bookNEW开关电源设计流程.doc

1、設計流程簡介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、PCB Layout.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、PCB Layout 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 GausxNpAeLIB10(ma) B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss)

2、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(cm 2) B(max) 依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以 TDK Ferrite Core PC40 為例，100時的 B(max)為 3900 Gauss，設計時應考慮零件誤差，所以一般取 30003500 Gauss 之間，若所設計的 power 為 Adapter(有外殼) 則應取 3000 Gauss 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

3、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而言，只能當做參考值，最終應以溫昇記錄為準。設計流程簡介2/153.2.4 決定 Duty cycle (工作週期):由以下公式可決定 Duty cycle ，Duty cycle 的設計一般以 50%為基準，Duty cycle 若超過 50%易導致振盪的發生。xDV

4、inoNps(m)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(Duty cycle)3.2.5 決定 Ip 值: IIavp21xDVinPoutav(m)fPxLpVinI(m) 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f3.2.6 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(S

5、tress)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 Photo coupler 及 TL431 使用。3.2.9 將所得資料代入 公式中，如此可得出 B(max)，GausxNpAeLIB10(ma)若 B(max)值太高或太低則參數必須重新調整。3.2.10 DA-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，Margin Tape = 2.8mm(每邊)，剩餘可繞面積

6、=4.4mm. 假設 fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V， =0.7，P.F.=0.5(cos) ，Lp=1600 Uh設計流程簡介3/15 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=0.86cm 2，可繞面積(槽寬)=10mm ，因Margin Tape 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: AxxVinPoutI 42.057.913cs(m) 假設 NP使用 0.32 的線電流密度= xx86.1024.32.014.

7、3可繞圈數= 圈線 徑剩 餘 可 繞 面 績 57. 假設 Secondary 使用 0.35 的線電流密度= Axx0.4289.1325.014.3 假設使用 4P，則電流密度= A0.47.可繞圈數= 圈57.13.5 決定 Duty cycle: 假設 Np=44T，Ns=2T，V D=0.5(使用 schottky Diode)inVoNpsD(m)1%2.48905.342 決定 Ip 值: IIavp21AxxDVinPout 435.082.79013(m)設計流程簡介4/15AKxufDxLpVinI 603.4582.1609(m)A73.2.435.0 決定輔助電源的圈數

8、:假設輔助電源=12VNA1=6.3 圈128.3ANs128.3A假設使用 0.23 的線可繞圈數= 圈3.9)0.3(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)+ DVoNsp= 5.03248=463.6VDiode(D5)=輸出電壓(Vo)+ x 最高輸入電壓(380V)Nps= 38042.x=20.57VDiode(D4)= )380()(2 VxNpsA最 高 輸 入 電 壓輸 出 電 壓= =41.4V38046.x 其它:因為輸出為 3.3V，而 TL431 的

9、 Vref 值為 2.5V，若再加上 photo coupler 上的壓降約 1.2V，將使得輸出電壓無法推動 Photo coupler 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T58.103.5.44Tx2P設計流程簡介5/1528.3AVNsVA6.78.3422 GausxGausxpeLIB 3.1608.431)(10(ma) 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-14B33 Schematic)3.3.1 FS1:由變壓器計算得到 Iin

10、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。3.3.2 TR1(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 P

11、ower 上) 。3.3.3 VDR1(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。0.32x1Px22T0.32x1Px22T0.35x2Px4T0.35x4Px2T0.23x2Px6T設計流程簡介6/153.3.4 CY1，CY2(Y-Cap):Y-Cap 一般可分為 Y1 及 Y2 電容，若 AC Input 有 FG(3 Pin)一般使用 Y2- Cap ， AC Input 若為 2Pin(只有 L，N)一般

12、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(Leakage Current )必須符合安規須求(3Pin 公司標準為 750uA max)。3.3.5 CX1(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: FC

13、C Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 兩種 ， FCC 測試頻率在450K30MHz，CISPR 22 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 0.22uf)，安規規定必須要有洩放電阻(RX1，一般為1.2M 1/4W)。3.3.6 LF1(Common Choke):EMI 防制零

14、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 Common Choke 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。3.3.7 BD1(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。3.3.8 C1(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

15、AC Input 範圍在 90V132V (Vc1 電壓最高約 190V)，可使用耐壓 200V 的電容;若 AC Input 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。3.3.9 D2(輔助電源二極體):設計流程簡介7/15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)3.3.10 R10(輔助電源電阻):主要用於調整 PWM IC 的 VCC 電壓，以目前使用的 3

