开关电源设计流程简介

設計流程簡介----开关电源研发范例1/151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)=ØB(max)=鐵心飽合的磁通密度(Gauss)ØLp=一次側電感值(uH)ØIp=一次側峰值電流(A)ØNp=一次側(主線圈)圈數ØAe=鐵心截面積(cm2)ØB(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(min)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而言，只能當做參考值，最終應以溫昇記錄為準。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建決定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()(-+=ØNS=二次側圈數ØNP=一次側圈數ØVo=輸出電壓ØVD=二極體順向電壓ØVin(min)=濾波電容上的谷點電壓ØD=工作週期(Dutycycle)3.2.5決定Ip值:IIavIpΔ+=21hxDxVinPoutIav(min)=fPxLpVinI(min)=ΔØIp=一次側峰值電流ØIav=一次側平均電流ØPout=輸出瓦數Ø=h效率Ø=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:²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.²假設fT=45KHz，Vin(min)=90V，h=0.7，P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600UhPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建²計算式:l變壓器材質及尺寸:²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.²假設濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V。l決定變壓器的線徑及線數:AxxxxVinPoutIin42.05.07.0902.13cos(min)===qh²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=+=²假設Secondary使用0.35ψ的線電流密度=Axx07.440289.014.34235.014.342==⎟⎠⎞⎜⎝⎛²假設使用4P，則電流密度=A02.11407.44=可繞圈數=()圈57.1103.035.04.4=+l決定Dutycycle:²假設Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottkyDiode)()()DVinDVVoNpNsD(min)1-+=()()%2.489015.03.3442=⇒-+=DDDl決定Ip值:IIavIpΔ+=21AxxxDxVinPoutIav435.0482.07.0902.13(min)===hPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建(min)===ΔAIp737.02603.0435.0=+=l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=11.4Vl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+=41.4Vl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，則可繞圈數=()T58.1103.035.04.4=+，所以可將NA2定為4Tx2P228.3AAVNNs=VVVAA6.78.34222=⇒=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建)(100(max)===l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)。3.3.3VDR1(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0.32Φx1Px22T0.32Φx1Px22T0.35Φx2Px4T0.35Φx4Px2T0.23Φx2Px6TPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建用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。3.3.9D2(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):PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建主要用於調整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3843Pin