开关电源资料(完整版)

1 电源开关设计的基本概念电源开关设计的基本概念 工作在开关两种状态下的电路 就叫开关电路 利用开关电路设计的电源 叫开关电源 驱动电路 不同的电路对驱动电路要求不同 有的驱动电路是一个 PWM 控制器 比如步进电机的驱动 有的驱动电路是一个电压放大器 例如功放中的前置放大器 有的驱动电路是一个电流放大器 例如音箱的驱动电路就是一个音频率功率放大器 电源开关的使用较为复杂 甚至让大多数电子产品设计人员都感到困惑 特别是对那些非电源管理 专家而言 在各种各样的应用中 例如 便携式电子产品 消费类电子产品 工业或电信系统等 广大 设计人员正越来越多地使用电源开关 这些电源开关的使用方式多种多样 包括控制 排序 电路保护 配电甚至是系统电源开启管理等 当然 每一种用法都需要有不同特性的电源开关解决方案 本文针对在不同应用中设计人员使用电源开关时需要考虑的重要规范和概念进行了总结 并介绍了 一些可能的解决方案 旨在帮助设计人员选择一种最佳方案 很明显 在选择电源开关前我们应该问自己的第一个问题就是 我们想要用这个开关来做什么 虽 然这是一个简单的问题 但答案却能帮助我们定义完美的产品 使用电源开关的方式有数种 最为常见 的是 1 控制 配电和排序 即开启 关闭电源轨来启用某个子系统或者为多个负载配电 2 短路保护或者过电流 过电压保护 USB 电流限制 传感器保护 电源轨短路保护 3 管理接通浪涌电流 即电容充电时 4 选择电源 即多路复用或 ORing 或者负载分配 开关电源定义及应用开关电源定义及应用 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止 将直流电 为高频率的交流电提供给 变压器进行变压 从而产生所需要的一组或多组电压的电源 开关电源由以下几个部分组成 一 主电路从交流电网输入 直流输出的全过程 包括 1 输入滤波器 其作用是将电网存在的杂波过滤 同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网 2 整流与滤波 将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电 以供下一级变换 3 逆变 将整流后的直流电变为高频交流电 这是高频开关电源的核心部分 频率越高 体积 重量与 输出功率之比越小 4 输出整流与滤波 根据负载需要 提供稳定可靠的直流电源 二 控制电路一方面从输出端取样 经与设定标准进行比较 然后去控制逆变器 改变其频率或脉宽 达到输出稳定 开关电源的三个条件 1 开关 电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态 2 高频 电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频 3 直流 开关电源输出的是直流而不是交流 开关电源主要有以下特点 1 体积小 重量轻 由于没有工频变压器 所以体积和重量只有线性电源的 20 30 2 功耗小 效率高 功率晶体管工作在开关状态 所以晶体管上的功耗小 转 化效率高 一般为 60 70 而线性电电源只有 30 40 2 开关电源的工作原理是 1 交流电源输入经整流滤波成直流 2 通过高频 PWM 脉冲宽度调制 信号控制开关管 将那个直流加到开关变压器初级上 3 开关变压器次级感应出高频电压 经整流滤波供给负载 4 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 控制 PWM 占空比 以达到稳定输出的目的 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西 过滤掉电网上的干扰 同时也过滤掉电源对电网的干扰 在功率相同时 开关频率越高 开关变压器的体积就越小 但对开关管的要求就越高 开关变压器的次级可 以有多个绕组或一个绕组有多个抽头 以得到需要的输出 一般还应该增加一些保护电路 比如空载 短路 等保护 否则可能会烧毁开关电源 主要用于工业以及一些家用电器上 如电视机 电脑等 单片开关电源反馈电路的四种基本类型 1 基本反馈电路 2 改进型基本反馈电路 3 配稳压管的光耦反馈电路 4 配 TL431 的光耦反馈电路 配 TL431 的光耦反馈电路 其电路较复杂 但稳压性能最佳 这里用 TL431 型可调式精密并联稳 压器来代替普通的稳压管 构成外部误差放大器 进而对 UO 作精细调整 可使电压调整率和负载调整 率均达到 0 2 能与线性稳压电源相媲美 这种反馈电路适于构成精密开关电源 开关电源模块损坏的主要原因分析 1 开关电源模块没有按照实际直流负载 N 1 配置 负载电流充电电流设定为蓄电池组额定容量 10 2 模块经常处于满载运行 3 系统均流原因 引起某个模块处于满载运行 4 机房环境温度过高影响 5 