1、开关电源设计流程 摘要： 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、PCB Layout. 2.2 变压器计算. 2.3 零件选用. 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、PCB Layout. 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、PCB Layout 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
2、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(cm 2) B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定，以 TDK Ferrite Core PC40 为例， 100时的 B(max)为 3900 Gauss，设计时应考虑零件误差，所以一般取 30003500 Gauss 之间，若所设计的 power 为 Adapter(有外壳)则应取 3000 G
3、auss 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。 3.2.4 决定 Duty cycl
4、e (工作周期): 由以下公式可决定 Duty cycle ，Duty cycle 的设计一般以 50%为基准，Duty cycle 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(Duty cycle) 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 效率 PWM 震荡频率 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
5、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 Photo coupler 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。 3.2.10 DA-14B33 变压器计算: 输出瓦数 13.2W(3.3V/4A)，Core = EI-28，可绕面积(槽宽)=10
6、mm，Margin Tape = 2.8mm(每边)，剩余可绕面积=4.4mm. 假设 fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V， =0.7，P.F.=0.5(cos)，Lp=1600 Uh 计算式: l 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=0.86cm 2，可绕面积(槽宽)=10mm， 因 Margin Tape 使用 2.8mm，所以剩余可绕面积为 4.4mm. 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: 假设 NP使用 0.32 的线 电流密度= 可绕圈数= 假设 Secondar
7、y 使用 0.35 的线 电流密度= 假设使用 4P，则 电流密度= 可绕圈数= l 决定 Duty cycle: 假设 Np=44T，Ns=2T，V D=0.5(使用 schottky Diode) l 决定 Ip 值: l 决定辅助电源的圈数: 假设辅助电源=12V NA1=6.3 圈 假设使用 0.23 的线 可绕圈数= 若 NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V l 决定 MOSFET 及二次侧二极管的 Stress(应力): MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+ = =463.6V Diode(D5)=输出电压(Vo)+ x 最高输入电压(380V) = =20.5
8、7V Diode(D4)= = =41.4V l 其它: 因为输出为 3.3V，而 TL431 的 Vref 值为 2.5V，若再加上 photo coupler 上的压降约 1.2V，将使得输出电压无法推动 Photo coupler 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 0.35 线，则 可绕圈数= ，所以可将 NA2定为 4Tx2P l l 变压器的接线图: 0.32x1Px22T 0.35x4Px2T 0.32x1Px22T 0.35x2Px4T 0.23x2Px6T 3.3 零件选用: 零件位置(标注)请参考线路图: (DA
9、-14B33 Schematic) 3.3.1 FS1: 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。 3.3.2 TR1(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 SC
10、K053(3A/5)，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)。 3.3.3 VDR1(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 Power(一般常用 07D471K)，但若有价格上的考量， 可先忽略不装。 3.3.4 CY1，CY2(Y-Cap): Y-Cap 一般可分为 Y1 及 Y2 电容，若 AC Input 有 FG(3 Pin)一般使用 Y2- Cap ， AC Input 若为 2Pin(只有 L，N)一般使用 Y1
