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【史上最全--附下载】开关电源每个元器件计算细节,各种拓扑设计细节、认证测试注意细节、研发经验细节!...

 yxhzcr 2017-03-03

 

一.输入回路    

1.保险丝FUSE

FUSE有

1.MICRO FUSE 微型保险丝 

2. CERAMIC FUSE 陶瓷保险丝 

3. GLASS FUSE 玻璃管型保险丝 

4. SMD FUSE贴片型保险丝

按熔断速度分为快熔型(FAST) 慢熔型(SLOW)

个人经验取值参考:

1. Pin=Pout/Eff 

2. Vacmin=INPUT VOLTAGE

取(AC电流值)Iac *2--- 3 倍值为FUSE值比较合适。

举例:ACin=90V—264V Pout=60W

Iac=(Pout/Eff)/Vacmin/PF= (60/0.8)/90/0.55=75/90/0.55=1.5A*2 =3A取 2.5A -3A/250V

功率较大的,可以具实际情况减小

125V FUSE只应用于低段电压,全范围电压用250V之FUSE。

倍压整流

Iac=(Pout/Eff)/Vac/PF

ACINPUT:180V

Iac=(290/0.8)/180/0.6=3.36A

ACINPUT:90V

Iac=(290/0.8)/90/0.6=6.71A

115V段在滤波前按90V算,之后可以按180V输入算.如变压器,MOS….等

2. 热敏电阻

热敏电阻电源主要用到NTC型的

1.负温度系数NTC:电阻值随温度增加而减小

2.正温度系数PTC:电阻值随温度增加而增加(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

输入电路的是抑制开机瞬间,防大电容开始充电时,呈现很低阻抗,产生大电流造成损坏。当温度升高时,阻值变小,对电路的损耗很小。

取值:I =Pout/Eff/ACinmin/PF

最少大于2倍电流值,在根据实际测试温度高低做调整。可以根据实际经验和现有物料等取。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

经验:与FUSE的电流取值接近即可。

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3. 突波吸收器(压敏电阻 METAL OXIDE VARISTORS)

电源常用三种:

突波吸收器选取主要根据两点

1. 电压值 –是运用在电路中该件的最大端电压,取最大端电压的110%-120%,低端常用241或271,高端电压常用471。

2. 器件所承受最大的尖峰电流

3. 估算出电路所承受最大瞬间的能量的焦耳数。

突波电流值—般在做雷击实验或浪涌时所要求,但过电压也是一个目的限制。我们一般按经验选取。在考虑不做雷击实验或浪涌时和成本时可以不用安装。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

4. X电容

X电容主要用来消出差模干扰,主要集中在消出中,低频段,一般在10MHZ以下明显。

具体选取值,没有限制,只要考虑以下因素即可:

1. 满足传导测试可以达到要求,可加大,或减小(成本)。

2. PCB板能尽量安装有位置,以避免重新做板,增大工作量和成本。

X-Cap 一般對低頻段(150K ~ 數M之間)的EMI差模干扰防制有效,也会对共模有轻微变化.一般而言X-Cap愈大,EMI防制效果愈好(但價格愈高).

相对应泻放电阻要根据X电容变化而变化。一般X电容取值在0.1Uf - 2.uF间。

5. Y电容

1.Y电容主要用来消出共模干扰,对整段有影响,10MHZ以下很明显,一般Y电容越大,传导测试波形越好,不过必须在考虑高压测试时的漏电流的要求可允许下,漏電流(Leakage Current )必須符合安規的需求。OPEN FRAME符合前条件即可, ADAPTER一般要求Y电容最大用到漏電流<>

2.Y-Cap一般可分為Y1及Y2電容,若AC Input有FG(3 Pin) 熟I类(CLASS-I),对地可使用Y2- Cap接FG; AC Input若為2Pin(只有L,N) 熟II类(CLASS-II),使用Y1-Cap接地,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Y1的本體上會有“回”符號或註明Y1)。

一般Y电容取值在471PF—10000PF间。主要有:471,102,152,222,332,472等等。

有的Y电容额定电压标示: 比如CD X1Y1 222 ~400V~250V或 ~250V或~ 400V,实际是一样的,只是针对的应用不同标准的不同标示. Y1一般都是额定电压~400V~250V 承受电压:4000VAC/50/60HZ; Y2额定电压~400V~250V 承受电压:2600VAC/50/60HZ (参考规格资料)

6. 共模(差模)电感

磁性材料主要有:铁素体(FERRITE),纳米晶,铁粉芯,金属铁芯等。

铁素体:主要有四种:

1.锰锌铁氧体(Mn-Zn Ferrite)(现在常用的)

2.镍锌铁氧体(Ni-Zn Ferrite)

3.铜镁锌铁氧体 (CU-Mg-Zn Ferrite)

 4.多合金的

适用高频率变压器,EMI滤波器,能量存储用等。

纳米晶: 对低端频率有好的效果。

可用在EMI电路,对KHZ段有很好的抑制效果,但容易饱和

铁粉芯: 1.碳基铁粉芯 Carbonyl Iron 2.铁硅铝铁粉芯 Sendust

适用高频率变压器,滤波器等,主要常应用在储能电感, 输出DC直流滤波器上。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

金属铁芯:实用于低频端,宜30KHZ以下。

共差模电感一般用高磁导率铁素体(FERRITE)磁芯,铁素体是EMI电路最常用的材料。(高频率变压器,EMI滤波器等有可能是一种材质,但配比不同,不能通用)

1. 共模电感的计算公式

L=1/(2*Π*Fo)2*Cy

Fo—假设截止频率 Cy--共模配套等效电容

2. 差模电感的计算公式

L 1=L2=0.5* 1/ (2*Π*Fo)2*Cx

Fo—假设截止频率 Cx—差模配套等效电容

输入电感的线径确定:一般具4A-6A/1mm2的电流密度,Φ1mm=r2*3.14*4A =3.14 A

I =Pout/Eff/ACinmin/PF

根据实际经验,可以适当减小线径取值,大于I =Pout/Eff/ACinmin稍大即可。

可以根据实测温度做调整

在设计EMI电路时, 计算结果也许与实际相差甚远, 可根据功率大小,所用电路形式和以往经验,在设计前确定滤波级数,大概取值,然后在EMI 测试时根据实际情况再做调整即可。(最好参考成熟的EMI电路,以节约时间).

