开关电源研发与设计

开关电源研发与设计-作者：-日期：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TDK Ferrite Core PC40為例，100時的B(max)為3900 Gauss，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，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 VD= 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，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:l 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=0.86cm2，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. 假設濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V。l 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=l 決定Duty cycle: 假設Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottky Diode)l 決定Ip值:l 決定輔助電源的圈數:假設輔助電源=12V NA1=6.3圈假設使用0.23的線可繞圈數=若NA1=6Tx2P，則輔助電源=11.4Vl 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)=41.4Vl 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4Tx2Pll 變壓器的接線圖:0.35x2Px4T0.35x4Px2T0.32x1Px22T0.32x1Px22T0.23x2Px6T3.3 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。3.3.2 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Iin在Spec之內(115V/30A，230V/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/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)。3.3.3 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 CY1，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Y2- 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(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Conduction及Radiation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 1/4W)。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):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。3.3.8 C1(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，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。3.3.9 D2(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=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。3.3.12 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 VCC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).3.3.13 R2(啟動電阻):提供3843第一次啟動的路徑，第一次啟動時透過R2對C7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220K/2W M.O。.3.3.14 R4 (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)。3.3.15 R3，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.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/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。3.3.17 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1V，R7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)。3.3.19 R5，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。3.3.20 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51-150 1/8W。3.3.21 R6，C4(控制振盪頻率):決定3843的工作頻率，可由Data Sheet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-14B33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。3.3.22 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):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，UC3843BN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。3.3.24 R1、R11、R12、C2(一次側迴路增益控制):3843內部有一個Error AMP(誤差放大器)，R1、R11、R12、C2及Error 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3843由Pin6 (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)、R15、R16、R18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 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並聯後的值不可太大(儘量在2K以下)，以免造成輸出不準。3.3.28 R14，C9(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 coupler及TL431所需的電源，因為U2及U3所需的電流不大(約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U2及U3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 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 C10，R17(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，應使用內阻較小的電容(LXZ，YXA)，電容選擇是否洽當可依以下三點來判定: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 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=0.83V115V/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 / 63Hz full load) :Q1 MOSFET:D5: D4:4.1.1.5 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/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60.3143.300.522813.2271.1132V/60Hz18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60Hz18.70.2143.300.493013.2370.7230V/60Hz18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60Hz19.20.1643.300.452913.2368.990V/47Hz=OK115V/60Hz=OK132V/60Hz=OK180V/60Hz=OK230V/60Hz=OK264V/63Hz=OK4.1.1.7 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 Vout = 8.3V264V/63Hz Vout = 6.03V4.1.1.9 O.C.P.(過電流保護)90V/47Hz = 7.2A264V/63Hz = 8.4A4.1.1.10 Pin(max.)90V/47Hz = 24.9W264V/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/1 minute。Y-CAP使用Y2-CAP 輸入為2 Pin(無FG者)，HI-POT test為3000Vac/1 minute。Y-CAP使用Y1-CAPDA-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(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: 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，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。