uc3842開關(guān)電源設(shè)計流程

1、目的希望以簡短的篇幅，將公司目前設(shè)計的流程做介紹，若有介紹不當(dāng)之處，請不吝指教設(shè)計步驟：繪線路圖、PCB Layout.變壓器計算.零件選用.設(shè)計驗(yàn)證.設(shè)計流程介紹(以DA-14B33為例):線路圖、PCB Layout請參考資識庫中說明.變壓器計算：變壓器是整個電源供應(yīng)器的重要核心，所以變壓器的計算及驗(yàn)證是很重要的，以下即就DA-14B33變壓器做介紹.決定變壓器的材質(zhì)及尺寸：依據(jù)變壓器計算公式B(ma為LpxIp x100 GaussNpxAeB(max) =鐵心飽合的磁通密度 (Gauss)Lp=一次側(cè)電感值(uH)Ip=一次側(cè)峰值電流(A)Np = 一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)Ae=鐵心截面積

2、(cm2)B(max)依鐵心的材質(zhì)及本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40 為例，100 C時的B(max)為3900 Gauss，設(shè)計時應(yīng)考慮零件誤差，所以一般取 30003500 Gauss之間，若所設(shè)計的 power為Adapter(有外殼)則應(yīng)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(shù)的 Power。決定一次側(cè)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(shù)的Power，但相對價格亦較高。決定變壓器線徑及線數(shù)：當(dāng)變壓器決定后，變壓器的B

3、obbin即可決定，依據(jù) Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數(shù)，亦可計算岀線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm 2為參考，電流密度對變壓器的設(shè)計而言，只能當(dāng)做參考值，最終應(yīng)以溫升記錄為準(zhǔn)。決定Duty cycle (工作周期):由以下公式可決定 Duty cycle ， Duty cycle的設(shè)計一般以 50%為基準(zhǔn)，Duty cycle若超過50%易導(dǎo)致振蕩的發(fā)生。Ns (Vo Vd)x(1 D)Np Vin(min) xDNs =二次側(cè)圈數(shù)Np = 一次側(cè)圈數(shù)Vo =輸岀電壓Vd=二極管順向電壓Vi n(mi n)=濾波電容上的谷點(diǎn)電壓D =工作周期(Duty cycle)決定

4、Ip值：1Ip IavI2IavPoutVin(min) PI xLpfVin(min) xDxIp = 一次側(cè)峰值電流 lav = 一次側(cè)平均電流Pout =輸岀瓦數(shù)效率f PWM震蕩頻率決定輔助電源的圈數(shù)：依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可決定輔助電源的圈數(shù)及電壓。決定MOSFET及二次側(cè)二極管的Stress(應(yīng)力):依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可以初步計算岀變壓器的應(yīng)力(Stress)是否符合選用零件的規(guī)格，計算時以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準(zhǔn)。其它：若輸岀電壓為 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。將所得資料代

5、入 B(ma)LPxIP x100 Gauss公式中，如此可得岀 B(max)，若B(max)值太高或太低則參數(shù)必須重新NpxAe調(diào)整。DA-14B33變壓器計算：輸岀瓦數(shù) 13.2W(3.3V/4A) ， Core = EI-28，可繞面積(槽寬)=10mm， Margin Tape = 2.8mm(每邊)，剩余可繞面積 =4.4mm. 假設(shè) fT = 45 KHz ， Vin(min)=90V ，=0.7， P.F.=0.5(cos 0 )， Lp=1600 Uh計算式：變壓器材質(zhì)及尺寸：由以上假設(shè)可知材質(zhì)為PC-40，尺寸=EI-28，Ae=0.86cm 2，可繞面積(槽寬)=10mm，

6、因Margin Tape使用2.8mm，所以剩余可繞面積為4.4mm.假設(shè)濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V13.290x0.7x0.50.42A決定變壓器的線徑及線數(shù)Pout linVin(min)x xcos假設(shè)Np使用0.32山的線電流密度=0.423.14x0.3220.423.14x0.10241.286A可繞圈數(shù)=剩餘可繞面績線徑4.40.32 0.0312.57 圈假設(shè)Secondary使用0.35的線電流密度=244.07A0 353.14x -2假設(shè)使用4P，則44 07電流密度=44.0711.02 A4可繞圈數(shù)=11.57圈0.35 0.03決定