在设计和改善时,共差模电感在正常使用时一定要注意避免接近饱和。还要注意它的温度不能太高或太靠近热体,以造成冷机OK,热机NG现象。

EMI电路总结:

EMI干扰主要是电压,电流在开关时发生突变,影起的干扰现象。

不同的产品相对的EMI测试同频点不良改善方法不一定一致.

1. 加减共模电感的圈数,改变Y电容,主要表现在150KHZ---10MHZ左右,最明显是在几MHZ段.但也会对其他段有影响. 如两级,前级的对KHZ段影响较大.

2.20MHZ左右不好,在输出极线加铁粉芯磁珠,有很好的改善。对辐射也起很好的作用

3. 如果出现差模干扰,可改变X电容容量来改善,如X电容不能很好解决时,可改单边串入带CORE电感,来解决。或改变已有的差模电感.

4. 增大Gate电阻,可减小EMI干扰,主要表现在几MHZ—10MHZ左右,但会增加上升沿时间,MOS发热温度高。(在开关损耗小,是电流不连续模式,在MOS关断有震荡波形时,改该电阻效果不明显.

5. 在低端几百KHZ段,如其他方法不能抑制,可以改用非晶磁环,有很好效果.(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

6. 在Vds对地加小电容,在数十MHZ表现明显,和对高端辐射(100MHZ一下)起很好的作用, 但会增加发热量;

7. 改变变压器的绕法和屏蔽铜皮;整机外部屏蔽等,主要表现在抑制辐射,对传导影响较小. 但变压器的绕法和屏蔽铜皮对传导也有影响.

8. 改吸收回路,或在中串磁珠 ,在MOS脚串磁珠等,对数MHZ---数十MHZ有效果

9. 在输出整流桥,变压器或输出线材中套磁环,对几十MHZ以上有很好的改善,特别对辐射.

10. 在对3PIN接地的ADP产品,接地后将使传导辐射变得很差. 如无限制的情况下,在接地线串如磁珠,将有很好的降低.(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

11. MOS和输出整流管的选用,也对EMI测试有影响.

12. PCB LAYOUT 对EMI影响很大.在设计时,尽量根据以往经验,参考成熟电路的布线来进行.

13. 在AV OK时,QP不一定能OK,有可能是EMI电感有出现饱和现象, 或者EMI电路和主变压器也可能影响. QP是根据AV计算得到的

14. EMI分為传导Conduction及辐射Radiation兩部分,Conduction标准規範一般常用两种:(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

传导

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可以用頻譜分析儀驗證,Radiation 則必須到专用實驗室驗證。

辐射

測試頻率在30MHZ~1000MHz

以下是传导的实测波形图一,图二是辐射测试波形.(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

图一传导测试波形

图二, 辐射测试波形

7. 放电电阻

主要是在关断AC输入后,X电容上的电量在1秒内释放达到安全电压内,测试输入插头端。

取值主要考虑以下因素:

1. 根据放电时间取电阻大小,R=T/(2.21*C) T=取1 S ,C= 所有X电容相加的总容量。(不同的标准放电时间 T 有些不同的取值要求)

2. 是放电电阻根据自身阻值本身承受的功率要求。公式为:P=V*V / R

3. 若X-Cap在0.22uf以上(包含0.22uf),安規規定必須要有洩放電阻。

二.整流滤波

1.整流

电压:峰值反向电压PIV,一般要求大于600V

电流:最大正向整流电流,选择时,至少大于两倍 整流二极管稳态电流容量。

要有所承受浪涌电流的能力。

散热装置或环境,一般取得小时,可以加散热装置,如加散热片有明显效果.可根据实测试来修改参数.

2. 滤波Cin

取滤波后纹波电压△V=30V 放电维持时间T=(1/Finac) / 2 (由于波形是半周,故取一半/2)

Idc=Pin/(Acin*1.414)

Cin=Idc*T/△V

举例说明:

Pout=40W

Pin=Pout/EFF=40/0.8=50W

Idc=Pin/(Acin*1.414)=50/(90*1.414)=0.39A

T= (1/Finac) / 2=(1/60)/2=16.67US/2=8.3US

Cin=Idc*T/△V=0.39*8.3/40=0.0809*1000=80.9uF取82uF/400V即可(经验取值:2uF-1瓦)

△V可取值在20---40V间,取40V性价比比较合适. △V限制在45V内,一般OUTPUT的纹波可以控制在1%内. △V取更低,容量则成倍增长.

一般滤波后的VDC不小于Vacin*1.2倍(重载),峰值≦1.414*Vacin(轻载)

在应用倍压整流时,一定要在各电容两端加平衡电阻,可经验取值,一般是几百K欧。

三.PWM IC振荡频率及周围电路

1.振荡频率

PWM的振荡频率一般根据IC的应用说明来选取,(有的是曲线 ,有的是公式)。有些IC是固定工作频率的。

举例说明:UC3843/2

当Rt>5KR, F=1.72/(Rt*Ct),开关频率约等于计算值,Rt是振荡电阻,Ct是振荡电容,1.72是常数。当Rt<5kr, f="">

注意:计算值为工作频率,如UC3842/UC3843。

侧是便计算值的一半为工作频率,如UC3844/5.

