开关电源电路设计指南,Switching power supply design

关键字：开关电源设计

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，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 turnon / 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。
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)。

3.3.25 U2(Photo coupler)
光耦合器(Photo coupler)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Photo coupler 的原因，是为了符合安规需求(primacy tosecondary的距离至少需5., 6mm)。
3.3.26 R13(二次侧回路增益控制):
控制流过Photo coupler的电流，R13 阻值较小时，流过Photo coupler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Photo coupler 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。
3.3.27 U3(TL431)、R15、R16、R18
调整输出电压的大小，，输出电压不可超过38V(因为TL431 VKA最大为36V，若再加Photo coupler 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。
3.3.28 R14，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Dynamic load 来量测，即可取得一个最佳值。
3.3.29 D4(整流二极管):
因为输出电压为3.3V，而输出电压调整器(Output Voltage Regulator)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Photo coupler 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)。
3.3.30 C8(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。
3.3.31 D5(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/40V Schottky。
3.3.32 C10，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。
3.3.33 C11，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
3.3.34 R19(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)。
3.3.35 L3，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。
4 设计验证:(可分为三部分)
a. 设计阶段验证
b. 样品制作验证
c. QE 验证
4.1 设计阶段验证
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 设计阶段验证做说明(验证项目视规格而定)。
4.1.1 电气规格验证:
4.1.1.1 3843 PIN3 脚电压(full load 4A) :
90V/47Hz = 0.83V
115V/60Hz = 0.83V
132V/60Hz = 0.83V
180V/60Hz = 0.86V
230V/60Hz = 0.88V
264V/63Hz = 0.91V
4.1.1.2 Duty Cycle , fT:

4.1.1.3 Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)
4.1.1.4 Stress (264V / 63Hz full load) :

4.1.1.5 辅助电源(开机，满载)、短路Pin max.:

4.1.1.6 静态（满负荷)

4.1.1.7 Full Range 负载(0.3A-4A)
(验证是否有振荡现象)

4.1.1.8 反馈失效(输出轻载)
90V/47Hz ê Vout = 8.3V
264V/63Hz ê Vout = 6.03V
4.1.1.9 O.C.P.(过电流保护)
90V/47Hz = 7.2A
264V/63Hz = 8.4A
4.1.1.10 Pin(max.)
90V/47Hz = 24.9W
264V/63Hz = 27.1W
4.1.1.11 Dynamic test
H=4A，t1=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Rise)
L=0.3A，t2=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Full)

4.1.1.12 HI-POT test:
HI-POT test 一般可分为两种等级:
 输入为3 Pin(有FG 者)，HI-POT test 为1500Vac/1 minute。
Y-CAP 使用Y2-CAP
 输入为2 Pin(无FG 者)，HI-POT test 为3000Vac/1 minute。
Y-CAP 使用Y1-CAP
DA-14B33 属于输入3 PIN HI-POT test 为1500Vac/1 minute。
4.1.1.13 Grounding test:
输入为3 Pin(有FG 者)，一般均要测接地阻(Grounding test)，安规规定FG 到输出线材(输出端)的接地电阻不能超过100mΩ(25A/3 Second)。
4.1.1.14 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/40V Schottky)，因温升较高改为PBYR1540CTX(15A/40V)。
4.1.1.15 EMI 测试:
EMI 测试分为二类:
Conduction(传导干扰)
 Radiation(幅射干扰)
前者视规范不同而有差异(FCC : 450K - 30MHz，CISPR 22 :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) 。
4.1.1.16 机构尺寸:
设计阶段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….，若设计阶段无法验证，则必须在样品阶段验证。
4.1.2 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)，此阶段的电气验证可以以ATE(Chroma)测试来完成，ATE测试必须与电气规格相符。
4.1.3 QE 验证:
QE 针对工程部所提供的样品做验证，工程部应提供以下交件及样品供QE 验证。

                                                   高频开关电源原理与设计电路图