7、Duty cycle:假設(shè) Np=44T，Ns=2T，Vd=0.5(使用 schottky Diode)NsVo Vd 1 DNpVin (min) DD 48.2%23.3 0.5 1 D4490 D決定Ip值:1Ip lav I2Pout13.2Iav0.435AVin(min)x xD 90x0.7x0.482I Vin(min)xD 90 x04820.603A1600u45KLpIp 0.4350.6030.737A2決定輔助電源的圈數(shù)假設(shè)輔助電源=12VNs 3.8Na1 12Na1竺 Na1=6.3 圈12假設(shè)使用0.23山的線4.4可繞圈數(shù)=(0.23 0.02)19.13 圈

8、若Na1=6Tx2P，則輔助電源 =11.4V決定MOSFET及二次側(cè)二極管的 Stress(應(yīng)力):NpMOSFET(Q1)=最高輸入電壓(380V)+ Vo Vd Ns=463.6V= 38044 3.30.5NsDiode(D5)=輸岀電壓(Vo)+x最高輸入電壓(380V)Np= 3.3 x38044=20.57VDiode(D4)=輸出電壓(NA2)Njx最高輸入電壓(380V)4= 6.6x380 =41.4V44其它：因?yàn)檩攲鐬?3.3V ,而TL431的Vref值為2.5V ,若再加上photo coupler上的壓降約1.2V ,將使得輸岀電壓無法推動Photo couple

9、r及TL431，所以必須另外增加一組線圈提供回授路徑所需的電壓。假設(shè)Na2 = 4T使用0.35山線，貝U可繞圈數(shù)4.40.35 0.03Ns3.82 3.8N A2 V A24 V A2LpxIpB(ma)x100NpxAe變壓器的接線圖：11.58T，所以可將 Na2定為4Tx2PVA2 7.6V1600x0.737(Gauss)x1003116.3 Gauss44x0.860.32x1Px22T0.32 3x1Px22TO-0.35 x4Px2TME (9)0.23x2Px6T . I-OI-0.35 x2Px4T零件選用 零件位置(標(biāo)注)請參考線路圖：(DA-14B33 Schemat

10、ic)FS1:由變壓器計算得到lin值，以此lin值(0.42A)可知使用公司共享料2A/250V，設(shè)計時亦須考慮 Pin (max)時的Iin是否會超 過保險絲的額定值。TR1（熱敏電阻）：電源啟動的瞬間，由于 C1（一次側(cè)濾波電容）短路，導(dǎo)致Iin電流很大，雖然時間很短暫，但亦可能對Power產(chǎn)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(jī)瞬間Iin在Spec之（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/5 Q ），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

11、瓦數(shù)的 Power上）。VDR1（突波吸收器）：當(dāng)雷極發(fā)生時，可能會損壞零件，進(jìn)而影響Power的正常動作，所以必須在靠 AC輸入端（Fuse之后），加上突波吸收器來保護(hù)Power（ 般常用07D471K），但若有價格上的考慮，可先忽略不裝。CY1，CY2（Y-Cap）:Y-Cap 一般可分為 Y1及丫2電容，若 AC In put有FG（3 Pin） 般使用丫2- Cap ， AC In put若為2Pi n（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”符號或注明丫

12、1），此電路因?yàn)橛?FG所以使用丫2-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 Curre nt ）必須符合安規(guī)須求（3P in公司標(biāo)準(zhǔn)為750uA max）。CXI（X-Cap）、RX1:X-Cap 為防制 EMI 零件，EMI 可分為 Co nduction 及 Radiation 兩部分，Con duction 規(guī)一般可分為：FCC Part 15J Class B、 CISPR 22（EN55022） Class B 兩種，F(xiàn)CC 測試頻率在 450K30MHz，CISPR 22 測試頻率在 150K30MHz， Conduct

