開關(guān)電源設(shè)計原理及全過程

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-04-15

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  一,、概論

　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成,。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,，但二者增長速率各異,。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源,，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點,。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動,，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間

　　電源有如人體的心臟，是所有電設(shè)備的動力,。但電源卻不像心臟那樣形式單一,。因為，標志電源特性的參數(shù)有功率,、電源,、頻率、噪聲及帶載時參數(shù)的變化等等,；在同一參數(shù)要求下,，又有體積、重量,、形態(tài),、效率、可靠性等指標,，人可按此去"塑造"和完美電源,，因此電源的形式是極多的。

　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,，電力電子設(shè)備與人們的工作,、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源,，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化,，率先完成計算機的電源換代,，進入90年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域,，程控交換機,、通訊、電子檢測設(shè)備電源,、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源,，更促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率,，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成,。開關(guān)電源和線性電源相比,，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異,。線性電源成本在某一輸出功率點上,，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點,。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動,，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間,。

　　一般電力要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。轉(zhuǎn)換的例子有：交流轉(zhuǎn)換成直流,，高電壓變成低電壓，大功率中取小功率等等,。

　　開關(guān)電源的工作原理是：

　　1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流,；

　　2.通過高頻PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號控制開關(guān)管，將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上,；

　　3.開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,，經(jīng)整流濾波供給負載；

　　4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,，控制PWM占空比,，以達到穩(wěn)定輸出的目的。

　　開關(guān)電源設(shè)計全過程

　　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,，若有介紹不當之處，請不吝指教,。

　　2 設(shè)計步驟：

　　2.1 繪線路圖,、PCB Layout.

　　2.2 變壓器計算,。

　　2.3 零件選用。

　　2.4 設(shè)計驗證,。

　　3 設(shè)計流程介紹（以DA-14B33為例）：

　　3.1 線路圖,、PCB Layout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(yīng)器的重要核心,，所以變壓器的計算及驗證是很重要的,，以下即就DA-14B33變壓器做介紹。

　　3.2.1 決定變壓器的材質(zhì)及尺寸：

　　依據(jù)變壓器計算公式

　　B（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（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℃時的B（max）為3900 Gauss,設(shè)計時應(yīng)考慮零件誤差，所以一般取3000~3500 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.

　　3.2.2 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,。

　　3.2.3 決定變壓器線徑及線數(shù)：

　　當變壓器決定後,，變壓器的Bobbin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(shè)計而言,，只能當做參考值，最終應(yīng)以溫昇記錄為準,。

　　3.2.4 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,，Duty cycle若超過50%易導致振蕩的發(fā)生。

　　NS = 二次側(cè)圈數(shù)

　　NP = 一次側(cè)圈數(shù)

　　Vo = 輸出電壓

　　VD= 二極體順向電壓

　　Vin（min） = 濾波電容上的谷點電壓

　　D =工作周期（Duty cycle）

　　3.2.5 決定Ip值：

　　Ip = 一次側(cè)峰值電流

　　Iav = 一次側(cè)平均電流

　　Pout = 輸出瓦數(shù)

　　效率

　　PWM震蕩頻率

　　3.2.6 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,。

　　3.2.7 決定MOSFET及二次側(cè)二極體的Stress（應(yīng)力）：

　　依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可以初步計算出變壓器的應(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,。

　　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Photo coupler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(shù)必須重新調(diào)整,。

　　3.2.10 DA-14B33變壓器計算：

　　輸出瓦數(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（cosθ）,，Lp=1600 Uh

　　計算式：

　　變壓器材質(zhì)及尺寸：l

　　由以上假設(shè)可知材質(zhì)為PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可繞面積（槽寬）=10mm,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90V.

　　決定變壓器的線徑及線數(shù)：

　　假設(shè)NP使用0.32ψ的線

　　電流密度=

　　可繞圈數(shù)=

　　假設(shè)Secondary使用0.35ψ的線

　　電流密度=

　　假設(shè)使用4P,則

　　電流密度=

　　可繞圈數(shù)=

　　決定Dutyl cycle:

　　假設(shè)Np=44T,Ns=2T,VD=0.5（使用schottky Diode）

　　決定Ip值：

　　決定輔助電源的圈數(shù)：

　　假設(shè)輔助電源=12V

　　NA1=6.3圈

　　假設(shè)使用0.23ψ的線

　　可繞圈數(shù)=

　　若NA1=6Tx2P,則輔助電源=11.4V

　　決定MOSFET及二次側(cè)二極體的Stress（應(yīng)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photo coupler上的壓降約1.2V,將使得輸出電壓無法推動Photo coupler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0.35ψ線，則

　　可繞圈數(shù)= ,所以可將NA2定為4Tx2P

　　變壓器的接線圖：

　　3.3 零件選用：

　　零件位置（標注）請參考線路圖： （DA-14B33 Schematic）

　　3.3.1 FS1:

　　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(shè)計時亦須考慮Pin（max）時的Iin是否會超過保險絲的額定值,。

　　3.3.2 TR1（熱敏電阻）：

　　電源啟動的瞬間，由於C1（一次側(cè)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(chǎn)生傷害,，所以必須在濾波電容之前加裝一個熱敏電阻,，以限制開機瞬間Iin在Spec之內(nèi)（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(shù)的Power上）,。

　　3.3.3 VDR1（突波吸收器）：

　　當雷極發(fā)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。

　　3.3.4 CY1,CY2（Y-Cap）：

　　Y-Cap一般可分為Y1及Y2電容,，若AC Input有FG（3 Pin）一般使用Y2- Cap , AC Input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"符號或注明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（Leakage Current ）必須符合安規(guī)須求（3Pin公司標準為750uA max）,。

　　3.3.5 CX1（X-Cap）,、RX1:

　　X-Cap為防制EMI零件，EMI可分為Conduction及Radiation兩部分,，Conduction規(guī)范一般可分為： FCC Part 15J Class B ,、 CISPR 22（EN55022） Class B 兩種 , FCC測試頻率在450K~30MHz,CISPR 22測試頻率在150K~30MHz, Conduction可在廠內(nèi)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(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（RX1,一般為1.2MΩ 1/4W）。

　　3.3.6 LF1（Common Choke）：

　　EMI防制零件,，主要影響Conduction 的中,、低頻段，設(shè)計時必須同時考慮EMI特性及溫昇,，以同樣尺寸的Common Choke而言,，線圈數(shù)愈多（相對的線徑愈細），EMI防制效果愈好,，但溫昇可能較高,。

　　3.3.7 BD1（整流二極體）：

　　將AC電源以全波整流的方式轉(zhuǎn)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,。

　　3.3.8 C1（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,， led亮化工程公司，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AC Input 范圍在90V~132V （Vc1 電壓最高約190V），可使用耐壓200V的電容,；若AC Input 范圍在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。

　　Re:開關(guān)電方設(shè)計過祘

　　3.3.9 D2（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）

　　3.3.10 R10（輔助電源電阻）：

　　主要用於調(diào)整PWM IC的VCC電壓，以目前使用的3843而言,，設(shè)計時VCC必須大於8.4V（Min. Load時）,，但為考慮輸出短路的情況，VCC電壓不可設(shè)計的太高，以免當輸出短路時不保護（或輸入瓦數(shù)過大）,。

　　3.3.11 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,。

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