反激式开关电源的设计方法.docx
- 文档编号:30360820
- 上传时间:2023-08-13
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:244.63KB
反激式开关电源的设计方法.docx
《反激式开关电源的设计方法.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《反激式开关电源的设计方法.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
反激式开关电源的设计方法
1设计步骤:
1.1产品规格书制作
1.2设计线路图、零件选用.
1.3PCBLayout.
1.4变压器、电感等计算.
1.5设计验证.
2设计流程介绍:
2.1产品规格书制作
依据客户的要求,制作产品规格书。
做为设计开发、品质检验、生产测试等的依据。
2.2设计线路图、零件选用。
2.3PCBLayout.
外形尺寸、接口定义,散热方式等。
2.4变压器、电感等计算.
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,
2.4.1决定变压器的材质及尺寸:
依据变压器计算公式
ØB(max)=铁心饱合的磁通密度(Gauss)
ØLp=一次侧电感值(uH)
ØIp=一次侧峰值电流(A)
ØNp=一次侧(主线圈)圈数
ØAe=铁心截面积(cm2)
ØB(max)依铁心的材质及本身的温度来决定,以TDKFerriteCorePC40为例,100℃时的B(max)为3900Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500Gauss之间,若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000Gauss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。
2.4.2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。
2.4.3决定变压器线径及线数:
变压器的选择实际中一般根据经验,依据电源的体积、工作频率,散热条件,工作环境温度等选择。
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。
2.4.4决定占空比:
由以下公式可决定占空比,反激电源的占空比一般小于0.5(最低输入电压下),占空比若超过0.5易导致振荡的发生。
占空比确定后根据下面公式确定匝比。
ØNS=二次侧圈数
ØNP=一次侧圈数
ØVo=输出电压
ØVD=二极管顺向电压
ØVin(min)=滤波电容上的谷点电压
ØD=占空比
2.4.5决定Ip值:
如果在连续模式,先定义好交流分量和直流的比值,根据输入平均电流计算出Ip,由Ip确定出电感量。
ØIp=一次侧峰值电流
ØIav=一次侧平均电流
ØPout=输出瓦数
Ø
效率
ØK=直流分量和Ip的比值
2.4.6确定Lp,
知道Ip,根据K值,计算出交流分量ΔI。
确定开关频率f,计算出Ton。
计算出Lp
ØLp=一次侧感量
ØTon=导通时间
ØΔI=交流分量
2.4.7确定匝数Np,Ns
根据下面的公式
可以推导出:
,在根据
,计算出次级匝数Ns
2.4.8决定辅助电源的圈数:
根据Ns和Vo和辅助电源的电压Vcc计算出辅助电源的匝数:
2.4.9以CRS10-05变压器计算:
✧输入66—160Vdc,输出瓦数10.6W(5.3V/2A)
✧K=0.3,Dmax=0.42
✧设定
=0.8,f=200KHz,T=5us,
●变压器尺寸:
✧因电源尺寸限制,选用的磁芯的FEY12.8,Ae值:
11.4mm2。
●计算Ip
确定直流分量和Ip的比值:
K,依据经验定为0.3。
●计算Lp
由Ip和K值,计算出ΔI=Ip*(1-K)=0.736*(1-0.3)=0.515A
●计算初级匝数:
取整:
58匝。
根据
计算出Ns:
6.79,取整7匝,为保证占空比变化不大,可以适当更改初级匝数,一般初级匝数要比计算值多一些,避免Bmax超标。
●决定辅助电源的圈数:
假设辅助电源Vcc=12V
2.5零件选用:
(原理图参考网上的资料,内容稍全面一些)
2.5.1FS1(保险):
由变压器计算得到Iin值,以此Iin值(0.42A)可知使用2A/250V的保险,设计时亦须考虑Pin(max)时的Iin是否会超过保险丝的额定值。
2.5.2TR1(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)。
2.5.3VDR1(压敏电阻):
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Power(一般常用07D471K),但若有价格上的考虑,可先忽略不装。
2.5.4CY1,CY2(Y-Cap):
Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容,若ACInput有FG(3Pin)一般使用Y2-Cap,ACInput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(LeakageCurrent)必须符合安规须求(3Pin公司标准为750uAmax)。
2.5.5CX1(X-Cap)、RX1:
X-Cap为防制EMI零件,EMI可分为传导及辐射两部分,一般为(EN55022)ClassA、ClassB两种,传导测试频率在150K~30MHz,证,辐射测试频率在30MH~1GHz。
2.5.6LF1(共模电感):
EMI防制零件,主要影响传导的中、低频段,设计时必须同时考虑EMI特性及温升,以同样尺寸的共模电感而言,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。
2.5.7BD1(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。
2.5.8C1(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ACInput范围在90V~132V(Vc1电压最高约190V),可使用耐压200V的电容;若ACInput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。
2.5.9D2(辅助电源二极管):
2.5.10R10(辅助电源电阻):
主要用于调整PWMIC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)。
2.5.11C7(滤波电容):
辅助电源的滤波电容,提供PWMIC较稳定的直流电压,一般使用100uf/25V电容。
2.5.12Z1(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3843VCC与3843Pin3脚之间加一个ZenerDiode,当回授失效时ZenerDiode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).