2. Risens

根据IC要求的Isens值来计算电阻值和功率。

举例说明:UC38XX系列

PIN3-Isens 限制为1V , Rs=Vlimit/Ipk/2=1.0/Ipk/2

Rs:Risens电阻。Ipk:MOSFET D-S极的PK电流

调试时可以适当改动 ,以达到最佳状态。

IC-sens脚接至Rs端时,须接如RC滤波网络,改善波形,滤出杂波。是根据Rs上流过电流所形成的电压波形Vs,通过Vs对RC充放电的时间常数来整形,使Vs更加有规则的波形尖峰来做信号. R,C计算较为麻烦,且不理想,可根据实际经验和调试来取,较为方便。如38XX系列一般应用1KR/470-1000PF来改善。

3.Rgate (MOS-Gate与IC OUT 间接的电阻)

(1). 主要用来消除由于MOS结电容和分布电容所引起的高频振荡。选取合适值,可以减小Gate极的振荡,减小MOS导通时的PK电流,减小EMI干扰。但会增加了开关的上升沿时间,MOS的发热量会加大。

(2). 在与该电阻并联须反结一普通二极管,可以改善开关的下降沿,以减小MOS开关的关断时损耗,降低发热量。可以根据实际调试来或串入一小电阻,来达到最佳效果。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

4. 启动电阻:

根据IC的启动电压,电流值来取。

注意电阻的承受功率,耐电压等以免烧坏。

电阻不能太小,否则会增加功耗,太大会启动不了.

5.VCC

一. 在设计PWM-IC VCC电压时,电源在各种情况下都能保证VCC输出电压合乎要求,足够大的电流。变压器VCC绕组的绕的顺序直接关系到输出电压 的漂移。

二. 尽量取经验电压值(有的IC电压高低会有对其他功能的影响)。如VIPER系列,电压过高就无法做短路保护。

三. 如果由于变压器的绕法引起VCC随负载变化,使其能明显随限流电阻变化可调整,必须按D-R-C的顺序接,R不可接在后。

四. 变压器

CORE:一般用低磁导率铁氧体磁芯(锰锌材质)(又名铁素体FERRITE)。根据参考磁芯功率值,外形要求,窗口要求,机械尺寸等来确定磁芯,骨架的规格。

变压器的线径确定:4A-6A/1mm2的电流密度。

在设计变压器时,取电流连续模式与不连续模式,也很重要.具经验选在临界---连续模式间是比较实用。针对全电压范围输入的产品计算时,用低段Vsmin时,要按连续模式计算,反之,则在高电压端损耗将增大.

不连续模式优缺点:

很高初级峰值电流导致需选用更大的开关管,关断损耗加大,转换效率较低.次级峰值电流相应大,对滤波电容要求更高,尖峰电流易损坏元器件.输出整流管工作在不连续模式,所以发热较好。

适用于高电压,小电流输出的电源。

连续模式优缺点:

反之,较小的初级峰值电流,转换效率较高.输出整流管工作在连续模式,所以发热较大。

适用于低电压,大电流输出的电源。

1.(1) 反激励式

Ipk=2*Pout/(Vsmin*Dmax) 

Ton=1/Fsw*Dmax

Lp = Vsmin * Ton / Ipk

Np = Lp * Ipk / ( Ae * △B )

Ns = (Vo+Vd) * (1-Dmax) * Np / (Vsmin * Dmax)

Lg=0.4*Π*Lp*Ipk2/(Ae*ΔB2)*10(8次方)

Lg--气屑长度

Ipk—峰值电流A 

Pout—输出功率W 

Vsmin—高压电容最小端电压V

Dmax—最大占空比 Ton—MOS导通时间uS

K — 变压器转换效率,取95%,常数0.95

Vo — 次级输出直流电压V Vd—次级输出整流管压降V

Ae—磁芯有效切面积 mm2 △B—最大饱和磁感应强度T,取△B*65%即可在选取△B时,参照100℃,饱和磁通密度 * 60-70%间性价比较为合适。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

△B---1T = 1000 mT= 10000GS

举例:SAMWHA PL-7(TDK-PC40) 100℃ 对应380Mt*65%=247mT取 0.25 T计算

磁感应强度在数值上等于与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通,故磁感应强度又称着磁通密度

(2)参考公式:

2. 正激励式变压器和储能电感

对多组输出的储能电感,各组间不能按主要绕组的圈数来算,应该按变压器的方法来算,主绕组/主电压=次绕组/次电压

储能电感可以选用铁粉芯(常用)或铁氧体

退磁绕组

应与初绕组的象位相反,圈数相同或者少一点点,尽量不要超出。线径取得可以较小,可根据变压器舱口尺寸

选反接二极管时可选超快,快恢复型,耐高电压>VDS,电流不必太大。一般选UF4007 1A/1000V或BYV系列即可

3. 辅助绕组

根据IC的VCC电压,参考反馈组,来选取合适值,满足:

1. 最大,最小工作电压电流。

2. 可利用电压(OVP,UVP)作保护功能。等

注意:有的IC VCC电压取的过高,会导致其他功能达不到。如VIPPER22A, VCC太高,无法做SHORT PROTECT.