没有定期清洗模块滤网 滤网过脏容易引起模块稳定 堆积温度不能及时散出 6 模块内灰尘过多 由于灰尘的侵入 堆积造成故障的隐患 可用气泵清除灰尘 7谐波影响 开关电源的基本控制原理开关电源的基本控制原理 开关电源的基本控制原理开关电源的基本控制原理 一 开关电源的控制结构 一 开关电源的控制结构 一般地 开关电源大致由输入电路 变换器 控制电路 输出电路四个主体组成 如果细致划分 它包括 输入滤波 输入整流 开关电路 采样 基准电源 比较放大 震荡器 V F 转换 基极驱动 输出整流 输出滤波电路等 实际的开关电源还要有保护电路 功率因素校正电路 同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等 3 下面是一个典型的开关电源原理框图 掌握它对我们理解开关电源有重要意义 图 2 1 开关电源的基本结构框图 根据控制类型不同 PM 脉冲调制 电路可能有多种形式 这里是典型的 PFM 结构 二 开关电源的构成原理 二 开关电源的构成原理 一 输入电路 线性滤波电路 浪涌电流抑制电路 整流电路 作用 把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源 1 线性滤波电路 抑制谐波和噪声 2 浪涌滤波电路 抑制来自电网的浪涌电流 3 整流电路 把交流变为直流 有电容输入型 扼流圈输入型两种 开关电源多数为前者 二 变换电路 含开关电路 输出隔离 变压器 电路等 是开关电源电源变换的主通道 完成对带有功率的电源波形 进行斩波调制和输出 这一级的开关功率管是其核心器件 1 开关电路 驱动方式 自激式 他激式 变换电路 隔离型 非隔离型 谐振型 功率器件 最常用的有 GTR MOSFET IGBT 调制方式 PWM PFM 混合型三种 PWM 最常用 2 变压器输出 分无抽头 带抽头 半波整流 倍流整流时 无须抽头 全波时必须有抽头 三 控制电路 向驱动电路提供调制后的矩形脉冲 达到调节输出电压的目的 基准电路 提供电压基准 如并联型基准 LM358 AD589 串联型基准 AD581 REF192 等 采样电路 采取输出电压的全部或部分 比较放大 把采样信号和基准信号比较 产生误差信号 用于控制电源 PM 电路 4 V F 变换 把误差电压信号转换为频率信号 振荡器 产生高频振荡波 基极驱动电路 把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号 驱动开关管的基极 四 输出电路 整流 滤波 把输出电压整流成脉动直流 并平滑成低纹波直流电压 输出整流技术现在又有半波 全波 恒功率 倍流 同步等整流方式 开关电源设计过程流程介绍开关电源设计过程流程介绍 开关电源设计过程流程介绍开关电源设计过程流程介绍 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 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 B max 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 5 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 一次侧圈数 NP 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 工作周期 Duty cycle D 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 10 DA 14B33 变压器计算 2 8mm 每边 剩余可绕面积 4 4mm 输出瓦数 13 2W 3 3V 4A Core EI 28 可绕面积 槽宽 10mm Margin Tape 0 7 P F 0 5 cos Lp 1600 Uh 假设 fT 45 KHz Vin min 90V 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 32 的线 6 电流密度 可绕圈数 假设 Secondary 使用 0 35 的线 电流密度 假设使用 4P 则 电流密度 可绕圈数 cycle 决定 Duty 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 23 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 35 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 1 FS1 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 2 TR1 热敏电阻 7 