基于DA-14B33的開關(guān)電源電路設(shè)計流程

　　1.目的：希望以簡短的篇幅，將公司目前設(shè)計的流程做介紹，若有介紹不當之處，請不吝指教.

　　2 設(shè)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(shè)計驗證.

　　3 設(shè)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(yīng)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(zhì)及尺寸:

　　依據(jù)變壓器計算公式

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　　B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss)；Lp = 一次側(cè)電感值(uH)；Ip = 一次側(cè)峰值電流(A)；Np = 一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)；Ae = 鐵心截面積(cm2)

　　B(max) 依鐵心的材質(zhì)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(shè)計時應(yīng)考慮零件誤差，所以一般取3000~3500 Gauss 之間，若所設(shè)計的power 為Adapter(有外殼)則應(yīng)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(shù)的Power。

　　3.2.2 決定一次側(cè)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(shù)的Power，但相對價格亦較高。

　　3.2.3 決定變壓器線徑及線數(shù):

　　當變壓器決定后，變壓器的Bobbin即可決定，依據(jù)Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數(shù)，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(shè)計而言，只能當做參考值，最終應(yīng)以溫升記錄為準。

　　設(shè)計流程簡介

　　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(shè)計一般以50%為基準，Duty cycle 若超過50%易導(dǎo)致振蕩的發(fā)生。

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　　NS = 二次側(cè)圈數(shù)；NP = 一次側(cè)圈數(shù)；Vo = 輸出電壓；VD= 二極管順向電壓；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:

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　　Ip = 一次側(cè)峰值電流；Iav = 一次側(cè)平均電流；Pout = 輸出瓦數(shù)；h =效率；f = PWM 振蕩頻率

　　3.2.6 決定輔助電源的圈數(shù):

　　依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可決定輔助電源的圈數(shù)及電壓。

　　3.2.7 決定MOSFET 及二次側(cè)二極管的Stress(應(yīng)力):依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可以初步計算出變壓器的應(yīng)力(Stress)是否符合選用零件的規(guī)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

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　　B(max)，若B(max)值太高或太低則參數(shù)必須重新調(diào)整。

　　3.2.10 DA-14B33 變壓器計算:

　　輸出瓦數(shù)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(shè)fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V，η =0.7，P.F.=0.5(cos θ)，Lp=1600 Uh

　　計算式:

　　變壓器材質(zhì)及尺寸:

　　由以上假設(shè)可知材質(zhì)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.

　　2 假設(shè)濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V。

　　l 決定變壓器的線徑及線數(shù):

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　　2 假設(shè)NP使用0.32ψ的線

　　電流密度

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　　可繞圈數(shù)

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　　假設(shè)Secondary使用0.35ψ的線

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　　假設(shè)使用4P，則

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　　決定Duty cycle:

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

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　　決定Ip 值:

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　　決定輔助電源的圈數(shù):

　　假設(shè)輔助電源=12V

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　　假設(shè)使用0.23ψ的線

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　　若NA1=6Tx2P，則輔助電源=11.4V

　　決定MOSFET 及二次側(cè)二極管的Stress(應(yīng)力):

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　　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(shè)NA2 = 4T 使用0.35ψ線，則

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　　所以可將NA2定為4Tx2P

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　　變壓器的接線圖:

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　　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保險絲:

　　由變壓器計算得到Iin 值，以此Iin值(0.42A)可知使用公司共享料2A/250V，設(shè)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，由于C1(一次側(cè)濾波電容)短路，導(dǎo)致Iin電流很大，雖然時間很短暫，但亦可能對Power 產(chǎn)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(nèi)(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(shù)的Power 上)。

　　3.3.3 VDR1(突波吸收器):

　　當雷極發(fā)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 之后)，加上突波吸收器來保護

　　0.32Φx1Px22T

　　0.32Φx1Px22T

　　0.35Φx2Px4T

　　0.35Φx4Px2T

　　0.23Φx2Px6T

　　設(shè)計流程簡介

　　Power(一般常用07D471K)，但若有價格上的考慮，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(guī)須求(3Pin 公司標準為750uAmax)。

　　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(guī)范一般可分為: FCC Part 15J Class B 、 CISPR22(EN55022) Class B 兩種 ， FCC測試頻率在450K~30MHz，CISPR22 測試頻率在150K~30MHz， Conduction可在廠內(nèi)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(shù)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(guī)規(guī)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(shè)計時必須同時考慮EMI特性及溫升，以同樣尺寸的Common Choke 而言，線圈數(shù)愈多(相對的線徑愈細)，EMI 防制效果愈好，但溫升可能較高。

　　3.3.7 BD1(整流二極管):

　　將AC 電源以全波整流的方式轉(zhuǎn)換為DC，由變壓器所計算出的Iin值，可知只要使用1A/600V 的整流二極管，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 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。

　　3.3.9 D2(輔助電源二極管):

　　整流二極管，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):

　　主要用于調(diào)整PWM IC 的VCC 電壓，以目前使用的3843 而言，設(shè)計時VCC 必須大于8.4V(Min. Load 時)，但為考慮輸出短路的情況，VCC 電壓不可設(shè)計的太高，以免當輸出短路時不保護(或輸入瓦數(shù)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(wěn)定的直流電壓，一般使用100uf/25V 電容。

　　3.3.12 Z1(Zener 二極管):

　　當回授失效時的保護電路，回授失效時輸出電壓沖高，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3843VCC 與3843 Pin3 腳之間加一個Zener Diode，當回授失效時ZenerDiode 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.Z1 值的大小取決于輔助電源的高低，Z1 的決定亦須考慮是否超過Q1 的VGS耐壓值，原則上使用公司的現(xiàn)有料(一般使用1/2W 即可).