13、ion 可在廠以頻譜分析儀驗(yàn)證，Radiation則必須到實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，X-Cap 一般對低頻段（150K數(shù)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(guī)規(guī)定必須要有泄放電 阻（RX1，般為 1.2MQ 1/4W）。LF1（Common Choke）:EMI防制零件，主要影響Con duction的中、低頻段，設(shè)計時必須同時考慮EMI特性及溫升，以同樣尺寸的 Common Choke而言，線圈數(shù)愈多（相對的線徑愈細(xì)），EMI防制效果愈好，但溫升可能較高。BD1（整流二極管）：將AC電源以全波整流的方式轉(zhuǎn)

14、換為DC,由變壓器所計算岀的Iin值，可知只要使用1A/600V的整流二極管，因?yàn)槭侨ㄕ魉阅蛪褐灰?00V即可。C1（濾波電容）:由C1的大?。娙葜担┛蓻Q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(shí)際驗(yàn)證 Vin（min）是否正確，若AC In put圍在90V132V （Vc1 電壓最高約190V），可使用耐壓 200V的電容；若AC In put 圍在90V264V（或180V264V），因Vc1電壓最高約 380V，所以必須使用耐壓400V的電容。D2（輔助電源二極管）:整流二極管，一般常用FR105（1A/600V）或BY

15、T42M（1A/1000V），兩者主要差異：耐壓不同（在此處使用差異無所謂）Vf不同（FR105=1.2V，BYT42M=1.4V）R10（輔助電源電阻）:主要用于調(diào)整 PWM IC的VCC電壓，以目前使用的3843而言，設(shè)計時 VCC必須大于8.4V（Min. Load時），但為考慮輸岀短路的情況，VCC電壓不可設(shè)計的太高，以免當(dāng)輸岀短路時不保護(hù)（或輸入瓦數(shù)過大）。C7（濾波電容）:輔助電源的濾波電容，提供PWM IC較穩(wěn)定的直流電壓，一般使用100uf/25V電容。Z1（Zener 二極管）:當(dāng)回授失效時的保護(hù)電路，回授失效時輸岀電壓沖高，輔助電源電壓相對提高，此時若沒有保護(hù)電路，可能會造

16、成零件損壞，若在3843 VCC與3843 Pin3腳之間加一個 Zener Diode，當(dāng)回授失效時 Zener Diode會崩潰，使得 Pin3腳提前到達(dá)1V，以此可限制輸岀電壓，達(dá)到保護(hù)零件的目的.Z1值的大小取決于輔助電源的高低，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(xiàn)有料（一般使用1/2W即可）.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(shù)較小，R2阻值較小時，turn on的時間較短，短路時Pin瓦數(shù)較大，一般使用220KQ

17、/2W M.O。R4 （Line Compe nsati on）:高、低壓補(bǔ)償用，使3843 Pin3腳在90V/47HZ及264V/63HZ接近一致（一般使用750KQ 1.5MQ 1/4W 之間）。R3，C6， D1 （Snubber）:此三個零件組成 Snubber，調(diào)整Snubber的目的：1.當(dāng)Q1 off瞬間會有Spike產(chǎn)生，調(diào)整 Snubber可以確保Spike不會超過 Q1的耐壓值，2.調(diào)整Snubber可改善EMI. 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(shí)際壓差為準(zhǔn)（一般使用耐壓500V的陶質(zhì)電

18、容）。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,所以溫升會較低，若 Ids電流未超過3A， 應(yīng)該先以3A/600V為考慮，并以溫升記錄來驗(yàn)證，因?yàn)?A/600V的價格高于3A/600V許多，Q1的使用亦需考慮 Vds是否超過額定值。R8:R8的作用在保護(hù) Q1，避免Q1呈現(xiàn)浮接狀態(tài)。R7（Rs 電阻）:3843 Pin3腳電壓最高為1V，R7的大小須與 R4配合，以達(dá)到高低壓平衡的目的，一般使用2W M.O.電阻，設(shè)計時先決定R7后再加上R4補(bǔ)償，一般將3843 Pin3腳電壓設(shè)計在0.85V0.95V之間（視瓦