初级:I = Pin / Vdcmin = Pin / (Vacmin*1.2) 具实际可以取5-6A/1mm2

在绕制变压器中,在负载变化时,绕法的影响:

VCC变化大:初级 / VCC辅助 /主输出

VCC变化小:初级 / 主输出 / VCC辅助

为了达到最小的漏感量:初级 / 主输出/ VCC辅助/ 初级(称为三明治绕法)(ADP类常用)(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

在多组输出时,尽量把大电流绕组绕在内,越靠近初级

在针对多组输出,带功放类电源,应把次大电流做回授,绕在内,把最大电流(功放组)绕在最外,这样可以减小该组轻载电压漂移。当根据实际情况决定

变压器CORE的一般参数说明

五.MOS SW

1.Vds电压:

FLYBACK: Vds=Vacmax*1.414+(Np/Ns)*(Vo+Vd)+100

FORWARD: 2.1*Vdcmax

2. op电流: 选取MOS额定电流时,至少是2*Iop。

MOS的内阻Ron,Ron越小,损耗就越小,发热量就越低。额定电流值越大,Ron就越小,成本越贵。

取值主要考虑

1. MOS的D-S极耐压

2. Ron的大小

3.结电容的大小

4.MOS的工作电流.(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

5.MOS的驱动

根据实际情况选定后,如不合要求,更换更好的管子,或改善散热装置和其他条件,直到产品规格合要求。

如图R124是MOS-G极的感应电的放电电阻。

六.次级整流

电压应力:

FLYBACK: Vd=Vacmax*1.414*(Ns/Np)+Vo+Vf

FORWARD: Vd=Vacmax*1.414*(Ns/Np)+Vf

满足D的反峰电压. 正向压降Vf越小,损耗越小. 一般肖特基在0.4-1V间,高速二极管在0.6-1.5V间。

电流:

一般取至少大于两倍额定输出电流值。能承受瞬间大电流值.

恢复时间等等

选取时满足以上初步要求外,还根据散热装置和环境,产品规格要求等其他条件有密切关系。根据实际测试的可以调整管子.

在大电流,低电压输出是,应采用MOSFET的同步整流来做.

七. 输出滤波

电感(铁粉芯,坡莫合金MPP)

一般电源纹波电压要求为输出的1%内,也有要求更大或更严格。

1.确定所需电感量

2.据电感量,电流值,计算出所需的能量储存

公式:

W(Uj)=(1/2)*L*I2= XX uJ

W(Uj) L(Uh) I(A)

例:W=(1/2)*45uH*7.5A*7.5A=1266uJ

3.再据储存能量,在磁芯储能曲线查出要求的磁芯型号,查出对应安培数,算出圈数,在查绕线表,确定绕法。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

N=A/I=XX T 

A—安培-圈以产生的1266的能量。

例:N=217A/7.5A=29 T 

可用AWG17绕单成。

电容选取

Cout=ΔIout/(8*F*ΔVout)

ΔIout—输出的纹波电流=额定输出电流Iout*25% (一般取10~30%)

ΔVout—允许输出纹波电压的峰-峰值。

F—开关频率

滤波电容器的ESR值:ESRmax=ΔVout /ΔIout

为计算理论最小值,实际应用应取大点.

经验:工作在50KHZ-100KHZ左右,取300Uf/A比较合适,在据实际做调试。

八.吸收回路

1.初级组吸收回路

(1).( D+TVS)吸收回路 TVS:Transient Voltage Suppressor

用TVS+D方式,功耗小,抑制效果好。但价格贵。如P6KE200A 600W 200V

(2).RC+D 式吸收回路,与NP并接

公式:

C=1/2 *(( Ip * tf) / (0.7 * Vce))

R=0.5*Toffmin / C

Pr=0.5*C*Vc2*f ---完全能量传递

Ip—愿边电流 tf—集电极电流下降时间 Vce—晶体CE额定值

Toffmin—在最小导通时间里,C对R的放电时间

经验取值:RC式:D采用要求耐压值大于VDSmax的二极管,普通,高速,超高速都可,只对损耗和EMC有点影响,一般选1A1000V的.(如UF4007 PR1007)

C---取几百PF—10000PF间,耐压值>VDS

R---取几十KR至一百多KR,.R对应的C大小,承受的功率,(取50KR-130KR/2-3W)

C越大, 吸收越强损耗也越大,

( 3 ) . RD+C式吸收回路,与SW并接

可以限制Vds

2.次级组吸收回路

R201,C201组成的RC吸收回路,消除D201端的尖峰电压。计算取值不准确且较麻烦.

经验取值:C201取100PF—2200PF间,R201取值按C的放电常数,一般取几R—几百R,

根据实际测试波形作调整较为方便.

C越大,R值确定后,R就发热高,也要求功率较大。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

出现R温度高时,变更R值增大,温度变化不明显。可以改C变小,温度降低明显,但是如尖峰不变,则效果将受到影响,整流桥的尖峰变尖,输出纹波会增大。如果C变小,实测尖峰也有可能更好,这样就可适当减小.

九. 取样回路

关于431与817间的配合取值问题:

1.

 Vk=Vo-Vd-(Id*R202)>2.5V

Vk=5V-1.2V-(10Ma*r202)>2.5V

确定R202值,算出Vk

R203为431提供死区电流,在IC201流过电流最小时, R203的电流(取1mA),可确定R203值。

R204,R206按分压431的REF值决定,可先任意固定一值,在分压计算。

C203,R205按实际调试取值。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

注意:TL431的Vka耐压值(<>< i="">1Ma , Iref<>

为了改善线性,提供431的死区电流,可在光偶二极管端并联一电阻,能提供大于1mA的死区电流做改善,可以较好的改善电压线性

参考说明:

2.

