開關電源設計手冊 2

分享 收藏 已有 1569 次阅读  2011-07-16 15:40

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、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(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 

Ø        B(max) =   鐵心飽合的磁通密度(Gauss)

Ø        Lp   =   一次側電感值(uH)

Ø        Ip    =   一次側峰值電流(A)

Ø        Np   =   一次側(主線圈)圈數

Ø        Ae   =   鐵心截面積(cm2)

Ø        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)3900 Gauss,設計時應考慮零件誤差,所以一般取3000~3500 Gauss之間,若所設計的powerAdapter(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。

3.2.4    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。 

Ø           NS = 二次側圈數

Ø           NP = 一次側圈數

Ø           Vo = 輸出電壓

Ø           VD= 二極體順向電壓

Ø           Vin(min) = 濾波電容上的谷點電壓

Ø           D = 工作週期(Duty cycle)

3.2.5    決定Ip:

                 

Ø        Ip = 一次側峰值電流

Ø        Iav = 一次側平均電流

Ø        Pout = 輸出瓦數

Ø        效率

Ø        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Photo couplerTL431使用。

3.2.9            將所得資料代入 公式中,如此可得出B(max),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:

²       輸出瓦數13.2W(3.3V/4A)Core = EI-28,可繞面積(槽寬)=10mmMargin Tape = 2.8mm(每邊),剩餘可繞面積=4.4mm.

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

 

 

²          計算式:

l     變壓器材質及尺寸:

²    由以上假設可知材質為PC-40,尺寸=EI-28Ae=0.86cm2,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.

²    假設濾波電容使用47uF/400VVin(min)暫定90V

l     決定變壓器的線徑及線數:

²    假設NP使用0.32ψ的線

電流密度=

可繞圈數=

²    假設Secondary使用0.35ψ的線

電流密度=

²    假設使用4P,則

電流密度=

                                               可繞圈數=

l     決定Duty cycle:

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

 

 

l     決定Ip:

l     決定輔助電源的圈數:

假設輔助電源=12V

             NA1=6.3

假設使用0.23ψ的線

可繞圈數=

NA1=6Tx2P,則輔助電源=11.4V

 

l     決定MOSFET及二次側二極體的Stress(應力):

MOSFET(Q1) =最高輸入電壓(380V)+     =

=463.6V

Diode(D5)=輸出電壓(Vo)+ x最高輸入電壓(380V)

=

=20.57V

Diode(D4)=

= =41.4V

l     其它:

因為輸出為3.3V,而TL431Vref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 couplerTL431,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0.35ψ線,則

可繞圈數= ,所以可將NA2定為4Tx2P

     

l    

l    
變壓器的接線圖:

 

0.32Φx1Px22T

 

0.35Φx4Px2T

 

0.32Φx1Px22T

 

0.35Φx2Px4T

 

0.23Φx2Px6T

 

 


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值,以此Iin(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IinSpec之內(115V/30A230V/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/5Ω),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)

 

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。

3.3.4    CY1CY2(Y-Cap):

Y-Cap一般可分為Y1Y2電容,若AC InputFG(3 Pin)一般使用Y2- Cap AC Input若為2Pin(只有LN)一般使用Y1-CapY1Y2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-CapY-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ConductionRadiation兩部分,Conduction規範一般可分為: FCC Part 15J Class B CISPR 22(EN55022) Class B 兩種 FCC測試頻率在450K~30MHzCISPR 22測試頻率在150K~30MHz 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 ~ M之間)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-Cap0.22uf以上(包含0.22uf),安規規定必須要有洩放電阻(RX1,一般為1.2MΩ 1/4W)

3.3.6    LF1(Common Choke):

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):

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):

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AC Input 範圍在90V~132V (Vc1 電壓最高約190V),可使用耐壓200V的電容;AC Input 範圍在90V~264V(180V~264V),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):

整流二極體,一般常用FR105(1A/600V)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=1.2VBYT42M=1.4V)

3.3.10             R10(輔助電源電阻):

主要用於調整PWM ICVCC電壓,以目前使用的3843而言,設計時VCC必須大於8.4V(Min. Load),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 VCC3843 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Q1VGS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R2C7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220KΩ/2W M.O.

3.3.14             R4 (Line Compensation):

高、低壓補償用,使3843 Pin3腳在90V/47Hz264V/63Hz接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ 1/4W之間)

3.3.15             R3C6D1 (Snubber):

此三個零件組成Snubber,調整Snubber的目的:1.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(N-MOS):

目前常使用的為3A/600V6A/600V兩種,6A/600VRDS(ON)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1VR7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後再加上R4補償,一般將3843 Pin3腳電壓設計在0.85V~0.95V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             R5C3(RC filter):

濾除3843 Pin3腳的雜訊,R5一般使用1KΩ 1/8WC3一般使用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 / 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51Ω-150Ω 1/8W

3.3.21             R6C4(控制振盪頻率):

決定3843的工作頻率,可由Data Sheet得到RC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,R63.74KΩ 1/8W精密電阻,振盪頻率約為45 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):

3843PWM 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)UC3843BN(S.T.)兩種,兩者腳位相同,但產生的振盪頻率略有差異,UC3843BNKA3843快了約2KHzfT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

 

 

 

 

3.3.24             R1R11R12C2(一次側迴路增益控制):

3843內部有一個Error AMP(誤差放大器)R1R11R12C2Error 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換到一次側,此時3843Pin6 (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。

3.3.27             U3(TL431)R15R16R18

調整輸出電壓的大小, ,輸出電壓不可超過38V(因為TL431 VKA最大為36V,若再加Photo couplerVF值,則Vo應在38V以下較安全)TL431Vref2.5VR15R16並聯的目的使輸出電壓能微調,且R15R16並聯後的值不可太大(儘量在2KΩ以下),以免造成輸出不準。

3.3.28             R14C9(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 couplerTL431所需的電源,因為U2U3所需的電流不大(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U2U3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

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10AVF15AVF 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             C10R17(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EMIR17一般使用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             C11C13(濾波電容):

二次側第一級濾波電容,應使用內阻較小的電容(LXZYXA…),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             L3C12(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:

4.1.1.1              3843 PIN3腳電壓(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 load) :

4.1.1.5              輔助電源(開機,滿載)、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

0..31

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

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)

90V/47Hz ê Vout = 8.3V

264V/63Hz ê Vout = 6.03V

4.1.1.9              O.C.P.(過電流保護)

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=4At1=25msslew Rate = 0.8A/ms (Rise)

L=0.3At2=25msslew Rate = 0.8A/ms (Full)

90V/47Hz

264V/63Hz

 

4.1.1.12         HI-POT test:

HI-POT test一般可分為兩種等級:

Ø       輸入為3 Pin(FG)HI-POT test1500Vac/1 minuteY-CAP使用Y2-CAP

Ø       輸入為2 Pin(FG)HI-POT test3000Vac/1 minuteY-CAP使用Y1-CAP

DA-14B33屬於輸入3 PIN HI-POT test 1500Vac/1 minute

4.1.1.13         Grounding test:

輸入為3 Pin(FG),一般均要測接地阻(Grounding test),安規規定FG到輸出線材(輸出端)的接地電阻不能超過100mΩ(25A/3 Second)

 

 

 

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/40V Schottky),因溫昇較高改為PBYR1540CTX(15A/40V)

4.1.1.15         EMI測試:

EMI測試分為二類:

Ø        Conduction(傳導干擾)

Ø        Radiation(幅射干擾)

前者視規範不同而有差異(FCC : 450K - 30MHzCISPR 22 :150K - 30MHz),前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,ConductionRadiation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。

4.1.3    QE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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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