2.5.13R2(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3843VCC所需的电压,R2阻值较大时,turnon的时间较长,但短路时Pin瓦数较小,R2阻值较小时,turnon的时间较短,短路时Pin瓦数较大,一般使用220KΩ/2WM.O。
.
2.5.14R4(LineCompensation):
高、低压补偿用,使3843Pin3脚在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ1/4W之间)。
2.5.15R3,C6,D1(Snubber):
此三个零件组成Snubber,调整Snubber的目的:
1.当Q1off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2WM.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)。
2.5.16Q1(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。
2.5.17R8:
R8的作用在保护Q1,避免Q1呈现浮接状态。
2.5.18R7(Rs电阻):
3843Pin3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2WM.O.电阻,设计时先决定R7后再加上R4补偿,一般将3843Pin3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)。
2.5.19R5,C3(RCfilter):
滤除3843Pin3脚的噪声,R5一般使用1KΩ1/8W,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3843Pin3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。
2.5.20R9(Q1Gate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,Q1turnon/turnoff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turnoff速度较慢);若阻值较小,Q1turnon/turnoff的速度较快,Q1温升较低、效率较高,但EMI较差,一般使用51Ω-150Ω1/8W。
2.5.21R6,C4(控制振荡频率):
决定3843的工作频率,可由DataSheet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/50VPE电容,R6为3.74KΩ1/8W精密电阻,振荡频率约为45KHz。
2.5.22C5:
功能类似RCfilter,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。
2.5.23U1(PWMIC):
3843是PWMIC的一种,由PhotoCoupler(U2)回授信号控制DutyCycle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。
2.5.24R1、R11、R12、C2(一次侧回路增益控制):
3843内部有一个ErrorAMP(误差放大器),R1、R11、R12、C2及ErrorAMP组成一个负回授电路,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)。
2.5.25U2(Photocoupler)
光耦合器(Photocoupler)主要将二次侧的信号转换到一次侧(以电流的方式),当二次侧的TL431导通后,U2即会将二次侧的电流依比例转换到一次侧,此时3843由Pin6(output)输出off的信号(Low)来关闭Q1,使用Photocoupler的原因,是为了符合安规需求(primacytosecondary的距离至少需5.6mm)。
2.5.26R13(二次侧回路增益控制):
控制流过Photocoupler的电流,R13阻值较小时,流过Photocoupler的电流较大,U2转换电流较大,回路增益较快(需要确认是否会造成振荡),R13阻值较大时,流过Photocoupler的电流较小,U2转换电流较小,回路增益较慢,虽然较不易造成振荡,但需注意输出电压是否正常。
2.5.27U3(TL431)、R15、R16、R18
调整输出电压的大小,
,输出电压不可超过38V(因为TL431VKA最大为36V,若再加Photocoupler的VF值,则Vo应在38V以下较安全),TL431的Vref为2.5V,R15及R16并联的目的使输出电压能微调,且R15与R16并联后的值不可太大(尽量在2KΩ以下),以免造成输出不准。
2.5.28R14,C9(二次侧回路增益控制):
控制二次侧的回路增益,一般而言将电容放大会使增益变慢;电容放小会使增益变快,电阻的特性则刚好与电容相反,电阻放大增益变快;电阻放小增益变慢,至于何谓增益调整的最佳值,则可以Dynamicload来量测,即可取得一个最佳值。
2.5.29D4(整流二极管):
因为输出电压为3.3V,而输出电压调整器(OutputVoltageRegulator)使用TL431(Vref=2.5V)而非TL432(Vref=1.25V),所以必须多增加一组绕组提供Photocoupler及TL431所需的电源,因为U2及U3所需的电流不大(约10mA左右),二极管耐压值100V即可,所以只需使用1N4148(0.15A/100V)。