R206的取值,R206的值不是任意取的,要考虑两个因素:1)431参考输入端的电流,一般此电流为2uA左右,为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响,一般取流过电阻R206的电流为参考端电流的100倍以上,所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K. 2)待机功耗的要求,如有此要求,在满足《12.5K的情况下尽量取大值。

 431要求有1mA的工作电流,也就是R202的电流接近于零时,也要保证431有1mA,所以R203<=1.2v ma="">

 R202的取值要保证PWM控制端取得所需要的电流,假设用PC817A,其CTR=0.8-1.6,取低限0.8,要求流过光二极管的最大电流=6/0.8=7.5mA,所以R202的值<=(15-2.5-1.2) .5="1.5K,光二极管能承受的最大电流在50mA左右,431为100mA,所以我们取流过R202的最大电流为50mA,R202">(15-2.5-1.3)/50=226欧姆。要同时满足这两个条件:226<>

确定以上, 可以定R204的取值 (学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

R204,C203形成一个在原点的极点,用于提升低频增益,来压制低频(100Hz)纹波和提高输出调整率,即静态误差,R205,C203形成一个零点,来提升相位,要放在带宽频率的前面来增加相位裕度,具体位置要看其余功率部分在设计带宽处的相位是多少,R205,C203的频率越低,其提升的相位越高,当然最大只有90度,但其频率很低时低频增益也会减低,一般放在带宽的1/5处,约提升相位78度。

十. 保护电路

1.功率限制LPS(LIMIT POWER SUPPLY)

简单方式:在HV端接大电阻到Isens脚,可以限制输出功率,(一般取几百K-几MR)

但批量时误差较大,不精确,成本低。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

2.过流保护OCP(OVER CURRENT PROTECT)

3. 过功率保护OPP( OVER POWER PROTECT)

(OPP)在额定输出总功率上, 总功率继续增大到一定值(设定值)时,电源能保护荡机,不损坏电源

过功率保护点实际应用偏差较达,设定到至少大于在允许负载变化率时,不会保护荡机(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

4. 短路保护(SHORT PROTECT)

在电源的输出端,直接短接正负极时, 使电源能保护荡 机,不损坏电源

一般要求作短路保护时,监测它的短路功率和输出电压.

方法: 

1. 一般通过SENSE电阻来做检测对象,使其在短路时,Vsens达到一定的值,来做控制信号.

2. 初级辅助绕组(VCC)来做检测对象, 在VCC中串如一高感量电感,短路时电压瞬间下降,利用其WPM-IC的UVP功能来动作.

3 IC内自带此功能,大多为模块的IC.

5.过电压保护OVP/UVP(OVER VOLTAGE PROTECT)

(OVP)在输出点电压上升到一定值(设定值)时,使电源能保护荡 机,不损坏电源

一般过压保护点设定在额定输出电压的130-150%之间

方法: 

在做OVP/UVP保护电路时,比较复杂,一般用集成IC来完成.

OVP可运用稳压管,晶体来做简易的OVP限制功能.

(UVP)在输出点电压降到一定值(设定值)时,使电源能保护荡 机.

6.输出电压限制(OUTPUT VOLTAGE LIMIT)

使输出电压限制在设定值,可以采用简易OVP的方式来完成,相同.

7.过热保护OTP (OVER Temperature PROTECT)

一般可用NTC(负温度系数热敏电阻)做感应元件,用变化小的电压(如参考电压)做控制电源,通过电路来完成动作。可用SCR,两三极管来完成锁定功能.

如UC38XX系列。可以用REF作参考电压控制源,通过NTC,三极管来控制,拉低IC PIN1电压低于1V , 或使PIN3高于1V。

以上的SHORT P,OCP,在简单电路时,可以把变压器的的VCC绕组绕在接近初级组处,这样可以利用在加大负载时,VCC 组偶合强,电压随加大负载而升高,用IC本身的OVP功能来动作,须IC有此功能。(变压器:NP-NS-NP-NAUX )。

十一.功率因素校正PFC (POWER FACTOR CORRECTION)

功率因素POWER FACTOR简称PF

PF=有功功率/ 视在功率= U*I*COSΦ/ P

1.无源校正器(提高PF接近0.9左右)(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

(1) 在整流器和电容间加一滤波电感

(2) 在整流器前接入一谐振滤波器 (HIPRO SCH)

2.有源校正器APFC (ACTIVE POWER FACTOR CORRECTION)

在整流器和负载间接入一个DC-DC的BOOST开关变换器,应用电流反馈技术,使输入端电流波形跟踪交流输入正玄电压波形同时变化,使电流接近正玄波形。COSΦ接近1,提高PF接近1。总谐波畸变THD(Total Harmonic Distortion)很小。小于5%。

由于采用有源器件,故得名

3.谐波与功率因素

PF=1/√(1+THD2)

4.有源校正器的工作方式

CRM: 临界导电模式(1.传统升压模式.2.跟随升压模式)

CCM: 连续导电模式

CDM: 不连续性导电模式(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

在设计PFC时,主要参考该芯片的应用电路,变压器的计算也各不相同,也参考该芯片关于变压器的计算公式,PFC变压器所计算值并不是很准确,只供参考.须根据实际调试来达到最佳效果。

储能可用铁氧体也可用铁粉芯环作.

在功率较大时,对PCB大电流走线非常重要,尽量不要电流走象交叉或重叠。

CRM只能做小功率较好,效果好且稳定.在大功率时,损耗会成倍增加.一般应用到一两百瓦.

更大功率可采用CCM.

十二、RCC設計方法詳解(参考)RINGING CHOKE CONVERTOR

1.变压器的设计

在RCC設計中,一般先设定工作頻率,如為50K,然后设定工作DUTY在90V输入,最大输出時为0.5 

假设设计一功率為12V/1A . 

最大输出电流为定格电流的1.2~1.4倍,取1.3倍. 

