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本次讲解电源以一个13.2W电源为例
输入:AC90~264V
输出:3.3V/4A
原理图
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。
决定变压器的材质及尺寸:
依据变压器计算公式
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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。
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。
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。
决定Ip值:
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。
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。
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。
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。
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.
●决定Duty cycle:
●决定Ip值:
●决定辅助电源的圈数:
●决定MOSFET及二次侧二极管的Stress(应力):
●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。
●变压器的接线图:
零件选用:
●FS1:
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。
●TR1(热敏电阻):
电源激活的瞬间,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)。
●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。
●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)。
●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)。
●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。
●BD1(整流二极管):
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。
●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。
开关电源设计验证
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
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,以下即就此电源设计阶段验证做说明(验证项目视规格而定)。
●电气规格验证:
3843 PIN3脚电压(full load 4A) :
●Duty Cycle , fT:
●Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)
●Stress (264V / 63Hz full load) :
Q1 MOSFET:
D5:
●辅助电源(开机,满载)、短路Pin max.:
●Static (full load)
●Full Range负载(0.3A-4A)(验证是否有振荡现象)
●回授失效(输出轻载)
●O.C.P.(过电流保护)
●Pin(max.)
●HI-POT test:
此电源属于输入3 PIN HI-POT test 为1500Vac/1 minute。
●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)。
●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)。
●EMI测试:
●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。
样品验证阶段:
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。
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。
来源:电子工程基础