基于DA-14B33的开关电源电路设计流程

1.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
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。
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:
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
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:
2 假设np使用0.32ψ的线
电流密度
可绕圈数
假设secondary使用0.35ψ的线
假设使用4p,则
决定duty cycle:
假设np=44t,ns=2t,vd=0.5(使用schottky diode)
决定ip 值:
决定辅助电源的圈数:
假设辅助电源=12v
假设使用0.23ψ的线
若na1=6tx2p,则辅助电源=11.4v
决定mosfet 及二次侧二极管的stress(应力):
ns
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
所以可将na2定为4tx2p
变压器的接线图:
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。
3.3.7 bd1(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。
3.3.8 c1(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ac input 范围在90v~132v (vc1 电压最高约190v),
可使用耐压200v 的电容;若ac input 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。
3.3.9 d2(辅助电源二极管):
整流二极管,一般常用fr105(1a/600v)或byt42m(1a/1000v),两者主要差异:
1.耐压不同(在此处使用差异无所谓)
2.vf不同(fr105=1.2v,byt42m=1.4v)
3.3.10 r10(辅助电源电阻):
主要用于调整pwm ic 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)。
3.3.11 c7(滤波电容):
辅助电源的滤波电容,提供pwm ic 较稳定的直流电压,一般使用100uf/25v 电容。
3.3.12 z1(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3843 pin3 脚之间加一个zener diode,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).
3.3.13 r2(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3843 vcc 所需的电压,r2 阻值较大时,turn on的时间较长,但短路时pin 瓦数较小,r2 阻值较小时,turn on的时间较短,短路时pin 瓦数较大,一般使用220kω/2w m.o。.
3.3.14 r4 (line compensation):
高、低压补偿用,使3843 pin3 脚在90v/47hz 及264v/63hz 接近一致(一般使用750kω~1.5mω 1/4w 之间)。
3.3.15 r3,c6,d1 (snubber):
此三个零件组成snubber,调整snubber 的目的:1.当q1 off 瞬间会有spike 产生,调整snubber 可以确保spike 不会超过q1 的耐压值,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2w m.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)。
3.3.16 q1(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。
3.3.17 r8:
r8 的作用在保护q1,避免q1 呈现浮接状态。
3.3.18 r7(rs 电阻):
3843 pin3 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2w m.o.电阻,设计时先决定r7 后再加上r4 补偿,一般将3843 pin3 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)。
3.3.19 r5,c3(rc filter):
滤除3843 pin3 脚的噪声,r5 一般使用1kω 1/8w,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3843 pin3 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。
3.3.20 r9(q1 gate 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,q1 turn on / turn off 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turn off速度较慢);若阻值较小, q1 turn on / turnoff 的速度较快,q1 温升较低、效率较高,但emi 较差,一般使用51ω-150ω 1/8w。
3.3.21 r6,c4(控制振荡频率):
决定3843 的工作频率,可由data sheet 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/50v pe电容,r6 为3.74kω 1/8w 精密电阻,振荡频率约为45 khz。
3.3.22 c5:
功能类似rc filter,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。
3.3.23 u1(pwm ic):
3843 是pwm ic 的一种,由photo coupler (u2)回授信号控制duty cycle 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。
3.3.24 r1、r11、r12、c2(一次侧回路增益控制):
3843 内部有一个error amp(误差放大器),r1、r11、r12、c2 及error amp 组成一个负反馈电路,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)。

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