2. 输出功率Pout = Vout × Iout = 12V×1.3A = 15.6W 

3. 输入功率 Pin = Pout/∩=22.3W(RCC效率∩一般设在65%~75% , 取70%)

4. 输入平均电流Iin=Pin/Vdc(INmin)=22.3/85*1.2=0.22( Vin(DCmin) = Vac(Inmin)×1.2) 

5. T=1/swF=1/50K=20uS Ton=Toff=10uS 

6. Ipk=Iin输入平均电流*2/DUTY=0.22*2/0.5=0.88 

7. 一次侧电感量Lp=Vin(DCmin)*Ton/Ipk=102*10/0.88=1159uH取1160uH 

8. 选择磁芯,根据磁芯规格, 选择EI28. Ae=0.85CM^2 动态磁通=2000~2800取2000(这是很保守的作法)(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

9. Np=Ipk*Lp*K/Ae*▲Bm=(0.88*1160*100)/(0.85*2000)=60Ts 

10. Ns=(Vout+Vf)*Np/Vin(DCmin)=7.6 取8Ts 

11. 辅助电压取5V(晶体三极管) 如功率管使用MOSFET则应设为11V

12. Vin(DCmin)/Np=Vb/Nb----Nb=2.94 取3Ts 

故变压器的构造如下: 

Lp=1160uH 

Np=60Ts 

Ns=7Ts

Nb=3Ts 采用三明治绕法.

RCC设计时,一般要加假负载,以防止频率漂高,一般按MIN 10%来加载(参考).

十三.半桥变换器设计

十四.全桥变换器设计

1.变压器公式:

Np=(Vs*Ton)/(ΔB*Ae)

Ns=(Vo+Vf) / (Vs/Np)

占空比按最大0.4*2算

2.偶合电容

取该电容端压在输入电压的10-30%间较合适.

开关电源损耗的大概百分比:

输出整流: 30-40% MOSFET-开关损耗: 15-25%

变压器: 10—20%

其他损耗占: 30—40%

主要包括:PWM, 控制部分回路, 电流SENSE电阻,吸收回路,滤波电路等等.

十五.RD基本知识

以下主要针对ITE-EN60950 & AV—EN60065产品

一.关于PCB

二.关于输入,输出线材

三.功耗及绿色要求ADP

一般测试待机功耗要求输入在高段电压 AC IN 230V 50HZ。

SPS>75W时,要求增加PFC(POWER FACTOR CORRECTION)电路

四.安规safety


1.常用规范与认证

2.主要产品安全认证单位;

3.安全规范的主要目的, 是要防止使用或操作人员遭受到以下的危险 :

电击 ; 能量释放 ; 火 ; 机械与热 ; 辐射 ; 化学

电击

发生原因:

1.接触到危险电压 ,电压超过 42.4V a.c. 峰值(peak) 或 60V d.c.称为危险电压

2.具有危险电压零件或回路与可接触到的导电体间的绝缘层失效

3.具有危险电压零件或回路与SELV(safety extra low voltage, 低电压回路, 一般只有几伏特, 使用者可能会接触到这些地方,如keyboard, mouse,USB装置等)回路间之绝缘层失效

4.具有危险电压的零件或回路与机体间有过大的漏电流产生电流流过人体, 只要有数毫安即会对人体造成健康影响, 当然更大的电流会产生更大的危险.

防止方法

1.以保护盖,固定扣锁等方式防止使用者接触到危险电压区

2.将可接触到的导电部分接地或是提升绝缘等级至加强绝缘或双层绝缘

3.危险电压区的机械或电气防治装置必须有足够强度

4.限制漏电流安全值或提供可靠的保护接地连结

能量(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

发生原因:

大电流供应或高容抗线路的相邻两端子间, 短路情况下, 可能会产生电弧放电或在燃烧中放

射出已熔化之金属物, 即使是低电压线路, 也可能会造成能量危险.

防止方法

使用隔离遮蔽或安全扣锁来防止上述情况的产生

发生原因

在过载、零件失败、绝缘崩溃、高阻抗或连接器松脱时, 产生异常温度, 有可能产生火灾危

险.<设备内着火, 不可散布到起火点相邻区域或对设备外区域造成危险="">

防止方法

1.避免可能导致燃烧的高温产生

2.控制易燃物质的位置, 远离可能的起火源

3.易燃物质的使用数量控制

4.若使用易燃物质时须有材料防火等级控制

5.使用密封或障碍体, 将火的散布限制于设备内部

6.设备的密封外壳须使用适当材质

机械与热

1.确保设备的机构体稳固, 无锐利的边及角,且有扣锁或保护功能防止具危险性的机构件松脱;

2.避免使用及操作人员可接触部分产生高温,因碰触高温零件造成伤害

3.提供适当保护或锁定, 以防止受可移动危险零件伤害.

幅射

1.辐射伤害型式, 可能为音频、无线电频率、红外线、高强度可见光、凝聚光、紫外线、高密度可见与不可见光,离子化辐射……等.若设备内会产生某种形式之辐射, 则针对使用者及维修者人体仍能接受程度的辐射值, 制定规章.< 详述于辐射法规="">

2.若设备有某种形式辐射, 则必须控制操作使用人员曝露于可接受知辐射强度下, 辐射种类如声音,无线电波,红外线,等

化学

1.有毒化学物质本身及其蒸气, 如果人体直接接触则会造成伤害, 因此设备在设计时亦应

防止在正常操作及不正常使用下, 均不可产生化学危险.

