开关电源电路设计实例分析(设计流程)

开关电源电路设计实例分析(设计流程)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、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，η=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.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=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-14B33Schematic)3.3.1FS1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。3.3.2TR1(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)。3.3.3VDR1(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0.32Φx1Px22T0.32Φx1Px22T0.35Φx2Px4T0.35Φx4Px2T0.23Φx2Px6T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。3.3.4CY1，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，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。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)3.3.10R10(辅助电源电阻):主要用于调整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，提供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):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。3.3.17R8:R8的作用在保护Q1，避免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(主要是因为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，