本次讲解电源以一个 13.2W 电源为例

输入:AC90~264V
输出:3.3V/4A


原理图

 

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。


决定变压器的材质及尺寸:


依据变压器计算公式

 

 

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。

 

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。

 

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。

 

 

 

决定 Ip 值:

 

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。


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。

 


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。


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。


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.


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.
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:

 

 

决定 Duty cycle:


决定 Ip 值:

 


决定辅助电源的圈数:

 

 


决定 MOSFET 及二次侧二极管的 Stress(应力):

 

 

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。

 

变压器的接线图:

 

零件选用:

 

●FS1:
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。


●TR1(热敏电阻):
电源激活的瞬间,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)。


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


●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 750uA max)。


●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 、 CISPR 22(EN55022) Class B 两种 , FCC 测试频率在 450K~30MHz,CISPR 22 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)。


●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。


●BD1(整流二极管):
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。


●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。

 

●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)


●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)。


●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。


●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 3843 VCC 与 3843 Pin3 脚之间加一个 Zener Diode,当回授失效时 Zener Diode 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)。


●R2(激活电阻):
提供 3843 第一次激活的路径,第一次激活时透过 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。


●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)。


●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,2. 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)。

 


●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 为考量,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。


●R8:
R8 的作用在保护 Q1,避免 Q1 呈现浮接状态。


●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)。


●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。


●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 / turn off 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。


●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。


●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。


●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。


●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 组成一个负回授电路,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)。

 


●U2(Photo coupler)
光耦合器(Photo coupler)主要将二次侧的信号转换到一次侧(以电流的方式),当二次侧的 TL431 导通后,U2 即会将二次侧的电流依比例转换到一次侧,此时 3843 由 Pin6 (output)输出 off 的信号(Low)来关闭 Q1,使用 Photo coupler 的原因,是为了符合安规需求(primacy to secondary 的距离至少需 5.6mm)


●R13(二次侧回路增益控制):
控制流过 Photo coupler 的电流,R13 阻值较小时,流过 Photo coupler 的电流较大,U2 转换电流较大,回路增益较快(需要确认是否会造成振荡),R13 阻值较大时,流过 Photo coupler 的电流较小,U2 转换电流较小,回路增益较慢,虽然较不易造成振荡,但需注意输出电压是否正常。


●U3(TL431)、R15、R16、R18
调整输出电压的大小,

 


,输出电压不可超过 38V(因为 TL431 VKA 最大为 36V,若再加 Photo coupler 的 VF 值,则 Vo 应在 38V 以下较安全),TL431 的 Vref 为 2.5V,R15 及 R16 并联的目的使输出电压能微调,且 R15 与 R16 并联后的值不可太大(尽量在 2KΩ以下),以免造成输出不准。

 


●R14,C9(二次侧回路增益控制):
控制二次侧的回路增益,一般而言将电容放大会使增益变慢;电容放小会使增益变快,电阻的特性则刚好与电容相反,电阻放大增益变快;电阻放小增益变慢,至于何谓增益调整的最佳值,则可以 Dynamic load 来量测,即可取得一个最佳值。


●D4(整流二极管):
因为输出电压为 3.3V,而输出电压调整器(Output Voltage Regulator)使用 TL431(Vref=2.5V)而非 TL432(Vref=1.25V),所以必须多增加一组绕组提供 Photo coupler 及 TL431 所需的电源,因为 U2 及 U3 所需的电流不大(约 10mA 左右),二极管耐压值 100V 即可,所以只需使用 1N4148(0.15A/100V)。


●C8(滤波电容):
因为 U2 及 U3 所需的电流不大,所以只要使用 1u/50V 即可。


●D5(整流二极管):
输出整流二极管,D5 的使用需考虑:
a. 电流值
b. 二极管的耐压值
以此为例,输出电流 4A,使用 10A 的二极管(Schottky)应该可以,但经点温升验证后发现 D5 温度偏高,所以必须换为 15A 的二极管,因为 10A 的 VF 较 15A 的 VF 值大。耐压部分 40V 经验证后符合,因此最后使用 15A/40V Schottky。


●C10,R17(二次侧 snubber) :
D5 在截止的瞬间会有 spike 产生,若 spike 超过二极管(D5)的耐压值,二极管会有被击穿的危险,调整 snubber 可适当的减少 spike 的电压值,除保护二极管外亦可改善 EMI,R17 一般使用 1/2W 的电阻,C10 一般使用耐压 500V 的陶质电容,snubber 调整的过程(264V/63Hz)需注意 R17,C10 是否会过热,应避免此种情况发生。


●C11,C13(滤波电容):
二次侧第一级滤波电容,应使用内阻较小的电容(LXZ,YXA…),电容选择是否洽当可依以下三点来判定:
a. 输出 Ripple 电压是符合规格
b. 电容温度是否超过额定值
c. 电容值两端电压是否超过额定值


●R19(假负载):
适当的使用假负载可使线路更稳定,但假负载的阻值不可太小,否则会影响效率,使用时亦须注意是否超过电阻的额定值(一般设计只使用额定瓦数的一半)。


●L3,C12(LC 滤波电路):
LC 滤波电路为第二级滤波,在不影响线路稳定的情况下,一般会将 L3 放大(电感量较大),如此 C12 可使用较小的电容值。