開關電源設計原理及全過程

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-04-15

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  一、概論

　　開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關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，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發展空間

　　電源有如人體的心臟，是所有電設備的動力。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有功率、電源、頻率、噪聲及帶載時參數的變化等等；在同一參數要求下，又有體積、重量、形態、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。

　　隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關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，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。

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

　　開關電源的工作原理是：

　　1.交流電源輸入經整流濾波成直流；

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

　　3.開關變壓器次級感應出高頻電壓，經整流濾波供給負載；

　　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，以達到穩定輸出的目的。

　　開關電源設計全過程

　　1 目的

　　希望以簡短的篇幅，將公司目前設計的流程做介紹，若有介紹不當之處，請不吝指教。

　　2 設計步驟：

　　2.1 繪線路圖、PCB Layout.

　　2.2 變壓器計算。

　　2.3 零件選用。

　　2.4 設計驗證。

　　3 設計流程介紹（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 決定變壓器的材質及尺寸：

　　依據變壓器計算公式

　　B（max） = 鐵心飽合的磁通密度（Gauss）

　　Lp = 一次側電感值（uH）

　　Ip = 一次側峰值電流（A）

　　Np = 一次側（主線圈）圈數

　　Ae = 鐵心截面積（cm2）

　　B（max）依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40為例，100℃時的B（max）為3900 Gauss,設計時應考慮零件誤差，所以一般取3000~3500 Gauss之間，若所設計的power為Adapter（有外殼）則應取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的Power.

　　3.2.2 決定一次側濾波電容：

　　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，可以做較大瓦數的Power,但相對價格亦較高。

　　3.2.3 決定變壓器線徑及線數：

　　當變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，依據Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數，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計而言，只能當做參考值，最終應以溫昇記錄為準。

　　3.2.4 決定Duty cycle （工作周期）：

　　由以下公式可決定Duty cycle ,Duty cycle的設計一般以50%為基準，Duty cycle若超過50%易導致振蕩的發生。

　　NS = 二次側圈數

　　NP = 一次側圈數

　　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 = 一次側峰值電流

　　Iav = 一次側平均電流

　　Pout = 輸出瓦數

　　效率

　　PWM震蕩頻率

　　3.2.6 決定輔助電源的圈數：

　　依據變壓器的圈比關系，可決定輔助電源的圈數及電壓。

　　3.2.7 決定MOSFET及二次側二極體的Stress（應力）：

　　依據變壓器的圈比關系，可以初步計算出變壓器的應力（Stress）是否符合選用零件的規格，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必須重新調整。

　　3.2.10 DA-14B33變壓器計算：

　　輸出瓦數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fT = 45 KHz ,Vin（min）=90V,? =0.7,P.F.=0.5（cosθ），Lp=1600 Uh

　　計算式：

　　變壓器材質及尺寸：l

　　由以上假設可知材質為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.

　　假設濾波電容使用47uF/400V,Vin（min）暫定90V.

　　決定變壓器的線徑及線數：

　　假設NP使用0.32ψ的線

　　電流密度=

　　可繞圈數=

　　假設Secondary使用0.35ψ的線

　　電流密度=

　　假設使用4P,則

　　電流密度=

　　可繞圈數=

　　決定Dutyl cycle:

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

　　決定Ip值：

　　決定輔助電源的圈數：

　　假設輔助電源=12V

　　NA1=6.3圈

　　假設使用0.23ψ的線

　　可繞圈數=

　　若NA1=6Tx2P,則輔助電源=11.4V

　　決定MOSFET及二次側二極體的Stress（應力）：

　　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NA2 = 4T使用0.35ψ線，則

　　可繞圈數= ,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（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（一般使用在大瓦數的Power上）。

　　3.3.3 VDR1（突波吸收器）：

　　當雷極發生時，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），安規規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:開關電方設計過祘

　　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）：

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

　　3.3.11 C7（濾波電容）：

　　輔助電源的濾波電容，提供PWM IC較穩定的直流電壓，一般使用100uf/25V電容。

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