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1、.开关电源设计全过程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 ( 以 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B(max) =鐵心飽合的磁通密度(Gauss)Lp =一次側電感值(uH)Ip =一次
2、側峰值電流(A)Np =一次側 ( 主線圈 ) 圈數Ae =鐵心截面積(cm2)B(max)依鐵心的材質及本身的溫度來決定, 以 TDKFerriteCorePC40為例 ,100 時的B(max)為3900Gauss,設計時應考慮零件誤差,所以一般取30003500 Gauss之間 ,若所設計的power為 Adapter(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
3、,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.NS =二次側圈數NP =一次側圈數Vo =輸出電壓V
4、D=二極體順向電壓Vin(min) =濾波電容上的谷點電壓D =工作週期 (Duty cycle)3.2.5決定 Ip 值 :Ip =一次側峰值電流Iav =一次側平均電流Pout =輸出瓦數效率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
5、,須考慮多一組繞組提供Photo coupler及 TL431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:輸出瓦數13.2W(3.3V/4A),Core = EI-28,可繞面積 ( 槽寬 )=10mm,Margin Tape =2.8mm(每邊 ), 剩餘可繞面積 =4.4mm.假設 fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,=0.7,P.F.=0.5(cos),Lp=1600 Uh計算式 :變壓器材質及尺寸:由以上假設可知材質為PC-40,尺寸 =EI-28,Ae=0
6、.86cm2,可繞面積( 槽寬 )=10mm,因MarginTape使用2.8mm,所以剩餘可繞面積為4.4mm.假設濾波電容使用47uF/400V,Vin(min)暫定 90V.決定變壓器的線徑及線數:假設 NP 使用 0.32 的線電流密度 =可繞圈數 =假設 Secondary使用 0.35 的線電流密度 =假設使用4P, 則電流密度 =可繞圈數 =決定 Dutycycle:假設 Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用 schottky Diode)決定 Ip 值:決定輔助電源的圈數:假設輔助電源=12VNA1=6.3圈假設使用0.23 的線可繞圈數 =若 NA1=6Tx2P, 則
7、輔助電源 =11.4V決定 MOSFET及二次側二極體的Stress(應力 ):MOSFET(Q1) =最高輸入電壓(380V)+=463.6VDiode(D5)=輸出電壓 (Vo)+ x最高輸入電壓(380V)=20.57VDiode(D4)= =41.4V其它 :因為輸出為3.3V, 而 TL431的 Vref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 coupler及 TL431,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 0.35 線 ,則可繞圈數 = , 所以可將NA2定為 4Tx2P變
8、壓器的接線圖:;.3.3零件選用 :零件位置 ( 標註 ) 請參考線路圖 : (DA-14B33 Schematic)3.3.1FS1:由變壓器計算得到Iin值 , 以此 Iin 值 (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 .3.3.2TR1(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Iin 在 Spec之內 (115V/30A,230V/60A),但因
9、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/5), 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上 ).3.3.3VDR1(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 .3.3.4CY1,CY2(Y-Cap):Y-Cap一般可分為Y1 及 Y2電容 , 若 AC Input有 FG(3 Pin)一般使用 Y
10、2- Cap , AC Input若為 2Pin( 只有 L,N)一般使用 Y1-Cap,Y1與 Y2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-Cap,Y-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 (LeakageCurrent) 必須符合安規須求 (3Pin公司標準為750uA max).3.3.5CX1(X-Cap)、 RX1:X-Cap為防制 EMI 零件 ,EMI可分為 Conduction及 R
11、adiation兩部分 ,Conduction規範一般可分為 :FCC Part15J Class B、 CISPR 22(EN55022) Class B兩種 , FCC 測試頻率在 450K30MHz,CISPR 22測試頻率在150K30MHz,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 數 M 之間 ) 的 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-Cap在 0.22uf以上 ( 包含 0.22uf),安規規定必須要有洩放電阻(RX1,一般為 1.2M 1/
12、4W).3.3.6LF1(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CommonChoke 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 .3.3.7BD1(整流二極體 ):將 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 .3.3.8C1(濾波電容 ):由 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 ,V