2.经由接触或是烟雾,蒸发等对人体产生伤害, 须有危险标示

4.安规的重要测试项目(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

接地连续性(阻抗)测试(Ground Continuity Test)

方法: 量测设备本身ground terminal(如电源供应线插头的接地pin) 与接地端 (如使用者可碰触的金属外壳)之间的阻抗量测值须在 0.1 OHM 以内

目的: 确认产品上的接地点如使用者可碰触的金属外壳有PE 标示的地方, 已确实接地, 当产品上的危险电压区与使用者可碰触的金属间的绝缘层失效时, 高电压可经由接地消散不致让使用者遭到电击

漏电流测试(Leakage Current Test)

方法:量测一次侧主电源供应端至PE端(如使用者可碰触的金属外壳)之间的漏电流, 须小于 0.25 mA

目的:确认产品危险电压回路与PE端间有足够绝缘隔离, 不致于与 PE 端形成回路产生过高漏电流,导致使用者碰触金属外壳时遭到电击

耐电压测试(Electronic Strength Test)

方法:Primary 对Secondary :3K V ac 或 4242 V dc 

Primary 对GND(地): 1.5k V ac或2121V dc 测试时不可有绝缘隔离崩溃产生

目的:测试高电压区与二次侧及接地端(使用者可碰触之金属外壳)间的绝缘隔离足以承受高电压而不致于失效或崩溃, 当有来自外部主电源供应主干的异常高电压产生时, 保护使用者免于受到电击的危

5.高压应用生产中

1.对高压测试,AC转为用DC测试,用ACV * 1.414即可。如:AC 3KV –>DC 4242V

2.对生产中高压测试,时间一分钟测试可转为2-3秒测试,乘以1.2即可。如AC3KV * 1.2=3.6KV

3.高压测试中需测试ARC(就是高压测试中产生的电弧,所流过电流等级的参考),ARC分九级,一般工厂要求生产中高压测试在5-8级测试,但最低不能低于ARC-5对应电流5.5mA (对7740机系列),有的高压机用电流直接表示。 此项安规并无要求

4.高压测试中(无特殊要求的)输入,输出测试端都应分别短接起来再测试。

五.EMC

六.LAYOUT BOARD要求

1.名词

一次侧回路(primary circuit)

会直接连接到外部电力供应主干或类似的供应源(如发电机)称为一次侧回路, 内含有主线圈变压器, 马达负载装置, 及连接至主干线的布线等, 如电源供应器(switching power supply)内之回路均属一次侧

二次侧回路(secondary circuit)

不直接连接到外部电力供应主干的回路, 其电源供应主要来自变压器,转换器或是电池,notebook 内或主机板上之回路均属二次侧

GND—Ground

接地, 电路板上有许多接地点或接地面, 并非全部为安全考虑, 主要是作为讯号电位参考基准与消除噪声用

PE—Protection Earth

保护接地, 主要为安全考虑, 如使用者可碰触的金属外壳均连接至PE, 当有来自于一次侧回路的异常高电压发生时, 可迅速抑制与消散电能, 保护使用者免受电击危险两者虽有差异但最终仍会连接为同一点

2.LAYOUT BOARD 安全距离

结构判断(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

若开槽距离大于1mm (1.CR, CL; 2.Abnormal Test; 3.High Pot.)

B : Basic insulation 基本绝缘.

R : Reinforce insulation 加强绝缘.

F : Functional insulation 功能绝缘.

一般的铜铂线距Min 0.5mm或(0.3mm) , 高电压与低电压间距>1mm.

LAYOUT 注意事项:

1. 安规,EMI,电磁波,辐射

2. 高压与低压之问距

3. 电流的大小(走线的粗细)

4. 散热的良否

5. 回路的长短

安规:IEC60950

1. L端与N端走线KEEP2.5MM以上(操作绝缘)

2. L, N端(一次侧)FG 端之走线KEEP2.5MM以上(基本绝缘)

3. 一次侧与二次侧之走线KEEP 5 MM以上(双重绝缘)

4. FUSE 本身两端之走线要KEEP2.5MM

5. PCB上要标示FG接地符号

安规:IEC60065

1. L端与N端走线KEEP2.5mm以上(操作绝缘)

2. L,N端(一次侧)与外壳螺丝端(二次侧)之走线KEEP 5mm以上(基本绝缘)

3. 一次侧与二次侧之走线KEEP 5mm以上(双重绝缘)

4. FUSE本身两端之走线要KEEP 2.5mm以上

5. PCB上要标示回字

LAYOUT:

1. 高压与低压之走线距离最少KEEP 1mm(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

2. 不一定高压走线就要粗,走大电流时才需要粗

3. 一次侧固定孔(螺丝孔)的半径 6mm内,不要有零件及趟线通过

4. 二次侧固定孔(螺丝孔)的半径3.5mm内,不要有零件及走线通过

5. GND的回路很重要,初级PWM控制线路的GND要单独接好后再由

IC-GND脚的GND接出,连到大电容的GND

6. 二次侧回授的GND要独立接好后再接到输出端的GND

7. 二次侧的电容地,前面接前面接好后再接后面的地

8. 二次侧的第二颗电容要靠近输出CONNECTOR端,或线材端

9. PCB上要标示线路图的版本

10. PCB上FUSE附近要标示安规注意文字(CAUTION)

11. PCB上FUSE要标示T(F)2AL(H)/250V

12. PCB上要标示 A.机种名称 B.版本 C.料号

七.温度要求

变压器Transformer Triple Wire

Transformer非三层绝缘线.

