開關電源設計全過程

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 = 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%易導致振蕩的發生.
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(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(標注)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/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).
3.3.3 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 )必須符合安規需求(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450K~30MHz,CISPR 22測試頻率在150K~30MHz, 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1.2MΩ 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90V~132V (Vc1 電壓最高約190V),可使用耐壓200V的電容;若AC Input 範圍在90V~264V(或180V~264V),因Vc1電壓最高約380V,所以必須使用耐壓400V的電容.Re:開關電方設計 過算 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沖高,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220KΩ/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750KΩ~1.5MΩ 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0.85V~0.95V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1KΩ 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51Ω-150Ω 1/8W.
3.3.21 R6,C4(控制振蕩頻率):
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3.74KΩ 1/8W精密電阻,振蕩頻率約為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蕩,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,但產生的振蕩頻率略有差異,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,盡量使用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蕩或輸出電壓不正確,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蕩),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,雖然較不易造成振蕩,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(盡量在2KΩ以下),以免造成輸出不准.
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 設計驗證可分為三部分)
a. 設計階段驗證
b. 樣品製作驗證
c. QE驗證
4.1 設計階段驗證
設計實驗階段應該養成記錄的習慣,記錄可以驗證實驗結果是否與電氣規格相符,以下即就DA-14B33設計階段驗證做說明(驗證項目視規格而定).
4.1.1 電氣規格驗證:
4.1.1.1 3843 PIN3腳電壓(full load 4A) :
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 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) 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負載(0.3A-4A)
(驗證是否有振蕩現象)
4.1.1.8 回授失效(輸出輕載)
Vout = 8.3V 90V/47Hz
Vout = 6.03V 264V/63Hz
4.1.1.9 O.C.P.(過電流保護)
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-CAP
DA-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100MΩ(2.5mA/3 Second).
4.1.1.14 溫昇記錄
設計實驗定桉後(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 barrier 肖特基二極管 ),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證;後者(範圍由30M - 300MHz,則因廠內無設備必須到實驗室驗證,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證,驗證的項目包括 : PCB尺寸、零件限高、零件禁置區、螺絲孔位置及孔徑、外殼孔寸….,若設計階段無法驗證,則必須在樣品階段驗證.
4.1.2 樣品驗證:
樣品製作完成後,除溫昇記錄、EMI測試外(是否需重新驗證,視情況而定),每一台樣品都應經過驗證(包括電氣及機構尺寸),此階段的電氣驗證可以以ATE(Chroma)測試來完成,ATE測試必須與電氣規格相符.
4.1.3 QE驗證:
QE針對工程部所提供的樣品做驗證,工程部應提供以下交件及樣品供QE驗證.