19、數(shù)而定，若瓦數(shù)較小則不能太接近1V，以免因零件誤差而頂?shù)絀V）。R5，C3（RC filter）:濾除3843 Pin3腳的噪聲，R5 一般使用1KQ 1/8W，C3 一般使用102P/50V的陶質(zhì)電容，C3若使用電容值較小者，重載 可能不開機(jī)（因?yàn)?843 Pin3瞬間頂?shù)絀V）;若使用電容值較大者，也許會有輕載不開機(jī)及短路Pin過大的問題。R9（Q1 Gate 電阻）:R9電阻的大小，會影響到 EMI及溫升特性，一般而言阻值大，Q1 turn on / turn off的速度較慢，EMI特性較好，但 Q1的溫升較高、效率較低 （主要是因?yàn)閠urn off速度較慢）;若阻值較小， Q1 tu

20、rn on / turn off的速度較快，Q1溫升較低、效 率較高，但 EMI較差，一般使用 51Q-150Q 1/8W。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3.74KQ 1/8W精密電阻，振蕩頻率約為45 KHz。C5:功能類似RC filter，主要功用在于使高壓輕載較不易振蕩，一般使用101P/50V陶質(zhì)電容。U1（PWM IC）:3843是PWM IC的一種，由Photo Coupler （

21、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(chǎn)生的振蕩頻率略有差異，UC3843BN較KA3843快了約2KHz，fT的增加會衍生岀一些問題（例如:EMI問題、短路問題），因KA3843較難買，所以新機(jī)種設(shè)計時，盡量使用UC3843BN。R1、R11、R12、C2（一次側(cè)回路增益控制）:3843部有一個Error AMP（誤差放大器），R1、R11、R12、C2及Error AMP組成一個負(fù)回授電路，用來調(diào)整回路增益的穩(wěn)定度，回路增益，調(diào)整不

22、恰當(dāng)可能會造成振蕩或輸岀電壓不正確，一般C2使用立式積層電容（溫度持性較好）。U2（Photo coupler）光耦合器（Photo coupler）主要將二次側(cè)的信號轉(zhuǎn)換到一次側(cè) （以電流的方式），當(dāng)二次側(cè)的TL431導(dǎo)通后，U2即會將二次側(cè) 的電流依比例轉(zhuǎn)換到一次側(cè)，此時3843由Pin6 （output）輸岀off的信號（Low）來關(guān)閉Q1，使用Photo coupler的原因，是為了符合安規(guī)需求 （primacy to secondary的距離至少需 5.6mm）。R13（二次側(cè)回路增益控制）:控制流過Photo coupler的電流，R13阻值較小時，流過 Photo coupler

23、的電流較大，U2轉(zhuǎn)換電流較大，回路增益較快（需要確認(rèn)是否會造成振蕩），R13阻值較大時，流過 Photo coupler的電流較小，U2轉(zhuǎn)換電流較小，回路增益較慢，雖然較不易造成振蕩，但需注意輸出電壓是否正常。U3（TL431）、R15、R16、R18R13 R16R1g調(diào)整輸岀電壓的大小，Vo Vref X，輸岀電壓不可超過 38V（因?yàn)門L431 V KA最大為36V，若再加R15/R16Photo coupler的Vf值，貝Vo應(yīng)在38V以下較安全），TL431的Vref為2.5V，R15及R16并聯(lián)的目的使輸岀電壓能微調(diào)，且R15與R16并聯(lián)后的值不可太大（盡量在2K Q以下），以免造

24、成輸岀不準(zhǔn)。R14，C9（二次側(cè)回路增益控制 ）:控制二次側(cè)的回路增益，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，至于何謂增益調(diào)整的最佳值，則可以Dynamic load來量測，即可取得一個最佳值。D4（整流二極管）:因?yàn)檩攲珉妷簽?3.3V，而輸岀電壓調(diào)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?yàn)?U2及U3所需的電流不大（約10mA左右），二極

