开关电源内部研发教程.docx

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开关电源内部研发教程

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、PCBLayout.

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、PCBLayout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

ØB（max）=鐵心飽合的磁通密度（Gauss）

ØLp=一次側電感值（uH）

ØIp=一次側峰值電流（A）

ØNp=一次側（主線圈）圈數

ØAe=鐵心截面積（cm2）

ØB（max）依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDKFerriteCorePC40為例，100℃時的B（max）為3900Gauss，設計時應考慮零件誤差，所以一般取3000~3500Gauss之間，若所設計的power為Adapter（有外殼）則應取3000Gauss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Dutycycle（工作週期）:

由以下公式可決定Dutycycle，Dutycycle的設計一般以50%為基準，Dutycycle若超過50%易導致振盪的發生。

ØNS=二次側圈數

ØNP=一次側圈數

ØVo=輸出電壓

ØVD=二極體順向電壓

ØVin（min）=濾波電容上的谷點電壓

ØD=工作週期（Dutycycle）

3.2.5決定Ip值:

ØIp=一次側峰值電流

ØIav=一次側平均電流

ØPout=輸出瓦數

Ø

效率

Ø

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Photocoupler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。

3.2.10DA-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，MarginTape=2.8mm（每邊），剩餘可繞面積=4.4mm.

✧假設fT=45KHz，Vin（min）=90V，

=0.7，P.F.=0.5（cosθ），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=0.86cm2，可繞面積（槽寬）=10mm，因MarginTape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Dutycycle:

✧假設Np=44T，Ns=2T，VD=0.5（使用schottkyDiode）

●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photocoupler上的壓降約1.2V，將使得輸出電壓無法推動Photocoupler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:

0.35Φx2Px4T

0.35Φx4Px2T

0.32Φx1Px22T

0.32Φx1Px22T

0.23Φx2Px6T

3.3零件選用:

零件位置（標註）請參考線路圖:

（DA-14B33Schematic）

3.3.1FS1:

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。

3.3.2TR1（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）。

3.3.3VDR1（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。

3.3.4CY1，CY2（Y-Cap）:

Y-Cap一般可分為Y1及Y2電容，若ACInput有FG（3Pin）一般使用Y2-Cap，ACInput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（LeakageCurrent）必須符合安規須求（3Pin公司標準為750uAmax）。

3.3.5CX1（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:

FCCPart15JClassB、CISPR22（EN55022）ClassB兩種，FCC測試頻率在450K~30MHz，CISPR22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1.2MΩ1/4W）。

3.3.6LF1（CommonChoke）:

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CommonChoke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。

3.3.7BD1（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。

3.3.8C1（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ACInput範圍在90V~132V（Vc1電壓最高約190V），可使用耐壓200V的電容;若ACInput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。

3.3.9D2（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）

3.3.10R10（輔助電源電阻）:

主要用於調整PWMIC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）。

3.3.11C7（濾波電容）:

輔助電源的濾波電容，提供PWMIC較穩定的直流電壓，一般使用100uf/25V電容。

3.3.12Z1（Zener二極體）:

當回授失效時的保護電路，回授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3843VCC與3843Pin3腳之間加一個ZenerDiode，當回授失效時ZenerDiode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）.

3.3.13R2（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3843VCC所需的電壓，R2阻值較大時，turnon的時間較長，但短路時Pin瓦數較小，R2阻值較小時，turnon的時間較短，短路時Pin瓦數較大，一般使用220KΩ/2WM.O。

.

3.3.14R4（LineCompensation）:

高、低壓補償用，使3843Pin3腳在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致（一般使用750KΩ~1.5MΩ1/4W之間）。

3.3.15R3，C6，D1（Snubber）:

此三個零件組成Snubber，調整Snubber的目的:

1.當Q1off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2WM.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）。

3.3.16Q1（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。

3.3.17R8:

R8的作用在保護Q1，避免Q1呈現浮接狀態。

3.3.18R7（Rs電阻）:

3843Pin3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2WM.O.電阻，設計時先決定R7後再加上R4補償，一般將3843Pin3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）。

3.3.19R5，C3（RCfilter）:

濾除3843Pin3腳的雜訊，R5一般使用1KΩ1/8W，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3843Pin3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。

