开关电源电路设计指南

接线图 2023年11月07日 19:23 160 admin

开关电源电路设计指南,Switching power supply design

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
开关电源电路设计指南第1张
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。
开关电源电路设计指南第2张

       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:
     开关电源电路设计指南第3张

    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电源电路设计指南第4张公式中，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:
开关电源电路设计指南第5张

2 假设NP使用0.32ψ的线
电流密度

开关电源电路设计指南第6张
可绕圈数

开关电源电路设计指南第7张

假设Secondary使用0.35ψ的线
开关电源电路设计指南第8张

假设使用4P，则
开关电源电路设计指南第9张
开关电源电路设计指南第10张

决定Duty cycle:
假设Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottky Diode)
开关电源电路设计指南第11张

决定Ip 值:
开关电源电路设计指南第12张

开关电源电路设计指南第13张
决定辅助电源的圈数:
假设辅助电源=12V

开关电源电路设计指南第14张

假设使用0.23ψ的线
开关电源电路设计指南第15张

若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V
决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress(应力):
开关电源电路设计指南第16张 Ns

开关电源电路设计指南第17张

开关电源电路设计指南第18张
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

开关电源电路设计指南第19张

所以可将NA2定为4Tx2P

开关电源电路设计指南第20张

变压器的接线图:

开关电源电路设计指南第21张
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750uAmax)。
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 、 CISPR22(EN55022) Class B 两种， FCC测试频率在450K~30MHz，CISPR22 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。更多内容见下一页面