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 5 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 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 但若有价格上的考虑 可先忽略不装 3 3 4 CY1 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 5 CX1 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 2M 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 将 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 由 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 若 AC Input 范围在 90V 264V 或 180V 264V 因 Vc1 电压最高约 380V 所以必须使用耐压 400V 的电容 Re 开关电方设计 过祘 3 3 9 D2 辅助电源二极管 整流二极管 一般常用 FR105 1A 600V 或 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 2V BYT42M 1 4V 8 3 3 10 R10 辅助电源电阻 主要用于调整 PWM IC 的 VCC 电压 以目前使用的 3843 而言 设计时 VCC 必须大于 8 4V Min Load 时 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 VCC 与 3843 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 Q1 的 VGS 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 启动电阻 提供 3843 第一次启动的路径 第一次启动时透过 R2 对 C7 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 220K 2W M O 3 3 14 R4 Line Compensation 高 低压补偿用 使 3843 Pin3 脚在 90V 47Hz 及 264V 63Hz 接近一致 一般使用 750K 1 5M 1 4W 之间 3 3 15 R3 C6 D1 Snubber 此三个零件组成 Snubber 调整 Snubber 的目的 1 当 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 600V 及 6A 600V 两种 6A 600V 的 RDS ON 较 3A 600V 小 所以温升会较低 若 IDS 电流未超过 3A 应该先以 3A 600V 为考虑 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 1V R7 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 R5 C3 RC filter 滤除 3843 Pin3 脚的噪声 R5 一般使用 1K 1 8W C3 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 9 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 51 150 1 8W 3 3 21 R6 C4 控制振荡频率 决定 3843 的工作频率 可由 Data Sheet 得到 R C 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 R6 为 3 74K 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 3843 是 PWM 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 及 UC3843BN S T 两种 两者脚 位相同 但产生的振荡频率略有差异 UC3843BN 较 KA3843 快了约 2KHz fT 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 R1 R11 R12 C2 一次侧回路增益控制 3843 内部有一个 Error AMP 误差放大器 R1 R11 R12 C2 及 Error 