基于DA-14B33的开关电源电路设计流程

　　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。

　　

 

　　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:

　　

 

　　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

        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:

　　

 

　　2 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

　　

 

　　假设使用4P，则

　　

 

　　

 

　　决定Duty 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

　　

 

　　假设使用0.23ψ的线

　　

 

　　若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V

　　决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress(应力):

　　

Ns

 

　　

 

　　

 

　　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

　　

 

　　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。

　　3.3.18 R7(Rs 电阻):

　　3843 Pin3 脚电压最高为1V，R7 的大小须与R4 配合，以达到高低压平衡的目的，一般使用2W M.O.电阻，设计时先决定R7 后再加上R4 补偿，一般将3843 Pin3 脚电压设计在0.85V~0.95V 之间(视瓦数而定，若瓦数较小则不能太接近1V，以免因零件误差而顶到1V)。

　　3.3.19 R5，C3(RC filter):

　　滤除3843 Pin3 脚的噪声，R5 一般使用1KΩ 1/8W，C3 一般使用102P/50V 的陶质电容，C3 若使用电容值较小者，重载可能不开机(因为3843 Pin3 瞬间顶到1V);若使用电容值较大者，也许会有轻载不开机及短路Pin 过大的问题。

　　3.3.20 R9(Q1 Gate 电阻 ):

　　R9电阻的大小，会影响到EMI及温升特性，一般而言阻值大，Q1 turn on / turn off 的速度较慢，EMI特性较好，但Q1 的温升较高、效率较低(主要是因为turn off速度较慢);若阻值较小， Q1 turn on / turnoff 的速度较快，Q1 温升较低、效率较高，但EMI 较差，一般使用51Ω-150Ω 1/8W。

　　3.3.21 R6，C4(控制振荡频率):

　　决定3843 的工作频率，可由Data Sheet 得到R、C 组成的工作频率，C4 一般为10nf的电容(误差为5%)，R6 使用精密电阻，以DA-14B33为例，C4 使用103P/50V PE电容，R6 为3.74KΩ 1/8W 精密电阻，振荡频率约为45 KHz。

　　3.3.22 C5:

　　功能类似RC filter，主要功用在于使高压轻载较不易振荡，一般使用101P/50V 陶质电容。

　　3.3.23 U1(PWM IC):

　　3843 是PWM IC 的一种，由Photo Coupler (U2)回授信号控制Duty Cycle 的大小，Pin3 脚具有限流的作用(最高电压1V)，目前所用的3843 中，有KA3843(SAMSUNG)及UC3843BN(S.T.)两种，两者脚位相同，但产生的振荡频率略有差异，UC3843BN 较KA3843 快了约2KHz，fT的增加会衍生出一些问题(例如:EMI 问题、短路问题)，因KA3843 较难买，所以新机种设计时，尽量使用UC3843BN。

　　3.3.24 R1、R11、R12、C2(一次侧回路增益控制):

　　3843 内部有一个Error AMP(误差放大器)，R1、R11、R12、C2 及Error AMP 组成一个负反馈电路，用来调整回路增益的稳定度，回路增益，调整不恰当可能会造成振荡或输出电压不正确，一般C2 使用立式积层电容(温度持性较好)。