SwitchPowerSupply电源设计精讲.doc

設計流程簡介1/151 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証是很重要的，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 GausxNpAeLIB10(ma) 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(cm 2) 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設計流程簡介2/153.2.4 決定 Duty cycle (工作週期):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%易導致振盪的發生xDVinoNps(m)1 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) = 濾波電容上的穀點電壓 D = 工作週期(Duty cycle)3.2.5 決定 Ip 值: IIavp21xDVinPoutav(m)fPxLpVinI(m) Ip = 一次側峰值電流 Iav = 一次側平均電流 Pout = 輸出瓦數 效率 PWM 震盪頻率f3.2.6 決定輔助電源的圈數:依據變壓器的圈比關係，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係，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 其他: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)，GausxNpAeLIB10(ma)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)，剩餘可繞面積=4.4mm. 假設 fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V， =0.7，P.F.=0.5(cosθ) ，Lp=1600 Uh設計流程簡介3/15 計算式: 變壓器材質及尺寸: 由以上假設可知材質為 PC-40，尺寸=EI-28，Ae=0.86cm 2，可繞面積(槽寬)=10mm ，因Margin Tape 使用 2.8mm，所以剩餘可繞面積為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: AxxVinPoutI 42.057.913cs(m) 假設 NP使用 0.32ψ 的線電流密度= xx86.1024.32.014.3可繞圈數= 圈線 徑剩 餘 可 繞 面 績 57.. 假設 Secondary 使用 0.35ψ 的線電流密度= Axx0.4289.1325.014.3 假設使用 4P，則電流密度= A0.47.可繞圈數= 圈57.13.5 決定 Duty cycle: 假設 Np=44T，Ns=2T，V D=0.5(使用 schottky Diode)inVoNpsD(m)1%2.48905.342 決定 Ip 值: IIavp21AxxDVinPout 435.082.79013(m)設計流程簡介4/15AKxufDxLpVinI 603.4582.1609(m)A73.2.435.0 決定輔助電源的圈數:假設輔助電源=12VNA1=6.3 圈128.3ANs128.3A假設使用 0.23ψ 的線可繞圈數= 圈3.9)0.3(4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)+ DVoNsp= 5.03248=463.6VDiode(D5)=輸出電壓(Vo)+ x 最高輸入電壓(380V)Nps= 38042.x=20.57VDiode(D4)= )380()(2 VxNpsA最 高 輸 入 電 壓輸 出 電 壓= =41.4V38046.x 其他: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迴授路徑所需的電壓。

假設 NA2 = 4T 使用 0.35ψ 線，則可繞圈數= ，所以可將 NA2定為T58.103.5.44Tx2P設計流程簡介5/1528.3AVNsVA6.78.3422 GausxGausxpeLIB 3.1608.431)(10(ma)  變壓器的接線圖:3.3 零件選用:零件位置(標註) 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0.32Φx1Px22T0.32Φx1Px22T0.35Φx2Px4T0.35Φx4Px2T0.23Φx2Px6T設計流程簡介6/153.3.4 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”符號或註明 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 規範一般可分為: 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)，安規規定必須要有洩放電阻(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，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 範圍在 90V~132V (Vc1 電壓最高約 190V)，可使用耐壓 200V 的電容;若 AC Input 範圍在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3.3.9 D2(輔助電源二極體):設計流程簡介7/15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3.3.12 Z1(Zener 二極體 ):當回授失效時的保護電路，回授失效時輸出電壓衝高，輔助電源電壓相對提高，此時若沒有保護電路，可能會造成零件損壞，若在3843 VCC 與 3843 Pin3 腳之間加一個 Zener Diode，當回授失效時Zener Diode 會崩潰，使得 Pin3 腳提前到達 1V，以此可限制輸出電壓，達到保護零件的目的.。