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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关电源设计全过程-开关电源设计全过程1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B(max)=鐵心飽
2、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30003500Gauss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(wi
3、n)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.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.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
4、(Dutycycle)3.2.5決定Ip值:Ip=一次側峰值電流Iav=一次側平均電流Pout=輸出瓦數效率PWM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將所得資料代入公式中,如此可得出B(max)
5、,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(cos),Lp=1600Uh計算式:變壓器材質及尺寸:l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
6、90V.l決定變壓器的線徑及線數:假設NP使用0.32的線電流密度=可繞圈數=假設Secondary使用0.35的線電流密度=假設使用4P,則電流密度=可繞圈數=決定Dutylcycle:假設Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用schottkyDiode)決定Ip值:ll決定輔助電源的圈數:假設輔助電源=12VNA1=6.3圈假設使用0.23的線可繞圈數=若NA1=6Tx2P,則輔助電源=11.4V決定MOSFET及二次側二極體的Stress(應力):lMOSFET(Q1)=最高輸入電壓(380V)+=463.6VDiode(D5)=輸出電壓(Vo)+x最高輸入電壓(380V)=20.
7、57VDiode(D4)=41.4V其它:l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0.35線,則可繞圈數=,所以可將NA2定為4Tx2Pl變壓器的接線圖:l3.3零件選用: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
8、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/5),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
9、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
10、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450K30MHz,CISPR22測試頻率在150K30MHz,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0.2
11、2uf),安規規定必須要有洩放電阻(RX1,一般為1.2M1/4W).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
12、(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90V132V(Vc1電壓最高約190V),可使用耐壓200V的電容;若ACInput範圍在90V264V(或180V264V),因Vc1電壓最高約380V,所以必須使用耐壓400V的電容.Re:开关电方设计过祘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):主要用於調整PWMIC的
13、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
14、,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220K/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750K1.5M1/4W
15、之間).3.3.15R3,C6,D1(Snubber):此三個零件組成Snubber,調整Snubber的目的:1.當Q1off瞬間會有Spike產生,調整Snubber可以確保Spike不會超過Q1的耐壓值,2.調整Snubber可改善EMI.一般而言,D1使用1N4007(1A/1000V)EMI特性會較好.R3使用2WM.O.電阻,C6的耐壓值以兩端實際壓差為準(一般使用耐壓500V的陶質電容).3.3.16Q1(N-MOS):目前常使用的為3A/600V及6A/600V兩種,6A/600V的RDS(ON)較3A/600V小,所以溫昇會較低,若IDS電流未超過3A,應該先以3A/600V
16、為考量,並以溫昇記錄來驗證,因為6A/600V的價格高於3A/600V許多,Q1的使用亦需考慮VDS是否超過額定值.3.3.17R8:R8的作用在保護Q1,避免Q1呈現浮接狀態.3.3.18R7(Rs電阻):3843Pin3腳電壓最高為1V,R7的大小須與R4配合,以達到高低壓平衡的目的,一般使用2WM.O.電阻,設計時先決定R7後再加上R4補償,一般將3843Pin3腳電壓設計在0.85V0.95V之間(視瓦數而定,若瓦數較小則不能太接近1V,以免因零件誤差而頂到1V).3.3.19R5,C3(RCfilter):濾除3843Pin3腳的雜訊,R5一般使用1K1/8W,C3一般使用102P/
