- 开关电源设计原理及全过程
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文章来源:第一LED网
一、概论
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间
电源有如人体的心脏,是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为,标志电源特性的参数有功率、电源、频率、噪声及带载时参数的变化等等;在同一参数要求下,又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标,人可按此去塑造电源,因此电源的形式是极多的。
随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。
一般电力要经过转换才能符合使用的需要。转换的例子有:交流转换成直流,高电压变成低电压,大功率中取小功率等等。
开关电源的工作原理是:
1.交流电源输入经整流滤波成直流;
2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。
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、PCBLayout.
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、PCBLayout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TDKFerriteCorePC40为例,100℃时的B(max)为3900Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500Gauss之间,若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000Gauss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,终应以温昇记录为准。
3.2.4决定Dutycycle(工作周期):
由以下公式可决定Dutycycle,Dutycycle的设计一般以50为基准,Dutycycle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(Dutycycle)
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Photocoupler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。
3.2.10DA-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,MarginTape=?2.8mm(每边),剩余可绕面积=4.4mm.
假设fT=45KHz,Vin(min)=90V,?=0.7,P.F.=0.5(cos),Lp=1600Uh
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MarginTape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0.32的线
电流密度=
可绕圈数=
假设Secondary使用0.35的线
电流密度=
假设使用4P,则
电流密度=
可绕圈数=
决定Dutylcycle:
假设Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用schottkyDiode)
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0.23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)=高输入电压(380V) =
=463.6V
Diode(D5)=输出电压(Vo) x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photocoupler上的压降约1.2V,将使得输出电压无法推动Photocoupler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0.35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-14B33Schematic)
3.3.1FS1:
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。
3.3.2TR1(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/5),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)。
3.3.3VDR1(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之後),加上突波吸收器来保护Power(一般常用07D471K),但若有价格上的考量,可先忽略不装。
3.3.4CY1,CY2(Y-Cap):
Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容,若ACInput有FG(3Pin)一般使用Y2-Cap,ACInput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(LeakageCurrent)必须符合安规须求(3Pin公司标准为750uAmax)。
3.3.5CX1(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:FCCPart15JClassB、CISPR22(EN55022)ClassB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1.2M1/4W)。
3.3.6LF1(CommonChoke):
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特性及温昇,以同样尺寸的CommonChoke而言,线圈数愈多(相对的线径愈细),EMI防制效果愈好,但温昇可能较高。
3.3.7BD1(整流二极体):
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的整流二极体,因为是全波整流所以耐压只要600V即可。
3.3.8C1(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ACInput范围在90V~132V(Vc1电压高约190V),可使用耐压200V的电容;若ACInput范围在90V~264V(或180V~264V),因Vc1电压高约380V,所以必须使用
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