※ 温升计算方法

八.其他测试要求:

1.雷击测试

雷击分类:

直击雷,感应雷和旁击雷

测试方法和条件:

雷击浪涌是1.2US / 50US, 4US / 10US和 8US / 20US的综合波

改善方法:

1.气体放电管和TVS管配合使用

2.其他防雷器件

2. 浪涌测试 SURGE TEST

测试方法和条件:

6KV

改善方法:

增加压敏电阻MOV

3. ESD的形成

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时,正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成:当两个物体接触时,其中一个趋于从另一个吸引电子,因而二者会形成不同的充电电位,在不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移,就形成放电回路,在这个过程有很高瞬间放电电压。

ESD 测试

1.ESD TEST ------ESD:Electrostatic Discharge

静电放电(人或物体经由直接接触或间隔放电引起)在2-15KV之ESD脉 波下, 待测物之每个表面区域应执行连续20次的静电放电测试,电源供应器之输出需继续工作而不会产生突波干扰(Glitch)或中断(Interrupt),直接ESD接触时不应造成过激(Overshoot)或欠激(Undershoot)之超过稳压范围的状况、及过电压保护(OVP)、过电流保护(OCP)等。另外,于ESD放电电压在高达25KV下,应不致造成组件故障(Failure)。(学习电源知识请关注微信公众号:电源研发精英圈)

ESD 改善方法

1.增加泄放点,如V形的PCB铜箔

2.增加泄放电阻,如在P---S间接十MR级或更大的电阻

3.接地来处理,

4.还可加强产品的外部绝缘程度

5.增加一些吸收回路,如专业的ESD放电器件等

4. 可靠性测试(Reliability test)

老化寿命测试:高温(约50-60度)及长时间(约8-24小时)满载测试

5. 寿命性测试(Life test)

十六.INVERTER设计

1. Inverter-CCFL 冷阴极荧光灯(CCFL -- COLD CATHODE FLUORESCENT LAMP)

2 INVERTER IC应用

OZ960脚位功能

OZ960是一种全桥方式(Full-Bridge Inverter Topology)的IC

1.CTIMR 点灯持续时间外接电容脚

2.OVP 输出过电压保护脚,保护点:2.0V

3.ENA 逻辑信号控制脚。大于2.0V-ENABLE

4.SST 软启动外接脚

5.VDD IC电源供应脚

6.GND-SIGNAL 信号参考接地

7.REF 参考电压输出脚,典型输出2.5V

8.RT1 IC内部连接到地的振荡电阻,以提工作高频率来提升点灯电压,是与RT电阻所并联的.由CMP脚来控制RT1的通断.

9.FB CCFL电流信号反馈

10.CMP 补偿脚. 这是内部误差放大器补偿输出, 在与FB间接一电容,做反馈回路补偿,也控制MOSFET的驱动交跌来调节灯管电流.在不加灯管时,FB检测到低电压,该脚电压高于2.75V ,SHUT DOWN. 在CCFL点亮时,V-FB上升,该点电压跌到正常工作时的电压,正常工作. 它也提供LAMP OPEN时的保护触发信号,如果在正常运作时,突然移开LAMP或开路,V-FB下跌,CMP电压上升达2.75V极限,此时挡掉,并锁住。在点灯开始时控制ON/OFF RT1,提高工作频率来提高点灯电压;

11.DRIVE N-D N-MOSFET输出

12.DRIVE P-C P-MOSFET输出

13.LPWM BURST 输出控制脚(调光输出脚)

14.DIM 调光输入脚

15.LCT BURST-MODE的振荡频率接脚

16.GND-P 电源参考接地

17.RT 工作频率的振荡电阻

18.CT 工作频率的振荡电容

19.DRIVE P-A P-MOSFET输出

20.DRIVE N-B N-MOSFET输出

OZ960 是改变波形的相位相切来改变脉宽的零电压开关模式.

BIT3105 (全桥方式) 脚位功能

1.INN 回授脚. 反馈电压为1.25V

2.CMP 输出误差放大器补偿

3.AGND 控制回路地,及信号地

4.OLP LAMP 开路检测,低于600mV视为开路

5.RRDLY 振荡电阻,控制工作频率, 和点灯时间.

6.LOADD 点灯时改变开机频率的外接电阻.等效与振荡电阻并联有IC内部来控制.

7.CTOSC 振荡电容

8.PGND 电源接地

9.NOUT2

10.NOUT1

11.POUT1

12.POUT2

13.PVDD 电源供电

14.EA ON/OFF控制脚,达到1.4V才开始工作

15.PO 调光输出脚

16.CTPWM 外接电容 控制调光时的振荡频率

17.DIMDC 调光输入脚

18.AVDD 信号供电

19.SST 软启动脚

20.CLAMP 过电压钳制脚,如检测大于2V, 才钳制输出电压.

以上的具体取值,需通过IC DATA SHEET 来参考计算.

BIT3105是通过固定N沟道的脉宽,来调整P沟道的脉宽,与之相切的零电压开关模式.

它们是交替相切的, NOUT2--- POUT1 NOUT1--- POUT2

BIT3102

3. 针对IC外围电路的设计,各元器件的选取,参照IC应用说明。

4. 变压器的设计

公式: 按全桥方式计算

NP=Vs*Ton / (ΔB*Ae) NS=Vout/(Vin/NP)

6. 串联: 当两灯串联共用变压器输出时,应按2*Vrms电压来计算, 电流按一倍计算

这样变压器圈数增加, 电流较小,要求变压器次级线径较小.

7. 并联: 当两灯并联共用变压器输出时,应按1*Vrms电压+串入电容端压降总和计算,电流按两倍额定电流计算, 这样变压器圈数较少, 电流较大,要求变压器次级线径较粗.

8. 在测试时,一般用纯电阻负载测试,看不到开机点灯高压,只有用PANLE才行,不过能检测到频率的变化.

9. PCB LAYOUT 时要注意,变压器下不能走线; 地线要分开接; HV 与低压要保持Min 4mm沿面距离,否则需开槽;MOS电流流回路尽量短.

10. 设计时, 隔直电容上的电压(PK)最好要求是输入电压的10%---30%.

11. 一般要求,正玄波的对称失真不能大于10%.

12. 漏感与输出电容的确定:

十七.低频变压器的设计低频变压器的设计


十八.设计流程



原文档:开关电源每个元器件计算细节,各种拓扑设计细节、认证测试注意细节、研发经验细节!.pdf

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