开关电源研发范例(doc17)(1).doc

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3000~3500 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。
3.2.10DA-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(cosθ),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=0.86cm2,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。
?決定變壓器的線徑及線數:
?假設NP使用0.32ψ的線
電流密度=
可繞圈數=
?假設Secondary使用0.35ψ的線
電流密度=
?假設使用4P,則
電流密度=
可繞圈數=
?決定Duty cycle:
?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=12V
NA1=6.3圈
假設使用0.23ψ的線
可繞圈數=
若NA1=6Tx2P,則輔助電源=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)+ =
=463.6V
Diode(D5)=輸出電壓(Vo)+x最高輸入電壓(380V)
=
=20.57V
Diode(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0.35ψ線,則
可繞圈數=,所以可將NA2定為4Tx2P

?
?變壓器的接線圖:
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/5Ω),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)。
3.3.5CX1(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450K