PI開關電源電路設計

PI開關電源設計指引〔發(fā)布日期：2023-11〕范圍本標準描述了開關電源電路硬件控制的實現(xiàn)方法，一般開關電源電路設計者在使用不同型號的開關電源控制IC及不同的開關電源電路方案時可以此為參考，更快、更好地完成特定功能的硬件設計。希望本標準能對硬件可靠性的提升有所幫助。本標準適用于PI開關電源電路的設計。標準性引用文件以下文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。但凡注日期的引用文件，其隨后所有的修改單〔不包括勘誤的內容〕或修訂版均不適用于本標準，然而，鼓勵根據本標準達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。但凡不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標準。GB/T7725房間空氣調節(jié)器GB/T15184按能力批準評定質量的電子設備用開關電源變壓器分標準GB/T14714微小型計算機系統(tǒng)設備用開關電源通用技術條件QMK-J33.242開關變壓器設計指引硬件接口定義及相關原理圖控制芯片型號——TinySwitch-III系列離線開關IC(TNY276~TNY279)；管腳功能說明如下：EN/UV腳：輸入使能信號和輸入線電壓欠壓檢測。1、EN功能：在正常工作時，通過此引腳可以控制功率MOSFET的開關，當從此引腳拉出的電流大于115μA，MOSFET被關斷。當此引腳拉出的電流小于75μA時，MOSFET重新開啟。2、UV功能：在EN/UV引腳和DC電壓間連接一個外部電阻可以用來感測輸入電壓的欠壓情況。如果沒有外部電阻連接到此引腳，TinySwitch-III可檢測出這情況并禁止輸入電壓欠壓保護功能。BP/M腳：旁路/多功能控制腳。1、旁路：一個外部旁路電容連接到這個引腳，用于生成內部5.85V的供電電源。2、外部限流點設定：根據所使用電容的容值選擇電流限流值。3、關斷功能：在輸入掉電時，當流入旁路引腳的電流超過ISD時關斷器件，直到BP/M電壓下降到4.9V之下。還可將一個穩(wěn)壓管從BP/M引腳連接到偏置繞組供電端實現(xiàn)輸出過壓保護。D腳：旁路電容充電引腳，同時也是內部功率MOSEFT的漏極〔D極〕。S腳：內置功率MOSEFT的源極〔S極〕，同時也是開關電源控制電路的參考點。3.3參考設計原理圖本設計電路為雙路輸出，17V/100mA，12V/1.1A。17V輸出與初級側共參考地，12V為次級側，與初級側平安隔離。電源IC的供電有兩種方式，一種是由IC內部直接供電，在每次MOSFET關斷時，內部穩(wěn)壓器會從漏極電壓吸收電流，向旁路電容充電；另外可以由外部輔助繞組供電，供電的電流需要大于IC的漏極供電電流，本設計為了提供待機效率，采用了輔助繞組供電方式。12V輸出作為穩(wěn)壓取樣回路，該回來電壓穩(wěn)定度最高，可以到達±2%，17V穩(wěn)定度那么次之。各元器件在電路中的作用4.1、使用TinySwitch-III(TNY279)的2路輸出15W開關電源電路如上圖所示。其中12V作為主輸出，17V作為輔助輸出。交流輸入寬范圍為：85～264V，總輸出功率15W。4.2、IC601：電源控制IC，是開關電源的核心器件，TinySwitch-III提供了TNY274~TNY280共7個不同功率的型號，可以根據不同的使用條件選擇不同型號，選型表如下：4.3、D601、R601、C601構成DRC吸收回路，將漏極的漏感關斷電壓控制在平安范圍，D選用快速二極管或超快速二極管，R選用68~330kΩ/2W金屬氧化膜電阻，C選用1kV/222高壓瓷片電容/薄膜電容。4.4、R603用于限制外部供電電流，為了提高電源的效率，IC可選擇外部供電方式，供電電流Ibp由下等式計算：Ibp=〔VCC-5.85V〕/R603注：VCC：供電繞組電壓，5.85V為BP/M引腳內部穩(wěn)壓源的穩(wěn)壓值。供電電流Ibp需要滿足以下要求：1、為了保證IC不從漏極吸收電流，Ibp要大于漏極供電電流，漏極供電電流如下表所示：2、需要保證在Ibp在最惡劣情況需要小于BP/M腳關斷電流：4mA。