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 3843 由 Pin6 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 R15 R16 R18 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 coupler 的 VF 值 则 Vo 应在 38V 以下较安全 TL431 的 Vref 为 2 5V R15 及 R16 并联的目的使输出电压能微 调 且 R15 与 R16 并联后的值不可太大 尽量在 2K 以下 以免造成输出不准 3 3 28 R14 C9 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 10 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 coupler 及 TL431 所需的电源 因为 U2 及 U3 所需的电流不大 约 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 U2 及 U3 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 以 DA 14B33 为例 输出电流 4A 使用 10A 的二极管 Schottky 应该可以 但经点温升验证后发现 D5 温度偏高 所以必须换为 15A 的二极管 因为 10A 的 VF 较 15A 的 VF 值大 耐压部分 40V 经验证后符合 因 此最后使用 15A 40V Schottky 3 3 32 C10 R17 二次侧 snubber D5 在截止的瞬间会有 spike 产生 若 spike 超过二极管 D5 的耐压值 二极管会有被击穿的危险 调整 snubber 可适当的减少 spike 的电压值 除保护二极管外亦可改善 EMI R17 一般使用 1 2W 的电阻 C10 一般使用耐压 500V 的陶质电容 snubber 调整的过程 264V 63Hz 需注意 R17 C10 是否会过热 应避免此种情况发生 3 3 33 C11 C13 滤波电容 二次侧第一级滤波电容 应使用内阻较小的电容 LXZ YXA 电容选择是否洽当可依以下三点来判定 a 输出 Ripple 电压是符合规格 b 电容温度是否超过额定值 c 电容值两端电压是否超过额定值 3 3 34 R19 假负载 适当的使用假负载可使线路更稳定 但假负载的阻值不可太小 否则会影响效率 使用时亦须注意是否超过 电阻的额定值 一般设计只使用额定瓦数的一半 3 3 35 L3 C12 LC 滤波电路 LC 滤波电路为第二级滤波 在不影响线路稳定的情况下 一般会将 L3 放大 电感量较大 如此 C12 可使 用较小的电容值 4 设计验证 可分为三部分 a 设计阶段验证 b 样品制作验证 c QE 验证 4 1 设计阶段验证 设计实验阶段应该养成记录的习惯 记录可以验证实验结果是否与电气规格相符 以下即就 DA 14B33 设 计阶段验证做说明 验证项目视规格而定 4 1 1 电气规格验证 4 1 1 1 3843 PIN3 脚电压 full load 4A 11 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 Q1 MOSFET 4 1 1 5 辅助电源 开机 满载 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 4 1 1 7 Full Range 负载 0 3A 4A 验证是否有振荡现象 4 1 1 8 回授失效 输出轻载 90V 47Hz Vout 8 3V 264V 63Hz Vout 6 03V 4 1 1 9 O C P 过电流保护 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 4A t1 25ms slew Rate 0 8A ms Rise L 0 3A t2 25ms slew Rate 0 8A ms Full 90V 47Hz 264V 63Hz 4 1 1 12 HI POT test HI POT test 一般可分为两种等级 12 minute Y CAP 使用 Y2 CAP 输入为 3 Pin 有 FG 者 HI POT test 为 1500Vac 1 minute Y CAP 使用 Y1 CAP 输入为 2 Pin 无 FG 者 HI POT test 为 3000Vac 1 DA 14B33 属于输入 3 PIN HI POT test 为 1500Vac 1 minute 4 1 1 13 Grounding test 输入为 3 Pin 有 FG 者 一般均要测接地阻 Grounding test 