11、-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(Leakage Current )必须符合安规须求 (3Pin 公司标准为 750uA max)。 3.3.5 CX1(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:
12、FCC Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 两种 ， FCC 测试频 率在 450K30MHz，CISPR 22 测试频率在 150K30MHz， 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 1.2M 1/4W)。 3.3.6 LF1(Common Cho
13、ke): 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 Common Choke 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。 3.3.7 BD1(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。 3.3.8 C1(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
14、实际验证 Vin(min)是否正确，若 AC Input 范围在 90V132V (Vc1 电压最高约 190V)，可使用耐压 200V 的电容;若 AC Input 范围在 90V264V(或 180V264V)，因 Vc1 电压最高约 380V，所以必须使用耐压 400V 的电容。 3.3.9 D2(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) 3.3.10 R10(辅助电源电阻): 主要用于调整 PWM IC 的
15、 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)。 3.3.11 C7(滤波电容): 辅助电源的滤波电容，提供 PWM IC 较稳定的直流电压，一般使用 100uf/25V 电容。 3.3.12 Z1(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 3843 VCC 与 3843 Pin3 脚之间加一个 Zener Diode，当回授失效时 Zene
16、r Diode 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). 3.3.13 R2(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 3843 VCC 所需的 电压，R2 阻值较大时，turn on 的时间较长，但短路时 Pin 瓦数较小，R2 阻值较小时， turn on 的时间较短，短路时 Pin 瓦数较大，一般使用 220K/2W M.O。. 3.3.14 R4
17、(Line Compensation): 高、低压补偿用，使 3843 Pin3 脚在 90V/47Hz 及 264V/63Hz 接近一致(一般使用 750K1.5M 1/4W 之间)。 3.3.15 R3，C6，D1 (Snubber): 此三个零件组成 Snubber，调整 Snubber 的目的:1.当 Q1 off 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 2W M.O.电阻，C6 的耐压值以两端实际压
18、差为准(一般使用耐压 500V 的陶质电容)。 3.3.16 Q1(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 为考量，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。 3.3.17 R8: R8 的作用在保护 Q1，避免 Q1 呈现浮接状态。 3.3.18 R7(Rs 电阻): 3843 Pin3 脚电压最高为 1V，R7 的大小须与 R4 配合，以达到高低压平衡
19、的目的，一般使 用 2W M.O.电阻，设计时先决定 R7 后再加上 R4 补偿，一般将 3843 Pin3 脚电压设计在 0.85V0.95V 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)。 3.3.19 R5，C3(RC filter): 滤除 3843 Pin3 脚的噪声，R5 一般使用 1K 1/8W，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 3843 Pin3 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。 3.3.20 R9(Q1 Gate 电阻 ): R9
