基于DA-14B33的开关电源电路设计流程

2012-11-07 10:56:04来源: 互联网

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

  

开关稳压电源设计

 

  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。

  设计流程简介

  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。

  

开关稳压电源设计

 

  NS = 二次侧圈数;NP = 一次侧圈数;Vo = 输出电压;VD= 二极管顺向电压;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:

  

开关稳压电源设计

 

  Ip = 一次侧峰值电流;Iav = 一次侧平均电流;Pout = 输出瓦数;h =效率;f = PWM 振荡频率

  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。

  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

开关稳压电源设计
        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,η =0.7,P.F.=0.5(cos θ),Lp=1600 Uh

  计算式:

  变压器材质及尺寸:

  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.

  2 假设滤波电容使用47uF/400V,Vin(min)暂定90V。

  l 决定变压器的线径及线数:

  

开关稳压电源设计

 

  2 假设NP使用0.32ψ的线

  电流密度

  

开关稳压电源设计

 

  可绕圈数

  

开关稳压电源设计

 

  假设Secondary使用0.35ψ的线

  

开关稳压电源设计

 

  假设使用4P,则

  

开关稳压电源设计

 

  

开关稳压电源设计

 

  决定Duty cycle:

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

  

开关稳压电源设计

 

  决定Ip 值:

  

开关稳压电源设计

 

  

开关稳压电源设计

 

  决定辅助电源的圈数:

  假设辅助电源=12V

  

开关稳压电源设计

 

  假设使用0.23ψ的线

  

开关稳压电源设计

 

  若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V

  决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress(应力):

  

开关稳压电源设计
Ns

 

  

开关稳压电源设计

 

  

开关稳压电源设计

 

  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

  

开关稳压电源设计

 

  所以可将NA2定为4Tx2P

  

开关稳压电源设计

 

  变压器的接线图:

  

开关稳压电源设计

 

  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保险丝:

  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。

  3.3.2 TR1(热敏电阻):

  电源启动的瞬间,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)。

  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,所以必须在靠AC 输入端 (Fuse 之后),加上突波吸收器来保护

  0.32Φx1Px22T

  0.32Φx1Px22T

  0.35Φx2Px4T

  0.35Φx4Px2T

  0.23Φx2Px6T

  设计流程简介

  Power(一般常用07D471K),但若有价格上的考虑,可先忽略不装。

  3.3.4 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750uAmax)。

  3.3.5 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 、 CISPR22(EN55022) Class B 两种 , FCC测试频率在450K~30MHz,CISPR22 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)。

  3.3.6 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。

  3.3.7 BD1(整流二极管):

  将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。

  3.3.8 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。

  3.3.9 D2(辅助电源二极管):

  整流二极管,一般常用FR105(1A/600V)或BYT42M(1A/1000V),两者主要差异:

  1.耐压不同(在此处使用差异无所谓)

  2.VF不同(FR105=1.2V,BYT42M=1.4V)

  3.3.10 R10(辅助电源电阻):

  主要用于调整PWM IC 的VCC 电压,以目前使用的3843 而言,设计时VCC 必须大于8.4V(Min. Load 时),但为考虑输出短路的情况,VCC 电压不可设计的太高,以免当输出短路时不保护(或输入瓦数过大)。

  3.3.11 C7(滤波电容):

  辅助电源的滤波电容,提供PWM IC 较稳定的直流电压,一般使用100uf/25V 电容。

  3.3.12 Z1(Zener 二极管):

  当回授失效时的保护电路,回授失效时输出电压冲高,辅助电源电压相对提高,此时若没有保护电路,可能会造成零件损坏,若在3843VCC 与3843 Pin3 脚之间加一个Zener Diode,当回授失效时ZenerDiode 会崩溃,使得Pin3 脚提前到达1V,以此可限制输出电压,达到保护零件的目的.Z1 值的大小取决于辅助电源的高低,Z1 的决定亦须考虑是否超过Q1 的VGS耐压值,原则上使用公司的现有料(一般使用1/2W 即可).

  3.3.13 R2(启动电阻):

  提供3843 第一次启动的路径,第一次启动时透过R2 对C7 充电,以提供3843 VCC 所需的电压,R2 阻值较大时,turn on的时间较长,但短路时Pin 瓦数较小,R2 阻值较小时,turn on的时间较短,短路时Pin 瓦数较大,一般使用220KΩ/2W M.O。.

  3.3.14 R4 (Line Compensation):

  高、低压补偿用,使3843 Pin3 脚在90V/47Hz 及264V/63Hz 接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ 1/4W 之间)。

  3.3.15 R3,C6,D1 (Snubber):

  此三个零件组成Snubber,调整Snubber 的目的:1.当Q1 off 瞬间会有Spike 产生,调整Snubber 可以确保Spike 不会超过Q1 的耐压值, 调整Snubber 可改善EMI. 一般而言, D1 使用1N4007(1A/1000V)EMI 特性会较好.R3 使用2W M.O.电阻,C6 的耐压值以两端实际压差为准(一般使用耐压500V 的陶质电容)。

  3.3.16 Q1(N-MOS):

  目前常使用的为3A/600V 及6A/600V 两种,6A/600V 的RDS(ON)较3A/600V 小,所以温升会较低,若IDS 电流未超过3A,应该先以3A/600V 为考虑,并以温升记录来验证,因为6A/600V 的价格高于3A/600V 许多,Q1 的使用亦需考虑VDS是否超过额定值。

  3.3.17 R8:

  R8 的作用在保护Q1,避免Q1 呈现浮接状态。

[1] [2]

关键字:DA-14B33  开关电源  电路设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1107/article_17533.html
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