電源設計全過程:電源設計選型實例

電源設計選型實例--手把手教你到每一個元器件

電源設計全過程

本次講解電源以一個13.2W電源為例

輸入：AC90~264V

輸出：3.3V/4A

原理圖

變壓器是整個電源供應器的重要核心，所以變壓器的計算及驗證是很重要的。

決定變壓器的材質及尺寸:

依據變壓器計算公式

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決定一次側濾波電容:

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，可以做較大瓦數的Power，但相對價格亦較高。

決定變壓器線徑及線數:

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

決定Duty cycle (工作周期):

由以下公式可決定Duty cycle ，Duty cycle的設計一般以50%為基準，Duty cycle若超過50%易導致振蕩的發生。

決定Ip值:

決定輔助電源的圈數:

依據變壓器的圈比關系，可決定輔助電源的圈數及電壓。

決定MOSFET及二次側二極管的Stress(應力):

依據變壓器的圈比關系，可以初步計算出變壓器的應力(Stress)是否符合選用零件的規格，計算時以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準。

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。

將所得資料代入

公式中，如此可得出B(max)，若B(max)值太高或太低則參數必須重新調整。

變壓器計算:

輸出瓦數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.

計算式:

變壓器材質及尺寸:

由以上假設可知材質為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.

假設濾波電容使用47uF/400V，Vin(min)暫定90V。

●決定變壓器的線徑及線數:

●決定Duty cycle:

●決定Ip值:

●決定輔助電源的圈數:

●決定MOSFET及二次側二極管的Stress(應力):

●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。

●變壓器的接線圖:

零件選用:

●FS1:

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，設計時亦須考慮Pin(max)時的Iin是否會超過保險絲的額定值。

●TR1(熱敏電阻):

電源激活的瞬間，由于C1(一次側濾波電容)短路，導致Iin電流很大，雖然時間很短暫，但亦可能對Power產生傷害，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(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(一般使用在大瓦數的Power上)。

●VDR1(突波吸收器):

當雷極發生時，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Power(一般常用07D471K)，但若有價格上的考量，可先忽略不裝。

●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 )必須符合安規須求(3Pin公司標準為750uA max)。

●CX1(X-Cap)、RX1:

X-Cap為防制EMI零件，EMI可分為Conduction及Radiation兩部分，Conduction規范一般可分為: 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可在廠內以頻譜分析儀驗證，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)，安規規定必須要有泄放電阻(RX1，一般為1.2MΩ 1/4W)。

●LF1(Common Choke):

EMI防制零件，主要影響Conduction 的中、低頻段，設計時必須同時考慮EMI特性及溫升，以同樣尺寸的Common Choke而言，線圈數愈多(相對的線徑愈細)，EMI防制效果愈好，但溫升可能較高。

●BD1(整流二極管):

AC電源以全波整流的方式轉換為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。

●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。

●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)

●R10(輔助電源電阻):

主要用于調整PWM IC的VCC電壓，以目前使用的3843而言，設計時VCC必須大于8.4V(Min. Load時)，但為考慮輸出短路的情況，VCC電壓不可設計的太高，以免當輸出短路時不保護(或輸入瓦數過大)。

●C7(濾波電容):

輔助電源的濾波電容，提供PWM IC較穩定的直流電壓，一般使用100uf/25V電容。

●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3843 VCC與3843 Pin3腳之間加一個Zener Diode，當回授失效時Zener Diode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有料(一般使用1/2W即可).

●R2(激活電阻):

提供3843第一次激活的路徑，第一次激活時透過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瓦數較小，R2阻值較小時，turn on的時間較短，短路時Pin瓦數較大，一般使用220KΩ/2W M.O。.

●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)。

●R3，C6，D1 (Snubber):

此三個零件組成Snubber，調整Snubber的目的:1.當Q1 off瞬間會有Spike產生，調整Snubber可以確保Spike不會超過Q1的耐壓值，2.調整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的陶質電容)。

●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，應該先以3A/600V為考量，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。

●R8:

R8的作用在保護Q1，避免Q1呈現浮接狀態。

●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，設計時先決定R7后再加上R4補償，一般將3843 Pin3腳電壓設計在0.85V~0.95V之間(視瓦數而定，若瓦數較小則不能太接近1V，以免因零件誤差而頂到1V)。

●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瞬間頂到1V);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。

●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 / turn off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。

●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。

●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陶質電容。

●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，所以新機種設計時，盡量使用UC3843BN。

●R1、R11、R12、C2(一次側回路增益控制):

3843內部有一個Error AMP(誤差放大器)，R1、R11、R12、C2及Error AMP組成一個負回授電路，用來調整回路增益的穩定度，回路增益，調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)。

●U2(Photo coupler)

光耦合器(Photo coupler)主要將二次側的信號轉換到一次側(以電流的方式)，當二次側的TL431導通后，U2即會將二次側的電流依比例轉換到一次側，此時3843由Pin6 (output)輸出off的信號(Low)來關閉Q1，使用Photo coupler的原因，是為了符合安規需求(primacy to secondary的距離至少需5.6mm)。

●R13(二次側回路增益控制):