16、843 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)。3.3.11 C7(濾波電容):輔助電源的濾波電容，提供 PWM IC 較穩定的直流電壓，一般使用100uf/25V 電容。3.3.12 Z1(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3843 VCC 與 3843 Pin3 腳之間加一個 Zener Diode，當回授失效時Zener Diode 會崩潰，使得 Pin3 腳提前到

17、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 ).3.3.13 R2(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 3843 VCC 所需的電壓，R2 阻值較大時，turn on 的時間較長，但短路時 Pin 瓦數較小，R2 阻值較小時，turn on 的時間較短，短路時 Pin 瓦數較大，一般使用 220K/2W M.O。.3.3.14 R4 (Line Compensation):高、低壓補償用，使 3

18、843 Pin3 腳在 90V/47Hz 及 264V/63Hz 接近一致(一般使用 750K1.5M 1/4W 之間)。3.3.15 R3，C6 ，D1 (Snubber):此三個零件組成 Snubber，調整 Snubber 的目的:1. 當 Q1 off 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 2W M.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)。3.3.16 Q1(

19、N-MOS):設計流程簡介8/15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 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。3.3.17 R8:R8 的作用在保護 Q1，避免 Q1 呈現浮接狀態。3.3.18 R7(Rs 電阻):3843 Pin3 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 2W M.O.電阻，設計時先決定 R7 後再加

20、上 R4 補償，一般將 3843 Pin3 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)。3.3.19 R5，C3(RC filter):濾除 3843 Pin3 腳的雜訊，R5 一般使用 1K 1/8W，C3 一般使用102P/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 3843 Pin3 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。3.3.20 R9(Q1 Gate 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，Q1 turn on

21、/ turn off 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 turn off 速度較慢);若阻值較小， Q1 turn on / turn off 的速度較快，Q1 溫昇較低、效率較高，但 EMI 較差，一般使用 51-150 1/8W。3.3.21 R6，C4(控制振盪頻率):決定 3843 的工作頻率，可由 Data Sheet 得到 R、C 組成的工作頻率，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/50V PE 電容， R6 為 3.74K 1/8W 精密電阻，振盪頻率約為 4

22、5 KHz。3.3.22 C5:功能類似 RC filter，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。3.3.23 U1(PWM IC):3843 是 PWM IC 的一種，由 Photo Coupler (U2)回授信號控制 Duty Cycle 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，UC3843BN 較 KA3843 快了約 2KHz，f T的增加會衍生出一些問題(例如 :EMI 問題、短路問題) ，因 KA

23、3843 較難買，所以新機種設計時，儘量使用 UC3843BN。設計流程簡介9/153.3.24 R1、R11 、R12、C2(一次側迴路增益控制):3843 內部有一個 Error AMP(誤差放大器)，R1 、R11、R12 、C2 及Error AMP 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)。3.3.25 U2(Photo coupler)光耦合器(Photo coupler)主要將二次側的信號轉換到一次側(以電流的方式)，當二次側的 TL431 導通後，U2 即會將二次側的電流依比例轉

24、換到一次側，此時 3843 由 Pin6 (output)輸出 off 的信號(Low)來關閉 Q1，使用 Photo coupler 的原因，是為了符合安規需求(primacy to secondary 的距離至少需 5.6mm)。3.3.26 R13(二次側迴路增益控制):控制流過 Photo coupler 的電流，R13 阻值較小時，流過 Photo coupler 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 Photo coupler 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

25、.3.27 U3(TL431)、R15、R16、R18調整輸出電壓的大小， ，輸出電壓不可超16/583RxVrefo過 38V(因為 TL431 VKA最大為 36V，若再加 Photo coupler 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。3.3.28 R14，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

26、阻放小增益變慢，至於何謂增益調整的最佳值，則可以Dynamic load 來量測，即可取得一個最佳值。3.3.29 D4(整流二極體):因為輸出電壓為 3.3V，而輸出電壓調整器(Output Voltage Regulator)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 Photo coupler 及 TL431 所需的電源，因為 U2 及 U3 所設計流程簡介10/15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)。3.3.30 C8(濾波電容):因為 U2

27、 及 U3 所需的電流不大，所以只要使用 1u/50V 即可。3.3.31 D5(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-14B33 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/40V Schottky。3.3.32 C10，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

28、，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 R17,C10 是否會過熱，應避免此種情況發生。3.3.33 C11，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3.3.34 R19(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)。3.3.35 L3，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。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