开关电源开发流程

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1、开关电源开发流程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 = 一次側峰值電流(A)Np

2、=一次側(主線圈)圈數Ae=鐵心截面槓(cm2)B(max)依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDK Femte Core PC40為 例，100”C時的B(niax)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(有夕卜殻)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人，Ae越 高，所以可以做較大瓦數的Powero3.2.2 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(nun),濾波電容越人，Vm(wm) 越高，可以做較大瓦數的Power,但相對價格亦較高。3

3、.2.3 決定變壓器線徑及線數：當變壓器決定後，變壓器的Bobbm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)：由以卞公式可決定Duty cycle ,Dutv cycle的設計一般以50%為基準,Duty cycle若超過50%易導致振邀的發生。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(mm)=濾波電容上的谷點電壓D =工作週期(Duty cycle)3.2.5

4、 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震锻頻率3.2.6 決定輔助電源的圈數：依據變壓器的圈比關係，町決定輔助電源的圈數及電壓。3.2.7 決定MOSFET及二次側二極韻的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E(max),若B(m

5、ax)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)=10imn,Maigin Tape = 2.8nmi(每邊)，剩餘可繞面積=4.4nim.假設 fT = 45 KHz , Vin(niui)=90V, =0.7, P.F.=0.5(cose), Lp=1600Uh 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=0.86cni2,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

6、使用47uF/400V, Vm(inin)暫定90Vo決定變壓器的線徑及線數：假設NP使用0.32屮的線電流密度=可繞圈數=假設Secondaiy使用0.35屮的線電流密度=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=12VNA1=6.3 圈假設使用0.23 W的線可繞圈數=若NAl=6Tx2P,則輔助電源=11.4V決定MOSFET及二次側二極鹘的Stress(應力)：MOSFET(Ql)=最高輸入電壓(380V)+=463.6VDiode(

7、D5尸輸出電壓(Vo)+ x最高輸入電壓(380V)=20.57VDiode(D4 尸= =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 = 4Tj吏用0.35+線，貝ij可繞圈數=,所以町將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)3.3.1 FS1:由變壓器計算得到Im值，以此Im值(0.42A)可知使用公

8、司共用料2A/250V, 設計時亦須考慮Pm(max)時的Ini是否會超過保險絲的額定值。3.3.2 TR1(熱敏電阻)：電源敢動的瞬間，由於C1(一次側濾波電容)短路，導致IH1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(U5V/30A, 230V/60A)，但因熱敏電阻亦會消耗功率，所以不可放太人的阻值(否則 會影響效率)，一般使用SCK053(3A/5Q),若Cl電容使用較人的值，則 必須考慮將熱敏電阻的阻值變人(一般使用在人瓦數的Power上)。3.3.3 VDR1(突波吸收器)：當雷極發生時，

9、可能會損壞零件，進而影警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(Cap):Y-Cap 一般可分為Y1及Y2電容，若AC Input有FG(3 Pm)般使用 Y2- Cap , AC Input 若為 2Pm(只有 L, N)般使用 Yl-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，且在電容的本髓上會有“回”符 號或註明Y1),此電路因為有FG所以使用Y2-Cap, Y-

10、Cap會影嚮EMI 特性，一般而言越人越好，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7 5 Ou A max）o3.3.5 CXl（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 Pan 15J Class B、CISPR 22（EN55022）Class B兩種,FCC測試頻率在450K30MH乙CISPR 22測試頻率在 150K30MHz, Conduction nJ在廠內以頻譜分析儀驗證，Radiation則必 須到實驗

11、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愈人，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 1.2MQ 1/4W）。3.3.6 LF1 （Common Choke）:EMI防制零件，主要影g 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Coimnon 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（整流二極鹘）：將AC電源以全波整流的方式轉換為DC,由變壓器所計算出

12、的Im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 C101S 波電容）：由C1的人小（電容值）可決定變壓器計算中的Vm（mm）值，電容量愈大， Vin（mm）愈高但價格亦愈高，此部分可在電路中實際驗證Vin（nuii）是否正 確，若AC Input範圍在90V-132V （Vcl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 Vcl 電 壓最高約380V,所以必須使用耐壓400V的電容。3.3.9 D2（輔助電源二極韻）：整流二極韻，一般常用FR105（lA60

13、0V）或EYT42M（lA/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必須人於&4V（Mm. 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（或輸入瓦數過人）。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100uf25V 電容。3.3.12 Z1 （Zener 二極體）：當回授失效時的保護電路，回授

14、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 Pm3 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IV,以此可限制輸出電壓，逹到保護零件的目的.Z1值的人小取決 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阻值較人時，turn on的時間較長，但短路時Pin 瓦數較小