安规规定 FG 到输出线材 输出端 的接地 电阻不能超过 100M 2 5mA 3 Second 4 1 1 14 温升记录 设计实验定案后 暂定 需针对整体温升及 EMI 做评估 若温升或 EMI 无法符合规格 则需重新实验 温升 记录请参考附件 D5 原来使用 BYV118 10A 40V Schottky barrier 肖特基二极管 因温升较高改为 PBYR1540CTX 15A 40V 4 1 1 15 EMI 测试 EMI 测试分为二类 Conduction 传导干扰 Radiation 幅射干扰 前者视规范不同而有差异 FCC 450K 30MHz CISPR 22 150K 30MHz 前者可利用厂内的频谱 分析仪验证 后者 范围由 30M 300MHz 则因厂内无设备必须到实验室验证 Conduction Radiation 测试数据请参考附件 4 1 1 16 机构尺寸 设计阶段即应对机构尺寸验证 验证的项目包括 PCB 尺寸 零件限高 零件禁置区 螺丝孔位置及孔 径 外壳孔寸 若设计阶段无法验证 则必须在样品阶段验证 4 1 2 样品验证 样品制作完成后 除温升记录 EMI 测试外 是否需重新验证 视情况而定 每一台样品都应经过验证 包括 电气及机构尺寸 此阶段的电气验证可以以 ATE Chroma 测试来完成 ATE 测试必须与电气规格相符 4 1 3 QE 验证 QE 针对工程部所提供的样品做验证 工程部应提供以下交件及样品供 QE 验证 单端反激开关电源变压器设计总结单端反激开关电源变压器设计总结 单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感 它要承担着储能 变压 传递能量等工作 下 面对工作于连续模式和断续模式的单端反激变换器的变压器设计进行了总结 1 已知的参数 这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定 包括 输入电压 Vin 输出电压 Vout 每 路输出的功率 Pout 效率 开关频率 fs 或周期 T 线路主开关管的耐压 Vmos 2 计算 在反激变换器中 副边反射电压即反激电压 Vf 与输入电压之和不能高过主开关管的耐压 同时还要 留有一定的裕量 此处假设为 150V 反激电压由下式确定 Vf VMos VinDCMax 150V 反激电压和输出电压的关系由原 副边的匝比确定 所以确定了反激电压之后 就可以确定原 副 边的匝比了 Np Ns Vf Vout 13 另外 反激电源的最大占空比出现在最低输入电压 最大输出功率的状态 根据在稳态下 变压器 的磁平衡 可以有下式 VinDCMin DMax Vf 1 DMax 设在最大占空比时 当开关管开通时 原边电流为 Ip1 当开关管关断时 原边电流上升到 Ip2 若 Ip1 为 0 则说明变换器工作于断续模式 否则工作于连续模式 由能量守恒 我们有下式 1 2 Ip1 Ip2 DMax VinDCMin Pout 一般连续模式设计 我们令 Ip2 3Ip1 这样就可以求出变换器的原边电流 由此可以得到原边电感量 Lp DMax VinDCMin fs Ip 对于连续模式 Ip Ip2 Ip1 2Ip1 对于断续模式 Ip Ip2 可由 AwAe 法求出所要铁芯 AwAe Lp Ip22 104 Bw K0 Kj 1 14 在上式中 Aw 为磁芯窗口面积 单位为 cm2 Ae 为磁芯截面积 单位为 cm2 Lp 为原边电感量 单位为 H Ip2 为原边峰值电流 单位为 A Bw 为磁芯工作磁感应强度 单位为 T K0 为窗口有效使用系数 根据安规的要求和输出路数决定 一般为 0 2 0 4 Kj 为电流密度系数 一般取 395A cm2 根据求得的 AwAe 值选择合适的磁芯 一般尽量选择窗口长宽之比比较大的磁芯 这样磁芯的窗口有 效使用系数较高 同时可以减小漏感 有了磁芯就可以求出原边的匝数 根据下式 Np Lp Ip2 104 Bw Ae 再根据原 副边的匝比关系可以求出副边的匝数 有时求的匝数不是整数 这时应该调整某些参数 使原 副边的匝数合适 为了避免磁芯饱和 我们应该在磁回路中加入一个适当的气隙 计算如下 lg 0 4 Np2 Ae 10 8 Lp 在上式中 lg 为气隙长度 单位为 cm Np 为原边匝数 Ae 为磁芯的截面积 单位为 cm2 Lp 为原边电感量 单位为 H 至此 单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成 我们应该在设计完成后核算窗口面积是否够 大 变压器的损耗和温升是否可以接受 同时 在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意 开关电源中滤波电容的正确选择开关电源中滤波电容的正确选择 滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用 如何正确选择滤波电容 尤其是输出滤波电容的选择 则是每个工程技术人员都十分关心的问题 50Hz 工频电路中使用的普通电解电容器 其脉动电压频率仅为 100Hz 充放电时间是毫秒数量级 为获得更小的脉动系数 所需的电容量高达数十万 F 因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容 量为主 电容器的电容量 损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数 而开关电源中的输出滤 波电解电容器 其锯齿波电压频率高达数十 kHz 甚至是数十 MHz 这时电容量并不是其主要指标 衡量 高频铝电解电容优劣的标准是 阻抗 频率 特性 要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗 同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用 普通的低频电解电容器在 10kHz 左右便开始呈现感性 无法满足开关电源的使用要求 而开关电源 专用的高频铝电解电容器有四个端子 正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极 负极铝片的两端也 分别引出作为负极 电流从四端电容的一个正端流入 经过电容内部 再从另一个正端流向负载 从负载 返回的电流也从电容的一个负端流入 再从另一个负端流向电源负端 由于四端电容具有良好的高频特性 为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利 的手段 高频铝电解电容器还有多芯的形式 即将铝箔分成较短的若干段 用多引出片并联连接以减小 容抗中的阻抗成份 并且采用低电阻率的材料作为引出端子 提高了电容器承受大电流的能力 14 反激式开关电源变压器的设计方案反激式开关电源变压器的设计方案 反激式变压器是反激开关电源的核心 它决定了反激变换器一系列的重要参数 如占空比 D 最大峰 值电流 设计反激式变压器 就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上 这样可以让其的发 热尽量小 对器件的磨损也尽量小 同样的芯片 同样的磁芯 若是变压器设计不合理 则整个开关电 源的性能会有很大下降 如损耗会加大 最大输出功率也会有下降 下面我系统的说一下我算变压器的 方法 算变压器 就是要先选定一个工作点 在这个工作点上算 这个是最苛刻的一个点 这个点就是最 低的交流输入电压 对应于最大的输出功率 下面我就来算了一个输入 85V 到 265V 输出 5V 2A 的电 源 开关频率是 100KHZ 第一步就是选定原边感应电压 VOR 这个值是由自己来设定的 这个值就决定了电源的占空比 可能 朋友们不理解什么是原边感应电压 是 这样的 这要从下面看起 慢慢的来 这是一个典型的单端反激式开关电源 大家再熟悉不过了 来分析一下一个工作周期 当开关管开 通的时候 原边相当于一个电感 电感两端加上电压 其电流值不会突变 而线性的上升 有公式上升 了的 I Vs ton L 这三项分别是原边输入电压 开关开通时间 和原边电感量 在开关管关断的时候 原 边电感放电 电感电流又会下降 同样要尊守上面的公式定律 此时有下降了的 I VOR toff L 这三项分 别是原边感应电压 即放电电压 开关管关断时间 和电感量 在经过一个周期后 原边电感电流的值会 回到原来 不可能会变 所以 有 VS TON L VOR TOFF L 上升了的 等于下降了的 懂吗 好懂吧 上式中可以用 D 来代替 TON 用 1 D 来代替 TOOF 移项可得 D VOR VOR VS 此即是最大占空比了 比如说我设计的这个 我选定感应电压为 80V VS 为 90V 则 D 80 80 90 0 47 第二步 确实原边电流波形的参数 原边电流波形有三个参数 平均电流 有效值电流 峰值电流 首先 要知道原边电流的波形 原边电流的波形如下图所示 画的不好 但不要笑啊 这是一个梯形波横向表示时 间 纵向表示电流大小 这个波形有三个值 一是平均值 二是有效值 三是其峰值 平均值就是把这个波形 的面积再除以其时间 如下面那一条横线所示 首先要确定这个值 这个值是这样算的 电流平均值 输出 功率 效率 VS 因为输出功率乘以效率就是输入功率 然后输入功率再除以输入电压就是输入电流 这 个就是平均值电流 现在下一步就是求那个电流峰值 尖峰值是多少呢 这个我们自己还要设定一个参 数 这个参数就是 KRP 所谓 KRP 就是指最大脉动电流和峰值电流的比值这个比值下图分别是最大脉动 电流和峰值电流 是在 0 和 1 之间的 这个值很重要 已知了 KRP 现在要解方程了 都会解方程吧 