当前位置: 本站首页>电子制作>电源技术> 开关稳压电源设计

开关稳压电源设计

来源:网络作者:未知 字号:[ ]

开关电源电路设计指南

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
开关稳压电源设计
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)
B(max) 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。
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。
设计流程简介

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。
     开关稳压电源设计

 

       NS = 二次侧圈数
       NP = 一次侧圈数
       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
       D = 工作周期(Duty cycle)
3.2.5 决定Ip 值:
    开关稳压电源设计

 

     Ip = 一次侧峰值电流
     Iav = 一次侧平均电流
     Pout = 输出瓦数
     h =效率
     f = PWM 振荡频率
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 将所得资料代入开关稳压电源设计公式中,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:
          输出瓦数13.2W(3.3V/4A),Core = EI-28,可绕面积(槽宽)=10mm,Margin Tape = 2.8mm(每边),剩余可绕面积=4.4mm.
         假设fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,η =0.7,P.F.=0.5(cos θ),Lp=1600 Uh

 

     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.
2 假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定90V。
l 决定变压器的线径及线数:
开关稳压电源设计

2 假设NP使用0.32ψ的线
电流密度

开关稳压电源设计
可绕圈数

 

开关稳压电源设计

假设Secondary使用0.35ψ的线
开关稳压电源设计

 

假设使用4P,则
开关稳压电源设计
开关稳压电源设计

 

决定Duty cycle:
假设Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用schottky Diode)
开关稳压电源设计

 

决定Ip 值:
开关稳压电源设计

 

开关稳压电源设计
决定辅助电源的圈数:
假设辅助电源=12V

 

开关稳压电源设计

 

假设使用0.23ψ的线
开关稳压电源设计

 

若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V
决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress(应力):
开关稳压电源设计Ns

 

                                 开关稳压电源设计

 

开关稳压电源设计
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0.35ψ线,则

 

开关稳压电源设计


所以可将NA2定为4Tx2P

开关稳压电源设计

变压器的接线图:

 

开关稳压电源设计
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保险丝:
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):
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/5Ω),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
0.32Φx1Px22T
0.32Φx1Px22T
0.35Φx2Px4T
0.35Φx4Px2T
0.23Φx2Px6T
设计流程简介
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1.2MΩ 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。
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)
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220KΩ/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750KΩ~1.5MΩ 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1KΩ 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。
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
51Ω-150Ω 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3.74KΩ 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 组成一个负反馈电路,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)。

TAG标签: 电源 开关 稳压
顶一下
(2)
100%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
搜  索
推荐内容