13、in(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 90V132V (Vc1電壓最高約190V), 可使用耐壓 200V 的電容 ; 若 AC Input範圍在 90V264V(或 180V264V),因 Vc1電壓最高約 380V,所以必須使用耐壓400V 的電容 .Re: 开关电方设计过祘3.3.9D2(輔助電源二極體 ):整流二極體,一般常用 FR105(1A/600V)或 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=1.2V,BYT42M
14、=1.4V)3.3.10 R10(輔助電源電阻 ):主要用於調整PWM IC的 VCC 電壓 ,以目前使用的3843而言 , 設計時 VCC 必須大於8.4V(Min. Load時 ), 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 .;.3.3.12Z1(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 VCC
15、 與 3843 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Q1 的 VGS 耐壓值 , 原則上使用公司的現有料( 一般使用 1/2W即可 ).3.3.13R2(啟動電阻 ):提供 3843第一次啟動的路徑 , 第一次啟動時透過R2 對 C7充電 , 以提供 3843 VCC所需的電壓 ,R2阻值較大時 ,turnon的時間較長, 但短路時Pin瓦數較小 ,R2阻值較小時 ,turnon的時間較短 , 短路時Pin瓦
16、數較大 , 一般使用220K/2W M.O.3.3.14R4 (Line Compensation):高、低壓補償用 ,使 3843 Pin3腳在 90V/47Hz及 264V/63Hz接近一致 ( 一般使用 750K1.5M 1/4W 之間 ).3.3.15R3,C6,D1 (Snubber):此三個零件組成Snubber,調整 Snubber 的目的 :1. 當 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
17、.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 ).3.3.16Q1(N-MOS):目前常使用的為3A/600V及 6A/600V兩種 ,6A/600V的 RDS(ON)較 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 .3.3.17R8:R8 的作用在保護Q1, 避免 Q1呈現浮接狀態 .3.3.18R7(Rs電阻 ):3843 Pin3腳電壓最高為1V,R7
18、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 0.85V0.95V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).3.3.19R5,C3(RC filter):濾除 3843 Pin3腳的雜訊 ,R5一般使用 1K 1/8W,C3一般使用 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 .3.3.20R9(Q
19、1 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,Q1turnon /turnoff 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 51 -150 1/8W.3.3.21R6,C4(控制振盪頻率 ):決定 3843 的工作頻率 , 可由 DataSheet 得到 R、 C 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-14B
20、33為例 ,C4 使用 103P/50V PE電容 ,R6為 3.74K 1/8W 精密電阻 ,振盪頻率約為 45 KHz.3.3.22C5: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 .3.3.23U1(PWM IC):3843是 PWM 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)及 UC3843BN(S.T.)兩種 , 兩者腳位相同 , 但產生的振盪頻率略有差異 ,UC
21、3843BN較 KA3843快了約 2KHz,fT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.3.3.24R1、 R11、 R12、 C2( 一次側迴路增益控制):3843內部有一個 ErrorAMP( 誤差放大器 ),R1、 R11、 R12 、 C2 及 ErrorAMP 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 ).;.3.3.25U2(Photo coupler)光耦合器 (Photo
22、 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3843由 Pin6 (output)輸出 off的信號 (Low)來關閉Q1, 使用 Photocoupler 的原因 ,是為了符合安規需求 (primacy to secondary的距離至少需5.6mm).3.3.26R13(二次側迴路增益控制):控制流過 Photocoupler的電流 ,R13 阻 較小時 ,流過 Photocoupler 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 較大時
23、 ,流過 Photocoupler 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.3.3.27U3(TL431)、 R15 、 R16、 R18調整輸出電壓的大小, , 輸出電壓不可超過38V(因為 TL431VKA最大為 36V, 若再加 Photo coupler的 VF 值 ,則Vo 應在 38V以下較安全 ),TL431的 Vref為 2.5V,R15 及 R16並聯的目的使輸出電壓能微調, 且 R15與 R16並聯後的 不可太大( 儘量在 2K 以下 ), 以免造成輸出不準 .3.3.28R14,C9(二次側迴路增益控制 ):控制
