开关电源内部研发教程

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(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3000~3500 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。 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。 3.2.10DA-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(cosθ)，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4.4mm. 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: 假设NP使用0.32ψ的线 电流密度= 可绕圈数= 假设Secondary使用0.35ψ的线 电流密度= 假设使用4P，则 电流密度= 可绕圈数= 决定Duty cycle: 假设Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottky Diode) 决定Ip值: 决定辅助电源的圈数: 假设辅助电源=12V NA1=6.3圈 假设使用0.23ψ的线 可绕圈数= 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)+ = =463.6V Diode(D5)=输出电压(Vo)+x最高输入电压(380V) = =20.57V Diode(D4)= ==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0.35ψ线，则 可绕圈数=，所以可将NA2定为4Tx2P  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/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)。 3.3.5CX1(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450K~30MHz，CISPR 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 ~ 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1.2MΩ 1/4W)。