17、50V的陶質電容,C3若使用電容值較小者,重載可能不開機(因為3843Pin3瞬間頂到1V);若使用電容值較大者,也許會有輕載不開機及短路Pin過大的問題.3.3.20R9(Q1Gate電阻):R9電阻的大小,會影響到EMI及溫昇特性,一般而言阻值大,Q1turnon/turnoff的速度較慢,EMI特性較好,但Q1的溫昇較高、效率較低(主要是因為turnoff速度較慢);若阻值較小,Q1turnon/turnoff的速度較快,Q1溫昇較低、效率較高,但EMI較差,一般使用51-1501/8W.3.3.21R6,C4(控制振盪頻率):決定3843的工作頻率,可由DataSheet得到R、C組成
18、的工作頻率,C4一般為10nf的電容(誤差為5%),R6使用精密電阻,以DA-14B33為例,C4使用103P/50VPE電容,R6為3.74K1/8W精密電阻,振盪頻率約為45KHz.3.3.22C5:功能類似RCfilter,主要功用在於使高壓輕載較不易振盪,一般使用101P/50V陶質電容.3.3.23U1(PWMIC):3843是PWMIC的一種,由PhotoCoupler(U2)回授信號控制DutyCycle的大小,Pin3腳具有限流的作用(最高電壓1V),目前所用的3843中,有KA3843(SAMSUNG)及UC3843BN(S.T.)兩種,兩者腳位相同,但產生的振盪頻率略有差異
19、,UC3843BN較KA3843快了約2KHz,fT的增加會衍生出一些問題(例如:EMI問題、短路問題),因KA3843較難買,所以新機種設計時,儘量使用UC3843BN.3.3.24R1、R11、R12、C2(一次側迴路增益控制):3843內部有一個ErrorAMP(誤差放大器),R1、R11、R12、C2及ErrorAMP組成一個負回授電路,用來調整迴路增益的穩定度,迴路增益,調整不恰當可能會造成振盪或輸出電壓不正確,一般C2使用立式積層電容(溫度持性較好).3.3.25U2(Photocoupler)光耦合器(Photocoupler)主要將二次側的信號轉換到一次側(以電流的方式),當二
20、次側的TL431導通後,U2即會將二次側的電流依比例轉換到一次側,此時3843由Pin6(output)輸出off的信號(Low)來關閉Q1,使用Photocoupler的原因,是為了符合安規需求(primacytosecondary的距離至少需5.6mm).3.3.26R13(二次側迴路增益控制):控制流過Photocoupler的電流,R13阻值較小時,流過Photocoupler的電流較大,U2轉換電流較大,迴路增益較快(需要確認是否會造成振盪),R13阻值較大時,流過Photocoupler的電流較小,U2轉換電流較小,迴路增益較慢,雖然較不易造成振盪,但需注意輸出電壓是否正常.3.3
21、.27U3(TL431)、R15、R16、R18調整輸出電壓的大小,輸出電壓不可超過38V(因為TL431VKA最大為36V,若再加Photocoupler的VF值,則Vo應在38V以下較安全),TL431的Vref為2.5V,R15及R16並聯的目的使輸出電壓能微調,且R15與R16並聯後的值不可太大(儘量在2K以下),以免造成輸出不準.3.3.28R14,C9(二次側迴路增益控制):控制二次側的迴路增益,一般而言將電容放大會使增益變慢;電容放小會使增益變快,電阻的特性則剛好與電容相反,電阻放大增益變快;電阻放小增益變慢,至於何謂增益調整的最佳值,則可以Dynamicload來量測,即可取得
22、一個最佳值.3.3.29D4(整流二極體):因為輸出電壓為3.3V,而輸出電壓調整器(OutputVoltageRegulator)使用TL431(Vref=2.5V)而非TL432(Vref=1.25V),所以必須多增加一組繞組提供Photocoupler及TL431所需的電源,因為U2及U3所需的電流不大(約10mA左右),二極體耐壓值100V即可,所以只需使用1N4148(0.15A/100V).3.3.30C8(濾波電容):因為U2及U3所需的電流不大,所以只要使用1u/50V即可.3.3.31D5(整流二極體):輸出整流二極體,D5的使用需考慮:a.電流值b.二極體的耐壓值以DA-1
23、4B33為例,輸出電流4A,使用10A的二極體(Schottky)應該可以,但經點溫昇驗証後發現D5溫度偏高,所以必須換為15A的二極體,因為10A的VF較15A的VF值大.耐壓部分40V經驗証後符合,因此最後使用15A/40VSchottky.3.3.32C10,R17(二次側snubber):D5在截止的瞬間會有spike產生,若spike超過二極體(D5)的耐壓值,二極體會有被擊穿的危險,調整snubber可適當的減少spike的電壓值,除保護二極體外亦可改善EMI,R17一般使用1/2W的電阻,C10一般使用耐壓500V的陶質電容,snubber調整的過程(264V/63Hz)需注意R
24、17,C10是否會過熱,應避免此種情況發生.3.3.33C11,C13(濾波電容):二次側第一級濾波電容,應使用內阻較小的電容(LXZ,YXA),電容選擇是否洽當可依以下三點來判定:a.輸出Ripple電壓是符合規格b.電容溫度是否超過額定值c.電容值兩端電壓是否超過額定值3.3.34R19(假負載):適當的使用假負載可使線路更穩定,但假負載的阻值不可太小,否則會影響效率,使用時亦須注意是否超過電阻的額定值(一般設計只使用額定瓦數的一半).3.3.35L3,C12(LC濾波電路):LC濾波電路為第二級濾波,在不影響線路穩定的情況下,一般會將L3放大(電感量較大),如此C12可使用較小的電容值.