25、管耐 壓值100V即可，所以只需使用 1N4148（0.15A/100V）。C8（濾波電容）:因?yàn)閁2及U3所需的電流不大，所以只要使用 1u/50V即可。D5（整流二極管）:輸出整流二極管， D5 的使用需考慮 :電流值二極管的耐壓值以 DA-14B33 為例，輸出電流 4A ，使用 10A 的二極管 （Schottky） 應(yīng)該可以，但經(jīng)點(diǎn)溫升驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn) D5 溫度偏高，所以必 須換為15A的二極管，因?yàn)?0A的 V較15A的Vf值大。耐壓部分40V經(jīng)驗(yàn)證后符合，因此最后使用15A/40V SchottkyC10, R17（二次側(cè) snubber）:D5在截止的瞬間會有 spike產(chǎn)生，若s

26、pike超過二極管（D5）的耐壓值，二極管會有被擊穿的危險，調(diào)整snubber可適當(dāng)?shù)臏p少spike的電壓值，除保護(hù)二極管外亦可改善EMI，R17 一般使用1/2W的電阻，C10 一般使用耐壓 500V的陶質(zhì)電容，snubber 調(diào)整的過程 （264V/63Hz） 需注意 R17,C10 是否會過熱，應(yīng)避免此種情況發(fā)生。C11，C13（濾波電容）:二次側(cè)第一級濾波電容，應(yīng)使用阻較小的電容（LXZ，YXA），電容選擇是否洽當(dāng)可依以下三點(diǎn)來判定：輸出 Ripple 電壓是符合規(guī)格電容溫度是否超過額定值 電容值兩端電壓是否超過額定值R19（假負(fù)載）:適當(dāng)?shù)氖褂眉儇?fù)載可使線路更穩(wěn)定，但假負(fù)載的阻值不可

27、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(shè)計只使用額定瓦數(shù)的一半）。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(wěn)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。設(shè)計驗(yàn)證 :（可分為三部分 ）設(shè)計階段驗(yàn)證樣品制作驗(yàn)證QE 驗(yàn)證設(shè)計階段驗(yàn)證設(shè)計實(shí)驗(yàn)階段應(yīng)該養(yǎng)成記錄的習(xí)慣，記錄可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與電氣規(guī)格相符，以下即就DA-14B33 設(shè)計階段驗(yàn)證做說明 （驗(yàn)證項(xiàng)目視規(guī)格而定 ）。電氣規(guī)格驗(yàn)證 :3843 PIN3 腳電壓 （full load 4A） :90V/47Hz =0.83V115V/60Hz =0.83V

28、132V/60Hz =0.83V180V/60Hz =0.86V230V/60Hz =0.88V264V/63Hz =0.91VDuty Cycle , f T:fT46.8KHzfT46.8KHzton10.15usjton3.25us/90V /47Hz%264V / 60HzT21.35ust21.35usDuty Cycle 47.5%<Duty Cycle 15.2%、D5:D4:輔助電源（開機(jī)，滿載）、短路Pin max.:開機(jī)90V/47HZ 滿載短路0.18A(8.4V)11.20V(4A)1.2W(max.)Vin(min) = 100V (90V / 47Hz ful

29、l load)Stress (264V / 63Hz full load):Q1 MOSFET:264V / 63Hz開機(jī) 滿載 短路0.13A(8.4V)11.26V(4A)8.8W(max.)r 90V/47Hz =OK115V/60HzOK132V/60HzOK180V/60HzOK230V/60HzOK1264V/63HzOKStatic (full load)Pin(w)Iin(A)Iout(A)Vout(V)P.F.Ripple(mV)Pout(w)eff90V/47Hz18.70.3643.300.573213.2270.7115V/60Hz18.60.3143.300.522813.2271.1132V/60Hz18.60.2843.300.502913.2271.1180V/60Hz18.70.2143.300.493013.2370.7230V/60Hz18.90.1843.300.462913.2269.9264V/60Hz19.20.1643.300.452913.2368.9Full Range 負(fù)載(0.3A-4A)(驗(yàn)證是否有振蕩現(xiàn)象)回授失效(輸出輕載)90V/47Hz Vout = 8.3V264V/63Hz Vout = 6.03V過電流保護(hù))90V/47HZ = 7.2A264