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开关电源设计与验证全过程
开关电源设计与验证全过程
前言：希望以简短的篇幅,将目前DELTA，EMERSON，DATAL，POWERONE，TYCO，SIMENSE，VICOR，ACBEL等主流设计与验证思路展示给大家，就目前设计和验证的理论和实践，若有介绍不当之处，请不吝指教。
于设计工程而言，不仅要考虑设计一个好的产品，而且设计之前的市场容量和前景及竞争调查都是每个设计工程人员应当理解的，其目标是获得更多的销售量和适用的宽广市场及灵活的性能。
1 设计前的准备和目的：为了满足市场和客户的特别要求，需要了解所设计电源用在何种场所和设备上，根据设计电源的应用要求和功率大小选择电路的功率密度和拓扑结构。
基本上有六种拓扑被认为是DC/DC变换器的拓扑基石，不过也有专家认为最基本的拓扑是buck和boost，其他均由此演变而来。buck变换器为降压变换器，也是最常用的变换器，工程上常用的拓扑基本上是buck族的，如正激、半桥、全桥、推挽等等。boost变换器为buck的对偶拓扑，是升压变换器，常用于小功率100W内的电源。大功率PFC电路上，对于隔离的boost变换器也有推挽、双电感、全桥等电路。buck-boost是反激变换器的原型，属于升降压变换器。
后面三种电路不是很常用，都是升降压变换器。从效率的角度来说，这些变换器的输入和输出等同时候，效率最高。也就是buck最佳占空比为1，boost为0，buck-boost为0.5。（附图，详细拓扑介绍参见附件下载）
2 设计步骤:
2.1 铅笔绘线路图--电子软件绘制电路图（PROTEL, POWER PCB, PADS, Cadence etc）--PCB Layout – 仿真电路Simulate。其中电路的建模和传递函数对整个设计的环路稳定及EMC及为重要。
2.2 变压器计算. 每个公司都有一套类似EXCEL的数学公式表格，输入最大电压，电流，频率，占空比，参考磁通量等，可根据不同的匝比关系得出不同变压器设计参数，选择工艺简单和效率最高变压器设计。
2.3 零件选用. 选择电气余量50%。
2.4 设计验证. 检查PCB是否按照电路排布印刷，一般用万用表量测通断；装机完成后，放在密闭透明盒里从零缓慢上电，检测到有输出电压时，使用电子负载，从0缓慢增加输出负载至最大值，记录过流保护点OCP，一般调节OCP为130%。
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証是很重要的,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) = 铁心饱和的磁通密度(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和,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,最终应以温昇记录为准.
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= 二极体顺向电压?
Vin(min) = 滤波电容上的谷点电压?
D =? 工作週期(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?
效率?
PWM震荡频率?
3.2.6 决定辅助电源的圈数:
依据变压器的圈比关係,可决定辅助电源的圈数及电压.
3.2.7 决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力):
依据变压器的圈比关係,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),剩馀可绕面积=4.4mm.
假设fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,? =0.7,P.F.=0.5(cosθ),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,所以剩馀可绕面积为4.4mm. 假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定90V. 决定变压器的线径及线数:
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
电流密度=
假设使用4P,则
电流密度=
可绕圈数=
决定Dutycycle:
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
NA1=6.3圈
假设使用0.23ψ的线
可绕圈数=
若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V
决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力):
MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+ =
=463.6V
Diode(D5)=输出电压(Vo)+ x最高输入电压(380V)
=
=20.57V
Diode(D4)=
= =41.4V
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迴授路径所需的电压.
假设NA2 = 4T使用0.35ψ线,则
可绕圈数= ,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:
由变压器计算得到Iin值,以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料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Power(一般常用07D471K),但若有价格上的考量,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750uA max).
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 、 CISPR 22(EN55022) Class B 两种 , FCC测试频率在450K~30MHz,CISPR 22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