàn)証是否有振鍛現(xiàn)象)4.1.1.8 回授失效(輸出輕載)90V/47HZ Vout = 8.3V264V/63HZ Vout = 6.03V4.1.1.9 O.C.P.(過電流保護(hù))90V/47HZ = 7.2A264V/63HZ = &4A4.1.1.10 Piii(max.)90V/47HZ = 24.9W264V/63Hz = 27.1W4.1.1.11 Dynamic testJH=4A, tl=25ms, slew Rate = 08A/ms (Rise)L=03A, t2=25ms, slew Rate = 08A/m