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电源设计的流程
sdjntl | 2009-07-15 08:51:59    阅读:7200   发布文章

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(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 

Ø B(max)       =       铁心饱合的磁通密度(Gauss)

Ø Lp = 一次侧电感值(uH)

Ø Ip  = 一次侧峰值电流(A)

Ø Np = 一次侧(主线圈)圈数

Ø Ae = 铁心截面积(cm2)

Ø 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)3900 Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500 Gauss之间,若所设计的powerAdapter(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。                                                                             

Ø             NS = 二次侧圈数

Ø             NP = 一次侧圈数

Ø             Vo = 输出电压

Ø             VD= 二极管顺向电压

Ø             Vin(min) = 滤波电容上的谷点电压

Ø             D = 工作周期(Duty cycle)

3.2.5            决定Ip:

                             

Ø          Ip = 一次侧峰值电流

Ø          Iav = 一次侧平均电流

Ø          Pout = 输出瓦数

Ø          效率

Ø          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 couplerTL431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:

² 输出瓦数13.2W(3.3V/4A)Core = EI-28,可绕面积(槽宽)=10mmMargin Tape = 2.8mm(每边),剩余可绕面积=4.4mm.

² 假设fT = 45 KHz Vin(min)=90V =0.7P.F.=0.5(cosθ)Lp=1600 Uh

 

 

²             计算式:

l        变压器材质及尺寸:

²       由以上假设可知材质为PC-40,尺寸=EI-28Ae=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4.4mm.

²       假设滤波电容使用47uF/400VVin(min)暂定90V

l        决定变压器的线径及线数:

²       假设NP使用0.32ψ的线

电流密度=

可绕圈数=

²       假设Secondary使用0.35ψ的线

电流密度=

²       假设使用4P,则

电流密度=

                                                                              可绕圈数=

l        决定Duty cycle:

²       假设Np=44TNs=2TVD=0.5(使用schottky Diode)

 

 

l        决定Ip:

l        决定辅助电源的圈数:

假设辅助电源=12V

                      NA1=6.3

假设使用0.23ψ的线

可绕圈数=

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)

=

=20.57V

Diode(D4)=

= =41.4V

l        其它:

因为输出为3.3V,而TL431Vref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 couplerTL431,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0.35ψ线,则

可绕圈数= ,所以可将NA2定为4Tx2P

         

l       

l       
变压器的接线图:

 

0.32Φx1Px22T

 

0.35Φx4Px2T

 

0.32Φx1Px22T

 

0.35Φx2Px4T

 

0.23Φx2Px6T

 

 


3.3            零件选用:

零件位置(标注)请参考线路图: (DA-14B33 Schematic)

3.3.1                       FS1:

由变压器计算得到Iin值,以此Iin(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):

电源激活的瞬间,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IinSpec之内(115V/30A230V/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/5Ω),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)

 

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            CY1CY2(Y-Cap):

Y-Cap一般可分为Y1Y2电容,若AC InputFG(3 Pin)一般使用Y2- Cap AC Input若为2Pin(只有LN)一般使用Y1-CapY1Y2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-CapY-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ConductionRadiation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450K~30MHzCISPR 22测试频率在150K~30MHz 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 ~ M之间)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-Cap0.22uf以上(包含0.22uf),安规规定必须要有泄放电阻(RX1,一般为1.2MΩ 1/4W)

3.3.6            LF1(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。

3.3.7            BD1(整流二极管):

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):

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90V~132V (Vc1 电压最高约190V),可使用耐压200V的电容;AC Input 范围在90V~264V(180V~264V),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)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=1.2VBYT42M=1.4V)

3.3.10          R10(辅助电源电阻):

主要用于调整PWM ICVCC电压,以目前使用的3843而言,设计时VCC必须大于8.4V(Min. Load),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 VCC3843 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Q1VGS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(激活电阻):

提供3843第一次激活的路径,第一次激活时透过R2C7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220KΩ/2W M.O.

3.3.14          R4 (Line Compensation):

高、低压补偿用,使3843 Pin3脚在90V/47Hz264V/63Hz接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ 1/4W之间)

3.3.15          R3C6D1 (Snubber):

此三个零件组成Snubber,调整Snubber的目的:1.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)

 

 

 

3.3.16          Q1(N-MOS):

目前常使用的为3A/600V6A/600V两种,6A/600VRDS(ON)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1VR7的大小须与R4配合,以达到高低压平衡的目的,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0.85V~0.95V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          R5C3(RC filter):

滤除3843 Pin3脚的噪声,R5一般使用1KΩ 1/8WC3一般使用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51Ω-150Ω 1/8W

3.3.21          R6C4(控制振荡频率):

决定3843的工作频率,可由Data Sheet得到RC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使用103P/50V PE电容,R63.74KΩ 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):

3843PWM 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)UC3843BN(S.T.)两种,两者脚位相同,但产生的振荡频率略有差异,UC3843BNKA3843快了约2KHzfT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          R1R11R12C2(一次侧回路增益控制):

3843内部有一个Error AMP(误差放大器)R1R11R12C2Error 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3843Pin6 (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)R15R16R18

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 couplerVF值,则Vo应在38V以下较安全)TL431Vref2.5VR15R16并联的目的使输出电压能微调,且R15R16并联后的值不可太大(尽量在2KΩ以下),以免造成输出不准。

3.3.28          R14C9(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 couplerTL431所需的电源,因为U2U3所需的电流不大(10mA左右),二极管耐压值100V即可,所以只需使用1N4148(0.15A/100V)

3.3.30          C8(滤波电容):

因为U2U3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

DA-14B3

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h3503  2009-11-11 12:38:16 

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