这 是初一的应用题啊 我来解一下 已知这个波形一个周期的面积等于电流平均值 1 这个波形的面积等 于 峰值电流 KRP D 峰值电流 1 KRP D 所以有电流平均值等于上式 解出来峰值电流 电流平均值 15 1 0 5KRP D 比如说我这个输出是 10W 设定效率是 0 8 则输入的平均电流就是 10 0 8 90 0 138A 我设定 KRP 的值是 0 6 而最大值 0 138 1 0 5KRP D 0 138 1 0 5 0 6 0 47 0 419A 第三个电流参数 就是这个电流的有效值 电流有效值和平均值是不一样的 有效值的定义还记得吗 就是说把这个电流加在一个电阻上 若是其发热和另处一个直流电流加在这个电阻上发热效果一样的话 那么这个电流的有效值就等于这个直流的电流值 所以这个电流的有效值不等于其平均值 一般比其平均 值要大 而且同样的平均值 可以对应很多个有效值 若是把 KRP 的值选得越大 有效值就会越大 有效值还 和占空比 D 也有关系 总之 它这个电流波形的形状是息息相关的 我就直接给出有效值的电流公式 这个 公式要用积分才能推得出来 我就不推了 只要大家区分开来有效值和平均值就可以了 电流有效值 电流峰值 根号下的 D KRP 的平方 3 KRP 1 如我现在这个 电流有效值 0 419 根号下 0 47 0 36 3 0 6 1 0 20A 所以对应于相同的功率 也就是有相同的输入电流时 其有效值和这些参数 是有关的 适当的调整参数 使有效值最小 发热也就最小 损耗小 这便优化了设计 第三步 开始设计变压器准备工作 已知了开关频率是 100KHZ 则开关周期就是 10 微秒了 占空比是 0 47 那么 TON 就是 4 7 微秒了 记好这两个数 对下面有用 第四步 选定变压器磁芯 这个就是凭经验了 如果你不会选 就估一个 计算就行了 若是不行 可以再 换一个大一点的或是小一点的 不过有的资料上有如何根据功率去选磁芯的公式或是区线图 大家不妨也 可以参考一下 我一般是凭经验来的 第五步 计算变压器的原边匝数 原边使用的经径 计算原边匝数的时候 要选定一个磁芯的振幅 B 即 这个磁芯的磁感应强度的变化区间 因为加上方波电压后 这个磁感应强度是变化的 正是因为变化 所以 其才有了变压的作用 NP VS TON SJ B 这几个参数分别是原边匝数 最小输入电压 导通时间 磁芯的横 节面积和磁芯振幅 一般取 B 的值是 0 1 到 0 2 之间 取得越小 变压器的铁损就越小 但相应变压器的体 积会大些 这个公式来源于法拉弟电磁感应定律 这个定律是说 在一个铁心中 当磁通变化的时候 其会产 生一个感应电压 这个感应电压 磁通的变化量 时间 T 再乘以匝数比 把磁通变化量换成磁感应强度的变 化量乘以其面积就可以推出上式来 简单吧 我的这个 NP 90 4 7 微秒 32 平方毫米 0 15 得到 88 匝 0 15 是我选取的了值 算了匝数 再确定线径 一般来说电流越大 线越热 所以需要的导线就越粗 需要的线径 由有效值来确定 而不是平均值 上面已经算得了有效值 所以就来选线 我用 0 25 的线就可以了 用 0 25 的线 其面积是 0 049 平方毫米 电流是 0 2 安 所以其电流密度是 4 08 可以 一般选定电流密度是 4 到 10 安第平方毫米 记住这一点 这很重要 若是电流很大 最好采用两股或是两股以上的线并绕 因为高频电 流有趋效应 这样可以比较好 16 第六步 确定次级绕组的参数 圈数和线径 记得原边感应电压吧 这就是一个放电电压 原边就是以这 个电压放电给副边的 看上边的图 因为副边输出电太为 5V 加上肖特基管的压降 就有 5 6V 原边以 80V 的电压放电 副边以 5 6V 的电压放电 那么匝数是多少呢 当然其遵守变压器那个匝数和电压成正比的规 律啦 所以副边电压 NS UO UF VOR 其中 UF 为肖特基管压降 如我这个副边匝数等于 88 5 6 80 得 6 16 整取 6 匝 再算副边的线径 当然也就要算出副边的有效值电流啦 副边电流的波形会画吗 我画给大 家看一下吧 画的不太对称 没关系 只要知道这个意思 就可以了 有突起的时间是 1 D 没有突起的是 D 刚好和 原边相反 但其 KRP 的值和原边相同的这下知道了这个波形的有效值是怎么算的了吧 哦 再提醒一句 这 个峰值电流就是原边峰值电流乘以其匝数比 要比原边峰值电流大数倍哦 第七步确定反馈绕组的参数 反馈是反激的电压 其电压是取自输出级的 所以反馈电压是稳定的 TOP 的电源电压是 5 7 到 9V 绕上 7 匝 那么其电压大概是 6V 多 这就可以了 记得 反馈电压是反激的 其匝数 比要和幅边对应 懂什么意思吗 至于线 因为流过其的电流很小 所以就用绕原边的线绕就可以了 无严格 的要求 第八步 确定电感量 记得原边的电流上升公式吗 I VS TON L 因为你已经从上面画出了原边电流的波