否那么IC將會關斷，直到BP/M腳電壓下降到4.9V以下才能恢復。4.5、C606作為IC內部電源退耦和儲存能量電容，同時也作為限流點的選擇。0.1μF的電容即可實現(xiàn)標準的電流限流值；1μF電容將選擇一個與相鄰更小型號相同的流限值，10μF電容將選擇一個與相鄰更大型號相同的流限值〔TNY274的沒有提高流限的能力，TNY280更高流限值通常設定在850mA〕。4.6、IC603光電耦合器將初級和次級反應信號進行平安隔離，光耦合器可以使用PC817或性能相近或更優(yōu)、絕緣耐壓在3750Vac以上、電流傳輸比在100%或以上的光偶。4.7、R607、R608構成電壓取樣電路，將12V電源的電壓變化反應給控制端，該取樣電路直接決定輸出電壓的電壓值，TL431的參考電壓為2.495V，輸出電壓：V12V=2.495*〔R607+R608〕/R608通常選取流過R608的電流是TL431參考端電流的100倍，所以R608的值可以選2~10kΩ的阻值，如對待機功耗有特別要求，電阻可以取較大的阻值。R608確定后，R607那么可以由上等式確定。4.8、C607和R606構成TL431的頻率補償電路，使反應環(huán)路有足夠的相位裕量和幅值裕量，保證電源動態(tài)穩(wěn)定。C一般取104瓷片電容，R74的阻值需要小于R8。4.9、R605并光耦的LED兩端，用來保證當LED不導通時流過TL431的電流大于1mA。PC817的LED的壓降典型值為1.2V，所以R605的通常取1k。4.10、C608、R612用于吸收二極管D603的反壓尖峰，C608的取值需要大于二極管結電容的兩倍，具體參數(shù)需要通過實驗確定。4.11、E602、L5、E603構成π型濾波電路，對輸出電壓進行平滑濾波和噪聲抑制。開關電源PCB設計考前須知在任何開關電源設計中，PCB板的物理設計都是重要一個環(huán)節(jié)，如果設計方法不當，PCB可能會輻射過多的電磁干擾，甚至造成電源工作不穩(wěn)定，在Layout時需要特別注意一下幾點：5.1、BP/M引腳電容應放置在MP/M腳和源極最近的地方，并且電容不能與源極的大面積銅箔進行直接連接，要求通過較窄的走線來連接，因為電源IC通過源極來散熱，連接源極的銅箔會發(fā)熱，從而影響旁路電容壽命。5.2、輸入濾波電容、變壓器初級、電源IC構成的回路盡可能小，濾波電容到變壓器初級、變壓器初級到MOSFET漏極的走線不能太大，過大的銅箔會增加高頻輻射EMI。5.3、變壓器次級、整流二極管、輸出濾波電容構成的回路也要盡可能小，二極管陽極的銅箔應選擇適當大小，過大會增加高頻輻射EMI。5.4、MOSFET源極是IC的主要散熱途徑，增大源極的銅箔可實現(xiàn)良好的散熱效果。5.5、光電耦合器要放置于靠近電源IC，縮短初級側銅箔走線長度。5.6、高電流、高電壓的漏極及鉗位電路銅箔遠離光電耦合器，以防止噪聲信號干擾。關鍵元器件的選擇電容的選擇電解電容E601、E602、E603、E607、E608應選擇CD286系列高頻低ESR電容，電容的耐壓應根據廠家提供的功能規(guī)格書，預留20％以上的余量，溫度等級選用105℃。磁片電容C603、C604、C605、C606、C607、C610、C611應選高頻特性好的陶瓷電容，一般選104。安規(guī)電容CY602應選泄漏電流小的陶瓷Y1類或Y2類安規(guī)電容。電容C601選用高壓瓷片電容或薄膜電容，耐壓選1000V或2000V。電容C608選用高壓瓷片電容，耐壓選400V或1000V。二極管的選擇D601、D602需要選擇快恢復二極管，二極管額定電流不小于輸出平均電流的5倍，常用的有UF系列〔UF4004、UF4007〕、HER系列〔HER104、HER107〕、FR系列〔FR104、FR107〕等等，還可以選擇低導通電壓的肖特基二極管。D603需要選擇肖特基二極管或超快速二極管，如選肖特基二極管，二極管的額定電流不小于輸出平均電流的3倍，如選超快速二極管，二極管的額定電流不小于輸出平均電流的5倍。光電耦合器的選擇光電耦合器選擇電流傳輸比10