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开关电源电路设计指南

电源技术 | 发布时间:2018-11-20 | 人气: | #评论# | 本文关键字:开关电源,变压器,二极管,稳压电源
摘要:开关电源电路设计指南 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

开关电源电路设计指南

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。
设计流程简介

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= 二极管顺向电压
       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
     h =效率
     f = PWM 振荡频率
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,η =0.7,P.F.=0.5(cos θ),Lp=1600 Uh

     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Margin Tape使用2.8mm,所以剩余可绕面积为4.4mm.
2 假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定90V。
l 决定变压器的线径及线数:

2 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

假设使用4P,则

决定Duty 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


 

假设使用0.23ψ的线

若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V 决定MOSFET及二次侧二极管的Stress(应力):

Ns 


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


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保险丝:
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。
3.3.2 TR1(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 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 之后),加上突波吸收器来保护
0.32Φx1Px22T
0.32Φx1Px22T
0.35Φx2Px4T
0.35Φx4Px2T
0.23Φx2Px6T
设计流程简介
Power(一般常用07D471K),但若有价格上的考虑,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750uAmax)。
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,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)。
3.3.6 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特性及温升,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,但温升可能较高。

3.3.7 BD1(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。
3.3.8 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。
3.3.9 D2(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):
主要用于调整PWM IC 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)。
3.3.11 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3843
VCC与3843 Pin3脚之间加一个Zener Diode,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).
3.3.13 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,所以温升会较低,若IDS电流未超过3A,应该先以
3A/600V 为考虑,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。
3.3.17 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 后再加上
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 脚的噪声,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及温升特性,一般而言阻值大,Q1 turnon / turn off 的速度较慢,EMI特性较好,但Q1 的温升较高、效率
较低(主要是因为turn off速度较慢);若阻值较小, Q1 turn on/turnoff 的速度较快,Q1 温升较低、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,主要功用在于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DutyCycle 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 组成一个负反馈电路,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Photo coupler 的原因,是为了符合安规需求(primacy tosecondary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并联后的值不可太大
(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,至于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(整流二极管):
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),二极管耐压值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,但经点温升验证后发现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经验证后符合,因此最后使用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) :


4.1.1.5 辅助电源(开机,满载)、短路Pin max.:

4.1.1.6 静态(满负荷)


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 反馈失效(输出轻载)
90V/47Hz e Vout = 8.3V
264V/63Hz e Vout = 6.03V
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)

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 属于输入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
(25A/3 Second)。
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/40V Schottky),因温升较高改为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;后者(范围由30M
- 300MHz,则因厂内无设备必须到实验室验证,Conduction,Radiation 测试数据请参考附件) 。
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:
样品制作完成后,除温升记录、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。

高频开关电源原理与设计电路图

高频开关电源原理与设计电路图                     


责任编辑:开关电源
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