24、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 , 則可以 Dynamicload來量測 , 即可取得一個最佳 .3.3.29D4(整流二極體 ):因 為 輸 出 電 壓 為3.3V, 而 輸 出 電 壓 調 整 器 (OutputVoltageRegulator)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Photocoupler 及 TL431所需的電源 , 因為 U2及 U3 所需的電流不大 ( 約 1
25、0mA左右 ), 二極體耐壓 100V即可 , 所以只需使用1N4148(0.15A/100V).3.3.30C8(濾波電容 ):因為 U2 及 U3 所需的電流不大 , 所以只要使用1u/50V即可 .3.3.31D5(整流二極體 ):輸出整流二極體 ,D5的使用需考慮 :a. 電流 b. 二極體的耐壓 以 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 10A 的 VF 較 15A的 VF 大 .耐壓部分 40V 經驗証後符合 ,因此最後使用15A/40VSchot
26、tky.3.3.32 C10,R17(二次側 snubber) :D5 在截止的瞬間會有spike 生 , 若 spike超過二極體 (D5) 的耐壓 , 二極體會有被擊穿的危險, 調整 snubber 可適當的減少 spike的電壓 ,除保護二極體外亦可改善EMI,R17一般使用 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 C11,C13(濾波電容 ):二次側第一級濾波電容, 應使用 阻較小的電容(LXZ,YXA), 電容選擇是否洽當可依以下三點來判定:
27、a. 輸出 Ripple電壓是符合規格b. 電容溫度是否超過額定 c. 電容 兩端電壓是否超過額定 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 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 L3,C12(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 .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,
28、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 = 0.83V115V/60Hz = 0.83V132V/60Hz = 0.83V180V/60Hz = 0.86V230V/60Hz = 0.88V264V/63Hz = 0.91V4.1.1.2 Duty Cycle , fT:4.1.1.3 Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)4.1.1.4 Stress (264V / 6
29、3Hz full load) :Q1 MOSFET: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) eff90V/47Hz 18.7 0.36 4 3.30 0.57 32 13.22 70.7115V/60Hz 18.6 0.31 4 3.30 0.52 28 13.22 71.1132V/60Hz 18.6 0.28 4 3.30 0.50 29 13.22 71.1180V/60Hz 18.7 0.21 4
30、3.30 0.49 30 13.23 70.7230V/60Hz 18.9 0.18 4 3.30 0.46 29 13.22 69.9264V/60Hz 19.2 0.16 4 3.30 0.45 29 13.23 68.94.1.1.7 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 )Vout = 8.3V90V/47HzVout = 6.03V264V/63Hz4.1.1.9 O.C.P.(過電流保護 )90V/47Hz = 7.2A264V/63Hz = 8.4A4.1.1.10 Pin(max.)90V/47Hz = 24.
31、9W264V/63Hz = 27.1W4.1.1.11 Dynamic testH=4A,t1=25ms,slew Rate = 0.8A/ms (Rise)L=0.3A,t2=25ms,slew Rate = 0.8A/ms (Full)90V/47Hz264V/63Hz4.1.1.12 HI-POT test:HI-POT test一般可分為兩種等級:輸入為 3 Pin(有 FG 者 ),HI-POT test為 1500Vac/1minute.Y-CAP使用 Y2-CAP輸入為 2 Pin(無 FG 者 ),HI-POT test為 3000Vac/1minute.Y-CAP使用 Y1-
32、CAP;.DA-14B33屬於輸入 3 PIN HI-POT test為 1500Vac/1 minute.4.1.1.13 Grounding test:輸入為 3 Pin(有 FG 者 ), 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 100M (2.5mA/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/40VSchottkybarrier肖
33、 特 基 二 極 管), 因 溫 昇 較 高 改 為PBYR1540CTX(15A/40V).4.1.1.15 EMI測試 :EMI 測試分為二類 :Conduction(傳導干擾 )Radiation(幅射干擾 )前者視規範不同而有差異 (FCC : 450K - 30MHz,CISPR 22 :150K - 30MHz),前者可利用廠 的頻譜分析儀驗証;後者 ( 範圍由 30M - 300MHz,則因廠 無設備必須到實驗室驗証,Conduction,Radiation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 .;.