2022年2022年开关电源设计范例 .pdf
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1、1/141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GaussxNpxAeLpxIpB100(max)B(max) = 铁心饱合的磁通密度
2、(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 (cm2) 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 Gauss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
3、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 cycle (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。名师资
4、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 14 页 - - - - - - - - - 2/14xDVinDxVVoNpNsD(min)1()(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: IIavIp21xDxVinPoutIav(min)fPxLpVinI(min)Ip = 一次侧峰值电流Iav = 一次侧平均电流Pout
5、 = 输出瓦数效率fPWM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GaussxNpxAeLpxIpB100(max)公式中,如此可得出B(max),若
6、B(max)值太高或太低则参数必须重新调整。3.2.10DA-14B33 变压器计算 : 输出瓦数 13.2W(3.3V/4A), Core = EI-28 , 可绕面积 (槽宽)=10mm, 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 : 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=0.86cm2,可绕面积(槽宽)=10mm,因 Margin Tape使用 2.8mm ,所以剩余可绕面积为 4.4m
7、m. 假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定 90V。决定变压器的线径及线数: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 14 页 - - - - - - - - - 3/14AxxxxVinPoutIin42. 05 . 07.0902.13cos(min)假设 NP使用 0.32的线电流密度 =Axx286.11024.014.342.0232.014.342. 02可绕圈数 =圈線徑剩餘可繞面績57.1203. 032.04 .4假设 Sec
8、ondary使用 0.35的线电流密度 =Axx07.440289. 014. 34235. 014. 342假设使用 4P,则电流密度 =A02.11407.44可绕圈数 =圈57.1103.035. 04. 4决定 Duty cycle: 假设 Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用 schottky Diode) DVinDVVoNpNsD(min)1%2 .489015 .03.3442DDD决定 Ip 值: IIavIp21AxxxDxVinPoutIav435.0482.07.0902.13(min)AKxufDxLpVinI603.045482.0160090(min)AI
9、p737.02603.0435.0决定辅助电源的圈数 : 假设辅助电源 =12V 128 .31ANNs128 .321ANNA1=6.3圈假设使用 0.23的线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 14 页 - - - - - - - - - 4/14可绕圈数 =圈13.19)02.023.0(4.4若 NA1=6Tx2P,则辅助电源 =11.4V 决定 MOSFET及二次侧二极管的Stress( 应力): MOSFET(Q1) = 最高输入电压 (380V)
10、+DVVoNsNp=5.03.3244380=463.6V Diode(D5)=输出电压 (Vo)+NpNsx 最高输入电压 (380V) =3804423.3x=20.57V Diode(D4)=)380()(2VxNpNsNA最高輸入電壓輸出電壓=3804446.6x=41.4V 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 =T58.11
11、03.035. 04. 4,所以可将 NA2定为 4Tx2P 228.3AAVNNsVVVAA6.78.34222GaussxxxGaussxNpxAeLpxIpB3.311610086.044737.01600)(100(max)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 14 页 - - - - - - - - - 5/14变压器的接线图 : 3.3零件选用 : 零件位置 (标注)请参考线路图 : (DA-14B33 Schematic) 3.3.1FS1: 由变
12、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。3.3.2TR1(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 SCK053(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
13、大(一般使用在大瓦数的 Power上)。3.3.3VDR1(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),但若有价格上的考虑,可先忽略不装。3.3.4CY1,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-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
14、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)。0.32x1Px22T 0.32x1Px22T 0.35x2Px4T 0.35x4Px2T 0.23x2Px6T 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 14 页
15、 - - - - - - - - - 6/143.3.5CX1(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 : 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-Ca
16、p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)。3.3.6LF1(Common Choke): 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。3.3.7BD1(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
17、所以耐压只要600V 即可。3.3.8C1(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。3.3.9D2(辅助电源二极管 ): 整流二极管,一般常用FR105(1A/600V) 或 BYT42M(1A/100
18、0V),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) 3.3.10R10(辅助电源电阻 ): 主要用于调整 PWM IC 的 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 )。3.3.11C7(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。3.3.12Z1(Zener二极管 ): 当回授失效时的保护电路
19、, 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 Zener 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). 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共
20、 14 页 - - - - - - - - - 7/143.3.13R2(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。. 3.3.14R4 (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)。3.3.15R3,C6,D1
21、 (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差为准(一般使用耐压 500V 的陶质电容 )。3.3.16Q1(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
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