3.3.20R9（Q1Gate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，Q1turnon/turnoff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turnoff速度較慢）;若阻值較小，Q1turnon/turnoff的速度較快，Q1溫昇較低、效率較高，但EMI較差，一般使用51Ω-150Ω1/8W。

3.3.21R6，C4（控制振盪頻率）:

決定3843的工作頻率，可由DataSheet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3.74KΩ1/8W精密電阻，振盪頻率約為45KHz。

3.3.22C5:

功能類似RCfilter，主要功用在於使高壓輕載較不易振盪，一般使用101P/50V陶質電容。

3.3.23U1（PWMIC）:

3843是PWMIC的一種，由PhotoCoupler（U2）回授信號控制DutyCycle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，但產生的振盪頻率略有差異，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，儘量使用UC3843BN。

3.3.24R1、R11、R12、C2（一次側迴路增益控制）:

3843內部有一個ErrorAMP（誤差放大器），R1、R11、R12、C2及ErrorAMP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盪或輸出電壓不正確，一般C2使用立式積層電容（溫度持性較好）。

3.3.25U2（Photocoupler）

光耦合器（Photocoupler）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Photocoupler的原因，是為了符合安規需求（primacytosecondary的距離至少需5.6mm）。

3.3.26R13（二次側迴路增益控制）:

控制流過Photocoupler的電流，R13阻值較小時，流過Photocoupler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盪），R13阻值較大時，流過Photocoupler的電流較小，U2轉換電流較小，迴路增益較慢，雖然較不易造成振盪，但需注意輸出電壓是否正常。

3.3.27U3（TL431）、R15、R16、R18

調整輸出電壓的大小，

，輸出電壓不可超過38V（因為TL431VKA最大為36V，若再加Photocoupler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（儘量在2KΩ以下），以免造成輸出不準。

3.3.28R14，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Dynamicload來量測，即可取得一個最佳值。

3.3.29D4（整流二極體）:

因為輸出電壓為3.3V，而輸出電壓調整器（OutputVoltageRegulator）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Photocoupler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）。

3.3.30C8（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。

3.3.31D5（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/40VSchottky。

3.3.32C10，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。

3.3.33C11，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

3.3.34R19（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）。

3.3.35L3，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，以下即就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:

4.1.1.13843PIN3腳電壓（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

4.1.1.2DutyCycle,fT:

4.1.1.3Vin（min）=100V（90V/47Hzfullload）

4.1.1.4Stress（264V/63Hzfullload）:

Q1MOSFET:

D5:

D4:

4.1.1.5輔助電源（開機，滿載）、短路Pinmax.:

4.1.1.6Static（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

4.1.1.7FullRange負載（0.3A-4A）

（驗証是否有振盪現象）

4.1.1.8回授失效（輸出輕載）

90V/47HzVout=8.3V

264V/63HzVout=6.03V

4.1.1.9O.C.P.（過電流保護）

90V/47Hz=7.2A

264V/63Hz=8.4A

4.1.1.10Pin（max.）

90V/47Hz=24.9W

264V/63Hz=27.1W

4.1.1.11Dynamictest

H=4A，t1=25ms，slewRate=0.8A/ms（Rise）

L=0.3A，t2=25ms，slewRate=0.8A/ms（Full）

90V/47Hz

264V/63Hz

4.1.1.12HI-POTtest:

HI-POTtest一般可分為兩種等級:

Ø輸入為3Pin（有FG者），HI-POTtest為1500Vac/1minute。

Y-CAP使用Y2-CAP

Ø輸入為2Pin（無FG者），HI-POTtest為3000Vac/1minute。

Y-CAP使用Y1-CAP

DA-14B33屬於輸入3PINHI-POTtest為1500Vac/1minute。

4.1.1.13Groundingtest:

輸入為3Pin（有FG者），一般均要測接地阻（Groundingtest），安規規定FG到輸出線材（輸出端）的接地電阻不能超過100mΩ（25A/3Second）。

4.1.1.14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/40VSchottky），因溫昇較高改為PBYR1540CTX（15A/40V）。

4.1.1.15EMI測試:

EMI測試分為二類:

ØConduction（傳導干擾）

ØRadiation（幅射干擾）

前者視規範不同而有差異（FCC:

450K-30MHz，CISPR22:

150K-30MHz），前者可利用廠內的頻譜分析儀驗証；後者（範圍由30M-300MHz，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，驗証的項目包括:

PCB尺寸、零件