三恳开关电源电路设计指引.doc

_三恳开关电源设计指引（发布日期：2011-11）1 范围本标准描述了开关电源电路硬件控制的实现方法，一般开关电源电路设计者在使用不同型号的开关电源控制IC及不同的开关电源电路方案时可以此为参考，更快、更好地完成特定功能的硬件设计。希望本标准能对硬件可靠性的提升有所帮助。本标准适用于三恳开关电源电路的设计。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T 7725 房间空气调节器GB/T 15184 按能力批准评定质量的电子设备用开关电源变压器分规范GB/T 14714 微小型计算机系统设备用开关电源通用技术条件 QMK-J33.242 开关变压器设计指引3 硬件接口定义及相关原理图3.1 控制芯片型号及引脚图 STR-A6000系列离线开关IC。3.2 管脚功能说明如下： S/OCP脚：MOSFET的源极/过电流保护。1、应用中，S/OCP端子通过一个电阻连接到GND，通过检测电阻的压降来检测MOSFET的电流，当电阻两端的压降达到OCP门坎电压值时（VocpH=0.89V），MOSFET 即被关断。2、过电流保护电路，对MOSFET的漏极电流峰值进行逐个脉冲检测，PWM Latch 输出翻转的Pulse-By-Pulse 方式的过电流保护(OCP)。 这种过电流保护电路内置输入电压补偿电路，因此不需要外加元器件，OCP值与AC输入电压的关联性很小。 BR脚：输入电压检测保护端口，低电压输入状态时停止MOSFET开关动作，防止过电流与过热发生从而保护电源IC 。GND脚：开关电源控制电路的参考地。FB/OLP脚：反馈控制脚/过载保护脚。内部PWM占空比与FB电压成正比关系。负载越大，FB电压越高，FB脚电压超过8.1V持续60mS，IC进入过负载保护，MOSFET停止开关动作，从而减轻MOSFET及输出二极管应力，过载状态解除后，保护自动解除并恢复到正常状态。VCC/OVP脚：IC控制电路电源入端/输出过压保护输入。1、 通电时，内部启动电路从MOSFET的漏极吸取电流，向VCC脚外接的电容充电，VCC电压升到15.3V时，电源内部控制电路开始工作，同时启动电路停止，VCC由辅助绕组供电。2、 输出电压变压时VCC的电压也相应的变化，VCC端子电压反应了输出电压状态，输出电压变高，VCC电压也变高，当VCC电压大于29V，IC进入输出过压保护，MOSFET开关动作停止，直到VCC电压小于9.5V，IC再次重新启动。D/ST脚：内部MOSFET的漏极/启动电路电流输入端。3.3 参考设计原理图 本设计电路为单路输出，12V/1.2A。辅助绕组输出与初级侧共参考地，12V为次级侧，与初级侧安全隔离。本设计中，12V输出作为稳压取样回路，该回来电压稳定度最高，可以达到2%。4 各元器件在电路中的作用4.1 使用STR-A6000(A6061HD)的单路输出的15W开关电源电路如上图所示。其中12V作为主输 出，VCC作为辅助输出。交流输入宽范围为：85264V，总输出功率15W。4.2 IC601：电源控制IC，STR-A6000系列将 MOSFET及PWM控制电路封装在一起，反馈环路为电流方式，内置启动电路、自动待机电路，能实现低待机功耗，高待机转换效率。IC搭载过电流、过电压、过负载、过热等丰富的保护功能。STR-A6000提供了STR-A6061HD、STR-A6062HD、STR-A6063HD、STR-A6069HD共4个不同功率的型号，可以根据不同的使用条件选择不同型号，选型表如下：输出功率表产品型号工作频率（kHz）Vin(AC)输出功率（W）STR-A6061M：67H：100852641223016STR-A6062852641623020STR-A6063852642023024STR-A6064852649230144.3 D601、R601、C601构成DRC吸收回路，将漏极的漏感关断电压控制在安全范围，D选用快速二极管或超快速二极管，R选用68330k/2W金属氧化膜电阻，C选用1kV/222高压瓷片电容/薄膜电容。4.4 D602、E601、C604构成辅助绕组输出的整流滤波电路，平滑直流电压连接到IC的VCC/OCP脚。刚接通电源时，启动电路通过IC内部与MOSFET漏极连接，从漏极吸取恒定电流（2mA）向E601充电，当电压上升到15.3V，电源开始工作，E601的大小影响启动时间，一般可取10F47F。4.5 电源开始工作后，消耗电流增大，VCC电压开始下降，一旦VCC电压低于VCCoff=8.9Vmax，控制电路停止工作，启动失败，IC恢复到启动前状态。