　　3.3.13 R2(啟動電阻):

　　提供3843 第一次啟動的路徑，第一次啟動時透過R2 對C7 充電，以提供3843 VCC 所需的電壓，R2 阻值較大時，turn on的時間較長，但短路時Pin 瓦數(shù)較小，R2 阻值較小時，turn on的時間較短，短路時Pin 瓦數(shù)較大，一般使用220KΩ/2W M.O。.

　　3.3.14 R4 (Line Compensation):

　　高、低壓補償用，使3843 Pin3 腳在90V/47Hz 及264V/63Hz 接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ 1/4W 之間)。

　　3.3.15 R3，C6，D1 (Snubber):

　　此三個零件組成Snubber，調(diào)整Snubber 的目的:1.當Q1 off 瞬間會有Spike 產(chǎn)生，調(diào)整Snubber 可以確保Spike 不會超過Q1 的耐壓值，?調(diào)整Snubber 可改善EMI. 一般而言， D1 使用1N4007(1A/1000V)EMI 特性會較好.R3 使用2W M.O.電阻，C6 的耐壓值以兩端實際壓差為準(一般使用耐壓500V 的陶質(zhì)電容)。

　　3.3.16 Q1(N-MOS):

　　目前常使用的為3A/600V 及6A/600V 兩種，6A/600V 的RDS(ON)較3A/600V 小，所以溫升會較低，若IDS 電流未超過3A，應(yīng)該先以3A/600V 為考慮，并以溫升記錄來驗證，因為6A/600V 的價格高于3A/600V 許多，Q1 的使用亦需考慮VDS是否超過額定值。

　　3.3.17 R8:

　　R8 的作用在保護Q1，避免Q1 呈現(xiàn)浮接狀態(tài)。

　　3.3.18 R7(Rs 電阻):

　　3843 Pin3 腳電壓最高為1V，R7 的大小須與R4 配合，以達到高低壓平衡的目的，一般使用2W M.O.電阻，設(shè)計時先決定R7 后再加上R4 補償，一般將3843 Pin3 腳電壓設(shè)計在0.85V~0.95V 之間(視瓦數(shù)而定，若瓦數(shù)較小則不能太接近1V，以免因零件誤差而頂?shù)?V)。

　　3.3.19 R5，C3(RC filter):

　　濾除3843 Pin3 腳的噪聲，R5 一般使用1KΩ 1/8W，C3 一般使用102P/50V 的陶質(zhì)電容，C3 若使用電容值較小者，重載可能不開機(因為3843 Pin3 瞬間頂?shù)?V);若使用電容值較大者，也許會有輕載不開機及短路Pin 過大的問題。

　　3.3.20 R9(Q1 Gate 電阻 ):

　　R9電阻的大小，會影響到EMI及溫升特性，一般而言阻值大，Q1 turn on / turn off 的速度較慢，EMI特性較好，但Q1 的溫升較高、效率較低(主要是因為turn off速度較慢);若阻值較小， Q1 turn on / turnoff 的速度較快，Q1 溫升較低、效率較高，但EMI 較差，一般使用51Ω-150Ω 1/8W。

　　3.3.21 R6，C4(控制振蕩頻率):

　　決定3843 的工作頻率，可由Data Sheet 得到R、C 組成的工作頻率，C4 一般為10nf的電容(誤差為5%)，R6 使用精密電阻，以DA-14B33為例，C4 使用103P/50V PE電容，R6 為3.74KΩ 1/8W 精密電阻，振蕩頻率約為45 KHz。

　　3.3.22 C5:

　　功能類似RC filter，主要功用在于使高壓輕載較不易振蕩，一般使用101P/50V 陶質(zhì)電容。

　　3.3.23 U1(PWM IC):

　　3843 是PWM IC 的一種，由Photo Coupler (U2)回授信號控制Duty Cycle 的大小，Pin3 腳具有限流的作用(最高電壓1V)，目前所用的3843 中，有KA3843(SAMSUNG)及UC3843BN(S.T.)兩種，兩者腳位相同，但產(chǎn)生的振蕩頻率略有差異，UC3843BN 較KA3843 快了約2KHz，fT的增加會衍生出一些問題(例如:EMI 問題、短路問題)，因KA3843 較難買，所以新機種設(shè)計時，盡量使用UC3843BN。

　　3.3.24 R1、R11、R12、C2(一次側(cè)回路增益控制):

　　3843 內(nèi)部有一個Error AMP(誤差放大器)，R1、R11、R12、C2 及Error AMP 組成一個負反饋電路，用來調(diào)整回路增益的穩(wěn)定度，回路增益，調(diào)整不恰當可能會造成振蕩或輸出電壓不正確，一般C2 使用立式積層電容(溫度持性較好)。