开关电源研发范例(doc17)(1)

1/171目的希望以簡短的篇幅，將公司目前設計的流程做介紹，若有介紹不當之處，請不吝指教.2設計步驟:2.1繪線路圖、PCBLayout.2.2變壓器計算.2.3零件選用.2.4設計驗證.3設計流程介紹(以DA-14B33為例):3.1線路圖、PCBLayout請參考資識庫中說明.3.2變壓器計算:變壓器是整個電源供應器的重要核心，所以變壓器的計算及驗証是很重要的，以下即就DA-14B33變壓器做介紹.3.2.1決定變壓器的材質及尺寸:依據變壓器計算公式GaussxNpxAeLpxIpB100(max)B(max)=鐵心飽合的磁通密度(Gauss)Lp=一次側電感值(uH)Ip=一次側峰值電流(A)Np=一次側(主線圈)圈數Ae=鐵心截面積(cm2)B(max)依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDKFerriteCorePC40為例，100℃時的B(max)為3900Gauss，設計時應考慮零件誤差，所以一般取3000~3500Gauss之間，若所設計的power為Adapter(有外殼)則應取3000Gauss左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做較大瓦數的Power。3.2.2決定一次側濾波電容:濾波電容的決定，可以決定電容器上的Vin(min)，濾波電容越大，Vin(win)越高，可以做較大瓦數的Power，但相對價格亦較高。3.2.3決定變壓器線徑及線數:當變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，依據Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數，亦可計算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設計2/17而言，只能當做參考值，最終應以溫昇記錄為準。3.2.4決定Dutycycle(工作週期):由以下公式可決定Dutycycle，Dutycycle的設計一般以50%為基準，Dutycycle若超過50%易導致振盪的發生。xDVinDxVVoNpNsD(min))1()(NS=二次側圈數NP=一次側圈數Vo=輸出電壓VD=二極體順向電壓Vin(min)=濾波電容上的谷點電壓D=工作週期(Dutycycle)3.2.5決定Ip值:IIavIp21xDxVinPoutIav(min)fPxLpVinI(min)Ip=一次側峰值電流Iav=一次側平均電流Pout=輸出瓦數效率fPWM震盪頻率3.2.6決定輔助電源的圈數:依據變壓器的圈比關係，可決定輔助電源的圈數及電壓。3.2.7決定MOSFET及二次側二極體的Stress(應力):依據變壓器的圈比關係，可以初步計算出變壓器的應力(Stress)是否符合選用零件的規格，計算時以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準。3.2.8其它:若輸出電壓為5V以下，且必須使用TL431而非TL432時，須考慮多一組繞組提供Photocoupler及TL431使用。3.2.9將所得資料代入GaussxNpxAeLpxIpB100(max)公式中，如此可得出B(max)，若B(max)值太高或太低則參數必須重新調整。3.2.10DA-14B33變壓器計算:輸出瓦數13.2W(3.3V/4A)，Core=EI-28，可繞面積(槽寬)=10mm，MarginTape=2.8mm(每邊)，剩餘可繞面積=4.4mm.假設fT=45KHz，Vin(min)=90V，=0.7，P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600Uh3/17計算式:變壓器材質及尺寸:由以上假設可知材質為PC-40，尺寸=EI-28，Ae=0.86cm2，可繞面積(槽寬)=10mm，因MarginTape使用2.8mm，所以剩餘可繞面積為4.4mm.假設濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V。決定變壓器的線徑及線數:AxxxxVinPoutIin42.05.07.0902.13cos(min)假設NP使用0.32ψ的線電流密度=Axx286.11024.014.342.0232.014.342.02可繞圈數=圈線徑剩餘可繞面績57.1203.032.04.4假設Secondary使用0.35ψ的線電流密度=Axx07.440289.014.34235.014.342假設使用4P，則電流密度=A02.11407.44可繞圈數=圈57.1103.035.04.4決定Dutycycle:假設Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottkyDiode)DVinDVVoNpNsD(min)1%2.489015.03.3442DDD決定Ip值:IIavIp21AxxxDxVinPoutIav435.0482.07.0902.13(min)4/17AKxufDxLpVinI603.045482.0160090(min)AIp737.02603.0435.0決定輔助電源的圈數:假設輔助電源=12V128.31ANNs128.321ANNA1=6.3圈假設使用0.23ψ的線可繞圈數=圈13.19)02.023.0(4.4若NA1=6Tx2P，則輔助電源=11.4V決定MOSFET及二次側二極體的Stress(應力):MOSFET(Q1)=最高輸入電壓(380V)+DVVoNsNp=5.03.3244380=463.6VDiode(D5)=輸出電壓(Vo)+NpNsx最高輸入電壓(380V)=3804423.3x=20.57VDiode(D4)=)380()(2VxNpNsNA最高輸入電壓輸出電壓=3804446.6x=41.4V其它:因為輸出為3.3V，而TL431的Vref值為2.5V，若再