开关电源设计全过程解析

开关电源设计全过程

1 目的

希望以简短的篇幅,将公司目前设计的流程做介绍,若有介绍不当之处,请不吝指教.

2 设计步骤:

2.1 绘线路图、PCB Layout.

2.2 变压器计算.

2.3 零件选用.

2.4 设计验证.

3 设计流程介绍(以DA-14B33为例):

3.1 线路图、PCB Layout请参考资识库中说明.

3.2 变压器计算:

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,以下即就DA-14B33变压器做介绍.

3.2.1 决定变压器的材质及尺寸:

依据变压器计算公式

B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss)

Lp = 一次侧电感值(uH)

Ip = 一次侧峰值电流(A)

Np = 一次侧(主线圈)圈数

Ae = 铁心截面积(cm2)

B(max)依铁心的材质及本身的温度来决定,以TDK Ferrite Core PC40为例,100℃时的B(max)为3900 Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500 Gauss之间,若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss左右,以避免铁心因高温而饱合,一般而言铁心的尺寸越大,Ae越高,所以可以做较大瓦数的Power.

3.2.2 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.

3.2.3 决定变压器线径及线数:

当变压器决定後,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,最终应以温昇记录为准.

3.2.4 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.

NS = 二次侧圈数

NP = 一次侧圈数

Vo = 输出电压

VD= 二极体顺向电压

Vin(min) = 滤波电容上的谷点电压

D =工作周期(Duty cycle)

3.2.5 决定Ip值:

Ip = 一次侧峰值电流

Iav = 一次侧平均电流

Pout = 输出瓦数

效率

PWM震荡频率

3.2.6 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.

3.2.7 决定MOSFET及二次侧二极体的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.

3.2.8 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.

3.2.9 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.

3.2.10 DA-14B33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.

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

计算式:

变压器材质及尺寸:l

由以上假设可知材质为PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可绕面积(槽宽)=10mm,因Margin Tape使用2.8mm,所以剩余可绕面积为4.4mm.

假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定90V.

决定变压器的线径及线数:

假设NP使用0.32ψ的线

电流密度=

可绕圈数=

假设Secondary使用0.35ψ的线

电流密度=

假设使用4P,则

电流密度=

可绕圈数=

决定Dutyl cycle:

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

决定Ip值:

决定辅助电源的圈数:

假设辅助电源=12V

NA1=6.3圈

假设使用0.23ψ的线

可绕圈数=

若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V

决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力):

MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+ =

=463.6V

Diode(D5)=输出电压(Vo)+ x最高输入电压(380V)=

=20.57V

Diode(D4)=

= =41.4V

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.

假设NA2 = 4T使用0.35ψ线,则

可绕圈数= ,所以可将NA2定为4Tx2P

变压器的接线图:

3.3 零件选用:

零件位置(标注)请参考线路图: (DA-14B33 Schematic)

3.3.1 FS1:

由变压器计算得到Iin值,以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料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.

3.3.2 TR1(热敏电阻):

电源启动的瞬间,由於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).

3.3.3 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