20、 电阻的大小，会影响到 EMI 及温升特性，一般而言阻值大，Q1 turn on / turn off 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 turn off 速度较慢); 若阻值较小， Q1 turn on / turn off 的速度较快，Q1 温升较低、效率较高，但 EMI 较差， 一般使用 51-150 1/8W。 3.3.21 R6，C4(控制振荡频率): 决定 3843 的工作频率，可由 Data Sheet 得到 R、C 组成的工作频率，C4 一般为 10nf 的电 容(误差为 5%)，R6 使用精密电阻，以 DA-14B33 为例，C4 使
21、用 103P/50V PE 电容，R6 为 3.74K 1/8W 精密电阻，振荡频率约为 45 KHz。 3.3.22 C5: 功能类似 RC filter，主要功用在于使高压轻载较不易振荡，一般使用 101P/50V 陶质电容。 3.3.23 U1(PWM IC): 3843 是 PWM IC 的一种，由 Photo Coupler (U2)回授信号控制 Duty Cycle 的大小，Pin3 脚具有限流的作用(最高电压 1V)，目前所用的 3843 中，有 KA3843(SAMSUNG)及 UC3843BN(S.T.)两种，两者脚位相同，但产生的振荡频率略有差异，UC3843BN 较 KA
22、3843 快了约 2KHz，f T的增加会衍生出一些问题(例如:EMI 问题、短路问题)，因 KA3843 较难买， 所以新机种设计时，尽量使用 UC3843BN。 3.3.24 R1、R11、R12、C2(一次侧回路增益控制): 3843 内部有一个 Error AMP(误差放大器)，R1、R11、R12、C2 及 Error AMP 组成一个负回 授电路，用来调整回路增益的稳定度，回路增益，调整不恰当可能会造成振荡或输出电压 不正确，一般 C2 使用立式积层电容(温度持性较好)。 3.3.25 U2(Photo coupler) 光耦合器(Photo coupler)主要将二次侧的信号转换
23、到一次侧(以电流的方式)，当二次侧的 TL431 导通后，U2 即会将二次侧的电流依比例转换到一次侧，此时 3843 由 Pin6 (output) 输出 off 的信号(Low)来关闭 Q1，使用 Photo coupler 的原因，是为了符合安规需求 (primacy to secondary 的距离至少需 5.6mm)。 3.3.26 R13(二次侧回路增益控制): 控制流过 Photo coupler 的电流，R13 阻值较小时，流过 Photo coupler 的电流较大，U2 转换电流较大，回路增益较快(需要确认是否会造成振荡)，R13 阻值较大时，流过 Photo coupler
24、 的电流较小，U2 转换电流较小，回路增益较慢，虽然较不易造成振荡，但需注意 输出电压是否正常。 3.3.27 U3(TL431)、R15、R16、R18 调整输出电压的大小， ，输出电压不可超过 38V(因为 TL431 VKA最大为 36V，若再加 Photo coupler 的 VF值，则 Vo 应在 38V 以下较安全)，TL431 的 Vref 为 2.5V，R15 及 R16 并联的目的使输出电压能微调，且 R15 与 R16 并联后的值不可太大(尽量在 2K 以下)，以 免造成输出不准。 3.3.28 R14，C9(二次侧回路增益控制): 控制二次侧的回路增益，一般而言将电容放大
25、会使增益变慢；电容放小会使增益变快，电 阻的特性则刚好与电容相反，电阻放大增益变快；电阻放小增益变慢，至于何谓增益调整 的最佳值，则可以 Dynamic load 来量测，即可取得一个最佳值。 3.3.29 D4(整流二极管): 因为输出电压为 3.3V，而输出电压调整器(Output Voltage Regulator)使用 TL431(Vref=2.5V)而非 TL432(Vref=1.25V)，所以必须多增加一组绕组提供 Photo coupler 及 TL431 所需的电源，因为 U2 及 U3 所需的电流不大(约 10mA 左右)，二极管耐压值 100V 即可，所以只需使用 1N41
26、48(0.15A/100V)。 3.3.30 C8(滤波电容): 因为 U2 及 U3 所需的电流不大，所以只要使用 1u/50V 即可。 3.3.31 D5(整流二极管): 输出整流二极管，D5 的使用需考虑: a. 电流值 b. 二极管的耐压值 以 DA-14B33 为例，输出电流 4A，使用 10A 的二极管(Schottky)应该可以，但经点温升验 证后发现 D5 温度偏高，所以必须换为 15A 的二极管，因为 10A 的 VF较 15A 的 VF 值大。耐 压部分 40V 经验证后符合，因此最后使用 15A/40V Schottky。 3.3.32 C10，R17(二次侧 snubb
27、er) : D5 在截止的瞬间会有 spike 产生，若 spike 超过二极管(D5)的耐压值，二极管会有被击穿 的危险，调整 snubber 可适当的减少 spike 的电压值，除保护二极管外亦可改善 EMI，R17 一般使用 1/2W 的电阻，C10 一般使用耐压 500V 的陶质电容，snubber 调整的过程 (264V/63Hz)需注意 R17,C10 是否会过热，应避免此种情况发生。 3.3.33 C11，C13(滤波电容): 二次侧第一级滤波电容，应使用内阻较小的电容(LXZ，YXA)，电容选择是否洽当可依以 下三点来判定: a. 输出 Ripple 电压是符合规格 b. 电容