15、，R2阻值較小時，turn on的時間較短，短路時Pin瓦數較人，一 般使用220KQ/2WM.O。3.3.14 R4 （Line Compensation）:高、低壓補償用,使3843 Pui3腳在90V/47HZ及264V/63HZ接近一致（一般 使用750KQl5MQ 1/4W之間）。3.3.15 R3, C6, DI （Snubber）:此三個零件組成Snubber,調整Snubber的目的:1.當QI 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Suu bber 町改善EMI.般而言，D1使用1N4OO7（1A/1OOOV）EM

16、I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 Ql（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3A600V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IV, R7的犬小須與R4配合，以達到高低壓

17、平 衡的目的，一般使用2WM.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IV,以免因零件誤差而頂到IV）。3.3.19 R5, C3（RC filter）:濾除3843 Pm3腳的雜訊,R5 般使用1KQ 1/8W,C3 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IV）;若使用電容值較人者，也許會有輕載不開機及短路Pm過人 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

18、人，QI 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，QI 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51Q-150Q 1/8W。3.3.21 R6, C4（控制振谧頻率）：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/50VPE電容，R6為3.74KQ 1/8W精密電阻，振潘頻 率約為45 KHz.,3.3

19、.22 C5:功能類似RC filter,主要功用在於使高壓輕載較不易振谧，一般使用 101P/50V陶質電容。3.3.23 U1（PWMIC）:3843 是 PWMIC 的一種，由 Photo Coupler （U2）回授信號控制 Duty Cycle 的大小，Pui3腳具有限流的作用（最高電壓IV）,目前所用的3843中， 有KA3843（SAMSUNG）及UC3843EN（S.T.）兩種，兩者腳位相同，但產 生的振谧頻率略有差異，UC3843BN較KA3843快了約2KH乙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UC3

20、843EN。3.3.24 Rl、Rll、R12、C2（次側迴路增益控制）：3843 內部有一個 Error AMP（誤差放人器），Rl、Rll、R12、C2 及 Error AMP組成一個負回授電路，用來調整迴路增益的穏定度，迴路增益， 調整不恰當可能會造成振潘或輸出電壓不正確，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Pm6 （output）輸出off的信號（Low）來關

21、閉Q1,使 用Photo coupler的原因，是為了符合安規需求（piunacy to secondaiy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 電流較人，U2轉換電流較人，迴路増益較快（需要確認是否會造成振谧）, R13阻值較人時，流過Photo coupler的電流較小，U2轉換電流較小，迴 路增益較慢，雖然較不易造成振谧，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

22、VKA最 大為36V,若再加Photo coupler的VF值，則Vo應在38V以卞較安全）, 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並聯後的值不可太人（儘量在2KQ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，一般而言將電容放人會使增益變慢；電容放小 會使增益變快，電阻的特性則剛好與電容相反，電阻放人增益變快：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

23、整器（Output Voltage Regulator）使用 TL431（VreM.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所需的電流不人（約 10111A左右），二極鹘耐壓值100V即可，所以只需使用 lN4148（0.15A/100V）o3.3.30 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（Schot

24、tky）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值人。耐壓部分40V經驗証後符 合，因此最後使用15A/40V Schottky。3.3.32 CIO, R17（二次側 snubber）:D5在截止的瞬間會有spike產生，若spike超過二極韻（D5）的耐壓 值，二極韻會有被擊穿的危險，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

25、此種情況發生。3.3.33 Cll, 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。

26、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，以卞即就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（fiill 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:4.1.13 Vin(mm) = 1

27、00V (90V / 47Hz full load)4.1.1.4 Stress (264V / 63Hz fxill load):QI MOSFET:D5 D4:4.1.1.5 輔助電源(開機，滿載)、短路Pm max.:4.1.1.6 Static (full load)Pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V)P.F.Ripple(mV)Pout(w)90V/47HZ18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60HZ18.60.3143.300.522813.2271.1132V/60HZ18.60.2843.300.502913.2271.1180V/

28、60HZ18.70.2143.300.493013.2370.7230V/60HZ18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60HZ19.20.1643.300.452913.2368.94.1.1.7Full Range 負載(0.3A-4A)(驗証是否有振锻現象)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 = &4A4.1.1.10 Piii(max.)90V/47HZ = 24.9W264V/63H

29、z = 27.1W4.1.1.11 Dynamic testJH=4A, tl=25ms, slew Rate = 08A/ms (Rise)L=03A, t2=25ms, slew Rate = 08A/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/l inuiuteoY-CAP 使用 Y2-CAP 輸入為 2 Pin(無 FG 者)HI-POT test 為 3000Vac/l minute。Y-CAP 使用 Yl-CA

30、P DA-14B33 屬於輸入 3 PIN HI-POT test 為 1500Vhc/l minuteo4.1.1.13 Grounding test:輸入為3 Pm(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lOOni Q (25A/3 Second)o4.1.1.14 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(l5AM0V)4.1.

31、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 - 300MH乙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，驗証的項目包扌舌：PCE尺寸、零件限 高、零件禁置區、螺絲孔位置及孔徑、外殻孔寸.，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。