2.5.30C8(滤波电容):
因为U2及U3所需的电流不大,所以只要使用1u/50V即可。
2.5.31D5(整流二极管):
输出整流二极管,D5的使用需考虑:
a.电流值
b.二极管的耐压值
以DA-14B33为例,输出电流4A,使用10A的二极管(Schottky)应该可以,但经点温升验证后发现D5温度偏高,所以必须换为15A的二极管,因为10A的VF较15A的VF值大。
耐压部分40V经验证后符合,因此最后使用15A/40VSchottky。
2.5.32C10,R17(二次侧snubber):
D5在截止的瞬间会有spike产生,若spike超过二极管(D5)的耐压值,二极管会有被击穿的危险,调整snubber可适当的减少spike的电压值,除保护二极管外亦可改善EMI,R17一般使用1/2W的电阻,C10一般使用耐压500V的陶质电容,snubber调整的过程(264V/63Hz)需注意R17,C10是否会过热,应避免此种情况发生。
2.5.33C11,C13(滤波电容):
二次侧第一级滤波电容,应使用内阻较小的电容(LXZ,YXA…),电容选择是否洽当可依以下三点来判定:
a.输出Ripple电压是符合规格
b.电容温度是否超过额定值
c.电容值两端电压是否超过额定值
2.5.34R19(假负载):
适当的使用假负载可使线路更稳定,但假负载的阻值不可太小,否则会影响效率,使用时亦须注意是否超过电阻的额定值(一般设计只使用额定瓦数的一半)。
2.5.35L3,C12(LC滤波电路):
LC滤波电路为第二级滤波,在不影响线路稳定的情况下,一般会将L3放大(电感量较大),如此C12可使用较小的电容值。
3设计验证:
(可分为三部分)
a.设计时间验证
b.样品制作验证
3.1设计时间验证
设计实验阶段应该养成记录的习惯,记录可以验证实验结果是否与电气规格相符,以下即就DA-14B33设计时间验证做说明(验证项目视规格而定)。
3.1.1电气规格验证:
3.1.1.13843PIN3脚电压(fullload4A):
90V/47Hz=0.83V
115V/60Hz=0.83V
132V/60Hz=0.83V
180V/60Hz=0.86V
230V/60Hz=0.88V
264V/63Hz=0.91V
3.1.1.2
DutyCycle,fT:
3.1.1.3Vin(min)=100V(90V/47Hzfullload)
3.1.1.4Stress(264V/63Hzfullload):
Q1MOSFET:
D5:
D4:
3.1.1.5辅助电源(开机,满载)、短路Pinmax.:
3.1.1.6
3.1.1.7Static(fullload)
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
3.1.1.8FullRange负载(0.3A-4A)
(验证是否有振荡现象)
3.1.1.9回授失效(输出轻载)
90V/47HzVout=8.3V
264V/63HzVout=6.03V
3.1.1.10O.C.P.(过电流保护)
90V/47Hz=7.2A
264V/63Hz=8.4A
3.1.1.11Pin(max.)
90V/47Hz=24.9W
264V/63Hz=27.1W
3.1.1.12Dynamictest
H=4A,t1=25ms,slewRate=0.8A/ms(Rise)
L=0.3A,t2=25ms,slewRate=0.8A/ms(Full)
90V/47Hz
264V/63Hz
3.1.1.13HI-POTtest:
HI-POTtest一般可分为两种等级:
Ø输入为3Pin(有FG者),HI-POTtest为1500Vac/1minute。
Y-CAP使用Y2-CAP
Ø输入为2Pin(无FG者),HI-POTtest为3000Vac/1minute。
Y-CAP使用Y1-CAP
DA-14B33属于输入3PINHI-POTtest为1500Vac/1minute。
3.1.1.14Groundingtest:
输入为3Pin(有FG者),一般均要测接地阻(Groundingtest),安规规定FG到输出线材(输出端)的接地电阻不能超过100mΩ(25A/3Second)。
3.1.1.15温升记录
设计实验定案后(暂定),需针对整体温升及EMI做评估,若温升或EMI无法符合规格,则需重新实验。
温升记录请参考附件,D5原来使用BYV118(10A/40VSchottky),因温升较高改为PBYR1540CTX(15A/40V)。
3.1.1.16EMI测试:
EMI测试分为二类:
ØConduction(传导干扰)
ØRadiation(幅射干扰)
前者视规范不同而有差异(FCC:
450K-30MHz,CISPR22:
150K-30MHz),前者可利用厂内的频谱分析仪验证;后者(范围由30M-300MHz,则因厂内无设备必须到实验室验证,Conduction,Radiation测试数据请参考附件)。
3.1.1.17机构尺寸:
设计时间即应对机构尺寸验证,验证的项目包括:
PCB尺寸、零件限高、零件禁置区、螺丝孔位置及孔径、外壳孔寸….,若设计时间无法验证,则必须在样品阶段验证。
3.1.2样品验证:
样品制作完成后,除温升记录、EMI测试外(是否需重新验证,视情况而定),每一台样品都应经过验证(包括电气及机构尺寸),
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 反激式 开关电源 设计 方法
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)