控制流過Photo coupler的電流，R13阻值較小時，流過Photo coupler的電流較大，U2轉換電流較大，回路增益較快(需要確認是否會造成振蕩)，R13阻值較大時，流過Photo coupler的電流較小，U2轉換電流較小，回路增益較慢，雖然較不易造成振蕩，但需注意輸出電壓是否正常。

●U3(TL431)、R15、R16、R18

調整輸出電壓的大小，

，輸出電壓不可超過38V(因為TL431 VKA最大為36V，若再加Photo coupler的VF值，則Vo應在38V以下較安全)，TL431的Vref為2.5V，R15及R16并聯的目的使輸出電壓能微調，且R15與R16并聯后的值不可太大(盡量在2KΩ以下)，以免造成輸出不準。

●R14，C9(二次側回路增益控制):

控制二次側的回路增益，一般而言將電容放大會使增益變慢；電容放小會使增益變快，電阻的特性則剛好與電容相反，電阻放大增益變快；電阻放小增益變慢，至于何謂增益調整的最佳值，則可以Dynamic load來量測，即可取得一個最佳值。

●D4(整流二極管):

因為輸出電壓為3.3V，而輸出電壓調整器(Output Voltage Regulator)使用TL431(Vref=2.5V)而非TL432(Vref=1.25V)，所以必須多增加一組繞組提供Photo coupler及TL431所需的電源，因為U2及U3所需的電流不大(約10mA左右)，二極管耐壓值100V即可，所以只需使用1N4148(0.15A/100V)。

●C8(濾波電容):

因為U2及U3所需的電流不大，所以只要使用1u/50V即可。

●D5(整流二極管):

輸出整流二極管，D5的使用需考慮:

a. 電流值

b. 二極管的耐壓值

以此為例，輸出電流4A，使用10A的二極管(Schottky)應該可以，但經點溫升驗證后發現D5溫度偏高，所以必須換為15A的二極管，因為10A的VF較15A的VF 值大。耐壓部分40V經驗證后符合，因此最后使用15A/40V Schottky。

●C10，R17(二次側snubber) :

D5在截止的瞬間會有spike產生，若spike超過二極管(D5)的耐壓值，二極管會有被擊穿的危險，調整snubber可適當的減少spike的電壓值，除保護二極管外亦可改善EMI，R17一般使用1/2W的電阻，C10一般使用耐壓500V的陶質電容，snubber調整的過程(264V/63Hz)需注意R17,C10是否會過熱，應避免此種情況發生。

●C11，C13(濾波電容):

二次側第一級濾波電容，應使用內阻較小的電容(LXZ，YXA…)，電容選擇是否洽當可依以下三點來判定:

a. 輸出Ripple電壓是符合規格

b. 電容溫度是否超過額定值

c. 電容值兩端電壓是否超過額定值

●R19(假負載):

適當的使用假負載可使線路更穩定，但假負載的阻值不可太小，否則會影響效率，使用時亦須注意是否超過電阻的額定值(一般設計只使用額定瓦數的一半)。

●L3，C12(LC濾波電路):

LC濾波電路為第二級濾波，在不影響線路穩定的情況下，一般會將L3 放大(電感量較大)，如此C12可使用較小的電容值。

開關電源設計驗證

設計驗證:(可分為三部分)

a. 設計階段驗證

b. 樣品制作驗證

c. QE驗證

設計階段驗證

設計實驗階段應該養成記錄的習慣，記錄可以驗證實驗結果是否與電氣規格相符，以下即就此電源設計階段驗證做說明(驗證項目視規格而定)。

●電氣規格驗證:

3843 PIN3腳電壓(full load 4A) :

●Duty Cycle , fT:

●Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)

●Stress (264V / 63Hz full load) :

Q1 MOSFET:

D5:

D4:

●輔助電源(開機，滿載)、短路Pin max.:

●Static (full load)

●Full Range負載(0.3A-4A)(驗證是否有振蕩現象)

●回授失效(輸出輕載)

●O.C.P.(過電流保護)

●Pin(max.)

●Dynamic test

●HI-POT test:

此電源屬于輸入3 PIN HI-POT test 為1500Vac/1 minute。

●Grounding test:

輸入為3 Pin(有FG者)，一般均要測接地阻(Grounding test)，安規規定FG到輸出線材(輸出端)的接地電阻不能超過100mΩ(25A/3 Second)。

●溫升記錄

設計實驗定案后(暫定)，需針對整體溫升及EMI做評估，若溫升或EMI無法符合規格，則需重新實驗。溫升記錄請參考附件，D5原來使用BYV118(10A/40V Schottky)，因溫升較高改為PBYR1540CTX(15A/40V)。

●EMI測試:

●機構尺寸:

設計階段即應對機構尺寸驗證，驗證的項目包括 : PCB尺寸、零件限高、零件禁置區、螺絲孔位置及孔徑、外殼孔寸….，若設計階段無法驗證，則必須在樣品階段驗證。

樣品驗證階段:

樣品制作完成后，除溫升記錄、EMI測試外(是否需重新驗證，視情況而定)，每一臺樣品都應經過驗證(包括電氣及機構尺寸)，此階段的電氣驗證可以以ATE(Chroma)測試來完成，ATE測試必須與電氣規格相符。

QE驗證:

QE針對工程部所提供的樣品做驗證，工程部應提供以下交件及樣品供QE驗證。