28、温度是否超过额定值 c. 电容值两端电压是否超过额定值 3.3.34 R19(假负载): 适当的使用假负载可使线路更稳定，但假负载的阻值不可太小，否则会影响效率，使用时 亦须注意是否超过电阻的额定值(一般设计只使用额定瓦数的一半)。 3.3.35 L3，C12(LC 滤波电路): LC 滤波电路为第二级滤波，在不影响线路稳定的情况下，一般会将 L3 放大(电感量较大)， 如此 C12 可使用较小的电容值。 4 设计验证:(可分为三部分) a. 设计阶段验证 b. 样品制作验证 c. QE 验证 4.1 设计阶段验证 设计实验阶段应该养成记录的习惯，记录可以验证实验结果是否与电气规格相符，以下即
29、 就 DA-14B33 设计阶段验证做说明(验证项目视规格而定)。 4.1.1 电气规格验证: 4.1.1.1 3843 PIN3 脚电压(full load 4A) : 90V/47Hz = 0.83V 115V/60Hz = 0.83V 132V/60Hz = 0.83V 180V/60Hz = 0.86V 230V/60Hz = 0.88V 264V/63Hz = 0.91V 4.1.1.2 Duty Cycle , fT: 4.1.1.3 Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load) 4.1.1.4 Stress (264V / 63Hz full lo
30、ad) : Q1 MOSFET: D5: D4: 4.1.1.5 辅助电源(开机，满载)、短路 Pin max.: 4.1.1.6 Static (full load) Pin(w) Iin(A) Iout(A) Vout(V) P.F. Ripple(mV) Pout(w) eff 90V/47Hz 18.7 0.36 4 3.30 0.57 32 13.22 70.7 115V/60Hz 18.6 031 4 3.30 0.52 28 13.22 71.1 132V/60Hz 18.6 0.28 4 3.30 0.50 29 13.22 71.1 180V/60Hz 18.7 0.21 4
31、 3.30 0.49 30 13.23 70.7 230V/60Hz 18.9 0.18 4 3.30 0.46 29 13.22 69.9 264V/60Hz 19.2 0.16 4 3.30 0.45 29 13.23 68.9 90V/47Hz = OK 115V/60Hz = OK 132V/60Hz = OK 180V/60Hz = OK 230V/60Hz = OK 264V/63Hz = OK 4.1.1.7 Full Range 负载(0.3A-4A) (验证是否有振荡现象) 4.1.1.8 回授失效(输出轻载) 90V/47Hz Vout = 8.3V 264V/63Hz V
32、out = 6.03V 4.1.1.9 O.C.P.(过电流保护) 90V/47Hz = 7.2A 264V/63Hz = 8.4A 4.1.1.10 Pin(max.) 90V/47Hz = 24.9W 264V/63Hz = 27.1W 4.1.1.11 Dynamic test H=4A，t1=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Rise) L=0.3A，t2=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Full) 90V/47Hz 264V/63Hz 4.1.1.12 HI-POT test: HI-POT test 一般可分为两种等级: 输入为 3 Pin(有
33、 FG 者)，HI-POT test 为 1500Vac/1 minute。Y-CAP 使用 Y2-CAP 输入为 2 Pin(无 FG 者)，HI-POT test 为 3000Vac/1 minute。Y-CAP 使用 Y1-CAP DA-14B33 属于输入 3 PIN HI-POT test 为 1500Vac/1 minute。 4.1.1.13 Grounding test: 输入为 3 Pin(有 FG 者)，一般均要测接地阻(Grounding test)，安规规定 FG 到输出线材 (输出端)的接地电阻不能超过 100m(25A/3 Second)。 4.1.1.14 温升记
34、录 设计实验定案后(暂定)，需针对整体温升及 EMI 做评估，若温升或 EMI 无法符合规格，则 需重新实验。温升记录请参考附件，D5 原来使用 BYV118(10A/40V Schottky)，因温升较高 改为 PBYR1540CTX(15A/40V)。 4.1.1.15 EMI 测试: EMI 测试分为二类: Conduction(传导干扰) Radiation(幅射干扰) 前者视规范不同而有差异(FCC : 450K - 30MHz，CISPR 22 :150K - 30MHz)，前者可利用 厂内的频谱分析仪验证；后者(范围由 30M - 300MHz，则因厂内无设备必须到实验室验证，
35、Conduction，Radiation 测试数据请参考附件) 。 4.1.1.16 机构尺寸: 设计阶段即应对机构尺寸验证，验证的项目包括 : PCB 尺寸、零件限高、零件禁置区、螺 丝孔位置及孔径、外壳孔寸.，若设计阶段无法验证，则必须在样品阶段验证。 4.1.2 样品验证: 样品制作完成后，除温升记录、EMI 测试外(是否需重新验证，视情况而定)，每一台样品 都应经过验证(包括电气及机构尺寸)，此阶段的电气验证可以以 ATE(Chroma)测试来完成， ATE 测试必须与电气规格相符。 4.1.3 QE 验证: QE 针对工程部所提供的样品做验证，工程部应提供以下交件及样品供 QE 验证。