4.6 电源开始工作后，辅助绕组开始向VCC供电，VCC电压会随输入电压、输出负载变化而变化，在正常的变化外围内，必须保证VCCoff= 8.9V VCCVCCovp=26V。如果VCC大于26V，IC 进入输出过压保护，为了保证VCC在合理范围，有两种措施可以改善：4.6.1 增加R609，用于吸收MOSFET关断瞬间的浪涌电压，使VCC电压变化变缓，下图给出有R609和没R609对比。4.6.2 改变变压器的绕线结构，使稳压输出绕组对辅助绕组进行三明治绕制，加强稳压回来对辅助绕组耦合。4.7 R610用于设定MOSFET的峰值电流IP ，内置过流保护电路对漏极峰值电流进行逐个脉冲检测，当检测到R607上的压降到达VocpH=0.89V时， MOSFET马上关断。STR-A6000系列IC内置电流斜率补偿电路，消除不同输入电压引起的过流点变化，使不同输入电压情况下，过流点保持相同，IP可由下等式计算： IP = 0.89V / R6094.8 IC603光电耦合器将初级和次级反馈信号进行安全隔离，光耦合器可以使用PC817或性能相近或更优、绝缘耐压在3750Vac以上、电流传输比在100%或以上的光偶。4.9 R607、R608构成电压取样电路，将12V电源的电压变化反馈给控制端，该取样电路直接决定输出的电压值，TL431的参考电压为2.495 V，输出电压可由下等式计算：V12V=2.495*（R607+R608）/ R608通常选取流过R608的电流是TL431参考端电流的100倍，所以R608的值可以选210k的阻值，如对待机功耗有特别要求，电阻可以取较大的阻值。R608确定后，R607则可以由上等式确定。4.10 C607和R606构成TL431的频率补偿电路，使反馈环路有足够的相位裕量和幅值裕量，保证电源动态稳定。4.11 R605并光耦的LED两端，用来保证当LED不导通时流过TL431的电流大于1mA。PC817的LED的压降典型值为1.2V，所以R605的通常取1k。4.12 C608、R612用于吸收二极管D603的反压尖峰，C608的取值需要大于二极管结电容的两倍，具体参数需要通过实验确定。4.13 二极管D603对输出进行整流，E602、C603构成滤波电路，对输出电压进行平滑和噪声抑制。4.14 C605并在MOSFET的漏源极间，轻微的延长MOSFET的开通和关断时间，可以改善EMI。5 开关电源PCB设计注意事项在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都一个重要的环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，甚至造成电源工作不稳定，在Layout时需要特别注意一下几点：5.1 输入滤波电容、变压器初级、电源IC构成的回路尽可能小，滤波电容到变压器初级、变压器初级到MOSFET漏极的走线不能太大，过大的铜箔会增加高频辐射EMI。5.2 变压器次级、整流二极管、输出滤波电容构成的回路也要尽可能小，二极管阳极的铜箔应选择适当大小，过大会增加高频辐射EMI。如下图所示，绿色包围的面积尽可能小。5.3 光电耦合器要放置于靠近电源IC，缩短初级侧铜箔走线长度。5.4 高电流、高电压的漏极及钳位电路铜箔远离光电耦合器，以避免噪声信号干扰。5.5 电流采样电阻R610放置在IC的S/OCP脚附近，功率地与信号地分开，信号走线路径不能有功率走线穿过，如下图所示的紫色走线部分不能有功率走线（红色走线）穿过。6 关键元器件的选择6.1 电容的选择6.1.1 电解电容E601、E602应选择CD286系列高频低ESR电容，电容的耐压应根据厂家提供的功能规格书，预留20以上的余量，温度等级选用105。6.1.2 磁片电容C602、C603、C604、C607、C609应选高频特性好的陶瓷电容，一般选104。6.1.3 安规电容CY602应选泄漏电流小的陶瓷Y1类或Y2类安规电容。6.1.4 电容C601选用高压瓷片电容或薄膜电容，耐压选1000V或2000V。6.1.5 电容C608选用高压瓷片电容，耐压选250V、400V甚至1000V。6.1.6 C605选用高压瓷片电容，耐压选1000V或以上。6.2 二极管的选择6.2.1 D601、D602需要选择快恢复二极管，二极管额定电流不小于输出平均电流的5倍，常用的有UF系列（UF4004、UF4007）、HER系列（HER104、HER107）、FR系列（FR104、FR107）等等。6.2.2 D603需要选择肖特基二极管或超快速二极管，二极管的额定电流不小于输出平均电流的3倍。6.3 光电耦合器的选择光电耦合器选择电流传输比100%300%的，常用的有PC817、