加上photocoupler上的壓降約1.2V，將使得輸出電壓無法推動Photocoupler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NA2=4T使用0.35ψ線，則5/17可繞圈數=T58.1103.035.04.4，所以可將NA2定為4Tx2P228.3AAVNNsVVVAA6.78.34222GaussxxxGaussxNpxAeLpxIpB3.311610086.044737.01600)(100(max)變壓器的接線圖:3.3零件選用:零件位置(標註)請參考線路圖:(DA-14B33Schematic)3.3.1FS1:由變壓器計算得到Iin值，以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料2A/250V，設計時亦須考慮Pin(max)時的Iin是否會超過保險絲的額定值。3.3.2TR1(熱敏電阻):電源啟動的瞬間，由於C1(一次側濾波電容)短路，導致Iin電流很大，雖然時間很短暫，但亦可能對Power產生傷害，所以必須在濾波電容之前加裝一個熱敏電阻，以限制開機瞬間Iin在Spec之內(115V/30A，230V/60A)，但因熱敏電阻亦會消耗功率，所以不可放太大的阻值(否則會影響效率)，一般使用SCK053(3A/5Ω)，若C1電容使用較大的值，則必須考慮將熱敏電阻的阻值變大(一般使用在大瓦數的Power上)。0.32Φx1Px22T0.32Φx1Px22T0.35Φx2Px4T0.35Φx4Px2T0.23Φx2Px6T6/173.3.3VDR1(突波吸收器):當雷極發生時，可能會損壞零件，進而影響Power的正常動作，所以必須在靠AC輸入端(Fuse之後)，加上突波吸收器來保護Power(一般常用07D471K)，但若有價格上的考量，可先忽略不裝。3.3.4CY1，CY2(Y-Cap):Y-Cap一般可分為Y1及Y2電容，若ACInput有FG(3Pin)一般使用Y2-Cap，ACInput若為2Pin(只有L，N)一般使用Y1-Cap，Y1與Y2的差異，除了價格外(Y1較昂貴)，絕緣等級及耐壓亦不同(Y1稱為雙重絕緣，絕緣耐壓約為Y2的兩倍，且在電容的本體上會有“回”符號或註明Y1)，此電路因為有FG所以使用Y2-Cap，Y-Cap會影響EMI特性，一般而言越大越好，但須考慮漏電及價格問題，漏電(LeakageCurrent)必須符合安規須求(3Pin公司標準為750uAmax)。3.3.5CX1(X-Cap)、RX1:X-Cap為防制EMI零件，EMI可分為Conduction及Radiation兩部分，Conduction規範一般可分為:FCCPart15JClassB、CISPR22(EN55022)ClassB兩種，FCC測試頻率在450K~30MHz，CISPR22測試頻率在150K~30MHz，Conduction可在廠內以頻譜分析儀驗證，Radiation則必須到實驗室驗證，X-Cap一般對低頻段(150K~數M之間)的EMI防制有效，一般而言X-Cap愈大，EMI防制效果愈好(但價格愈高)，若X-Cap在0.22uf以上(包含0.22uf)，安規規定必須要有洩放電阻(RX1，一般為1.2MΩ1/4W)。3.3.6LF1(CommonChoke):EMI防制零件，主要影響Conduction的中、低頻段，設計時必須同時考慮EMI特性及溫昇，以同樣尺寸的CommonChoke而言，線圈數愈多(相對的線徑愈細)，EMI防制效果愈好，但溫昇可能較高。3.3.7BD1(整流二極體):將AC電源以全波整流的方式轉換為DC，由變壓器所計算出的Iin值，可知只要使用1A/600V的整流二極體，因為是全波整流所以耐壓只要600V即可。3.3.8C1(濾波電容):由C1的大小(電容值)可決定變壓器計算中的Vin(min)值，電容量愈大，Vin(min)愈高但價格亦愈高，此部分可在電路中實際驗證Vin(min)是否正確，若ACInput範圍在90V~132V(Vc1電壓最高約190V)，可使用耐壓200V的電容;若ACInput範圍在90V~264V(或180V~264V)，因Vc1電壓最高約380V，所以必須使用耐壓400V的電容。7/173.3.9D2(輔助電源二極體):整流二極體，一般常用FR105(1A/600V)或BYT42M(1A/1000V)，兩者主要差異:1.耐壓不同(在此處使用差異無所謂)2.VF不同(FR105=1.2V，BYT42M=1.4V)3.3.10R10(輔助電源電阻):主要用於調整PWMIC的VCC電壓，以目前使用的3843而言，設計時VCC必須大於8.4V(Min.Load時)，但為考慮輸出短路的情況，VCC電壓不可設計的太高，以免當輸出短路時不保護(或輸入瓦數過大)。3.3.11C7(濾波電容):輔助電源的濾波電容，提供PWMIC較穩定的直流電壓，一般使用100uf/25V電容。3.3.12Z1(Zener二極體):當回授失效時的保護電路，回授失效時輸出電壓衝高，輔助電源電壓相對提高，此時若沒有保護電路，可能會造成零件損壞，若在3843VCC與3843Pin3腳之間加一個ZenerDiode，當回授失效時ZenerDiode會崩潰，使得Pin3腳提前到達1V，以此可限制輸出電壓，達到保護零件的目的.Z1值的大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有料(一般使用1/2W即可).3.3.13R2(啟動電阻):提供3843第一次啟動的路徑，第一次啟動時透過R2對C7充電，以提供3843VCC所需的電壓，R2阻值較大時，turnon的時間較長，但短路時Pin瓦數較小，R2阻值較小時，turnon的時間較短，短路時Pin瓦數較大，一般使用220KΩ/2WM.O。.3.3.14R4(LineCompensation):高、低壓補償用，使3843Pin3腳在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ1/4W之間)。3.3.15R3