25、4設計驗証:(可分為三部分)a.設計階段驗証b.樣品製作驗証c.QE驗証4.1設計階段驗証設計實驗階段應該養成記錄的習慣,記錄可以驗証實驗結果是否與電氣規格相符,以下即就DA-14B33設計階段驗証做說明(驗証項目視規格而定).4.1.1電氣規格驗証:4.1.1.13843PIN3腳電壓(fullload4A):90V/47Hz=0.83V115V/60Hz=0.83V132V/60Hz=0.83V180V/60Hz=0.86V230V/60Hz=0.88V264V/63Hz=0.91V4.1.1.2DutyCycle,fT:4.1.1.3Vin(min)=100V(90V/47Hzfulll
26、oad)4.1.1.4Stress(264V/63Hzfullload):Q1MOSFET:4.1.1.5輔助電源(開機,滿載)、短路Pinmax.:4.1.1.6Static(fullload)Pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V)P.F.Ripple(mV)Pout(w)eff90V/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60.3143.300.522813.2271.1132V/60Hz18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60Hz18.70.2143.300.493013.2370.7230V/
27、60Hz18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60Hz19.20.1643.300.452913.2368.94.1.1.7FullRange負載(0.3A-4A)(驗証是否有振盪現象)4.1.1.8回授失效(輸出輕載)Vout=8.3V90V/47HzVout=6.03V264V/63Hz4.1.1.9O.C.P.(過電流保護)90V/47Hz=7.2A264V/63Hz=8.4A4.1.1.10Pin(max.)90V/47Hz=24.9W264V/63Hz=27.1W4.1.1.11DynamictestH=4A,t1=25ms,slewRate=0.8A/m
28、s(Rise)L=0.3A,t2=25ms,slewRate=0.8A/ms(Full)90V/47Hz264V/63Hz4.1.1.12HI-POTtest:HI-POTtest一般可分為兩種等級:輸入為3Pin(有FG者),HI-POTtest為1500Vac/1minute.Y-CAP使用Y2-CAP輸入為2Pin(無FG者),HI-POTtest為3000Vac/1minute.Y-CAP使用Y1-CAPDA-14B33屬於輸入3PINHI-POTtest為1500Vac/1minute.4.1.1.13Groundingtest:輸入為3Pin(有FG者),一般均要測接地阻(Grou
29、ndingtest),安規規定FG到輸出線材(輸出端)的接地電阻不能超過100M(2.5mA/3Second).4.1.1.14溫昇記錄設計實驗定案後(暫定),需針對整體溫昇及EMI做評估,若溫昇或EMI無法符合規格,則需重新實驗.溫昇記錄請參考附件,D5原來使用BYV118(10A/40VSchottkybarrier肖特基二極管),因溫昇較高改為PBYR1540CTX(15A/40V).4.1.1.15EMI測試:EMI測試分為二類:Conduction(傳導干擾)Radiation(幅射干擾)前者視規範不同而有差異(FCC:450K-30MHz,CISPR22:150K-30MHz),前
30、者可利用廠內的頻譜分析儀驗証;後者(範圍由30M-300MHz,則因廠內無設備必須到實驗室驗証,Conduction,Radiation測試資料請參考附件).4.1.1.16機構尺寸:設計階段即應對機構尺寸驗証,驗証的項目包括:PCB尺寸、零件限高、零件禁置區、螺絲孔位置及孔徑、外殼孔寸.,若設計階段無法驗証,則必須在樣品階段驗証.4.1.2樣品驗証:樣品製作完成後,除溫昇記錄、EMI測試外(是否需重新驗証,視情況而定),每一台樣品都應經過驗証(包括電氣及機構尺寸),此階段的電氣驗証可以以ATE(Chroma)測試來完成,ATE測試必須與電氣規格相符.4.1.3QE驗証:QE針對工程部所提供的樣品做驗証,工程部應提供以下交件及樣品供QE驗証.-