高手分享電源原理圖及每個(gè)元件的功能詳解
發(fā)布時(shí)間:2018-12-07 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】以下是高手分享電源原理圖及每個(gè)元件的功能詳解。首先,變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心,所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的。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(shù)的Power,但相對(duì)價(jià)格亦較高。
本次講解電源以一個(gè)13.2W電源為例
輸入:AC90~264V
輸出:3.3V/4A
原理圖
變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心,所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的。
決定變壓器的材質(zhì)及尺寸:
依據(jù)變壓器計(jì)算公式
決定一次側(cè)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(shù)的Power,但相對(duì)價(jià)格亦較高。
決定變壓器線徑及線數(shù):
當(dāng)變壓器決定后,變壓器的Bobbin即可決定,依據(jù)Bobbin的槽寬,可決定變壓器的線徑及線數(shù),亦可計(jì)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(duì)變壓器的設(shè)計(jì)而言,只能當(dāng)做參考值,最終應(yīng)以溫升記錄為準(zhǔn)。
決定Duty cycle (工作周期):
由以下公式可決定Duty cycle ,Duty cycle的設(shè)計(jì)一般以50%為基準(zhǔn),Duty cycle若超過50%易導(dǎo)致振蕩的發(fā)生。
決定Ip值:
決定輔助電源的圈數(shù):
依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系,可決定輔助電源的圈數(shù)及電壓。
決定MOSFET及二次側(cè)二極管的Stress(應(yīng)力):
依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系,可以初步計(jì)算出變壓器的應(yīng)力(Stress)是否符合選用零件的規(guī)格,計(jì)算時(shí)以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準(zhǔn)。
其它:
若輸出電壓為5V以下,且必須使用TL431而非TL432時(shí),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(shù)必須重新調(diào)整。
變壓器計(jì)算:
輸出瓦數(shù)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(jì)算式:
變壓器材質(zhì)及尺寸:
由以上假設(shè)可知材質(zhì)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(shè)濾波電容使用47uF/400V,Vin(min)暫定90V。
決定變壓器的線徑及線數(shù):
決定Duty cycle:
決定Ip值:
決定輔助電源的圈數(shù):
決定MOSFET及二次側(cè)二極管的Stress(應(yīng)力):
其它:
因?yàn)檩敵鰹?.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(wú)法推動(dòng)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(jì)算得到Iin值,以此Iin值(0.42A)可知使用公司共享料2A/250V,設(shè)計(jì)時(shí)亦須考慮Pin(max)時(shí)的Iin是否會(huì)超過保險(xiǎn)絲的額定值。
●TR1(熱敏電阻):
電源激活的瞬間,由于C1(一次側(cè)濾波電容)短路,導(dǎo)致Iin電流很大,雖然時(shí)間很短暫,但亦可能對(duì)Power產(chǎn)生傷害,所以必須在濾波電容之前加裝一個(gè)熱敏電阻,以限制開機(jī)瞬間Iin在Spec之內(nèi)(115V/30A,230V/60A),但因熱敏電阻亦會(huì)消耗功率,所以不可放太大的阻值(否則會(huì)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(shù)的Power上)。
●VDR1(突波吸收器):
當(dāng)雷極發(fā)生時(shí),可能會(huì)損壞零件,進(jìn)而影響Power的正常動(dòng)作,所以必須在靠AC輸入端 (Fuse之后),加上突波吸收器來(lái)保護(hù)Power(一般常用07D471K),但若有價(jià)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(jià)格外(Y1較昂貴),絕緣等級(jí)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(huì)有“回”符號(hào)或注明Y1),此電路因?yàn)橛蠪G所以使用Y2-Cap,Y-Cap會(huì)影響EMI特性,一般而言越大越好,但須考慮漏電及價(jià)格問題,漏電(Leakage Current )必須符合安規(guī)須求(3Pin公司標(biāo)準(zhǔn)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(guī)范一般可分為: FCC Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 兩種 , FCC測(cè)試頻率在450K~30MHz,CISPR 22測(cè)試頻率在150K~30MHz, Conduction可在廠內(nèi)以頻譜分析儀驗(yàn)證,Radiation 則必須到實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證,X-Cap 一般對(duì)低頻段(150K ~ 數(shù)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(jià)格愈高),若X-Cap在0.22uf以上(包含0.22uf),安規(guī)規(guī)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(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮EMI特性及溫升,以同樣尺寸的Common Choke而言,線圈數(shù)愈多(相對(duì)的線徑愈細(xì)),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(zhuǎn)換為DC,由變壓器所計(jì)算出的Iin值,可知只要使用1A/600V的整流二極管,因?yàn)槭侨ㄕ魉阅蛪褐灰?00V即可。
●C1(濾波電容):
由C1的大小(電容值)可決定變壓器計(jì)算中的Vin(min)值,電容量愈大,Vin(min)愈高但價(jià)格亦愈高,此部分可在電路中實(shí)際驗(yàn)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(wú)所謂)
2. VF不同(FR105=1.2V,BYT42M=1.4V)
●R10(輔助電源電阻):
主要用于調(diào)整PWM IC的VCC電壓,以目前使用的3843而言,設(shè)計(jì)時(shí)VCC必須大于8.4V(Min. Load時(shí)),但為考慮輸出短路的情況,VCC電壓不可設(shè)計(jì)的太高,以免當(dāng)輸出短路時(shí)不保護(hù)(或輸入瓦數(shù)過大)。
●C7(濾波電容):
輔助電源的濾波電容,提供PWM IC較穩(wěn)定的直流電壓,一般使用100uf/25V電容。
●Z1(Zener 二極管):
當(dāng)回授失效時(shí)的保護(hù)電路,回授失效時(shí)輸出電壓沖高,輔助電源電壓相對(duì)提高,此時(shí)若沒有保護(hù)電路,可能會(huì)造成零件損壞,若在3843 VCC與3843 Pin3腳之間加一個(gè)Zener Diode,當(dāng)回授失效時(shí)Zener Diode會(huì)崩潰,使得Pin3腳提前到達(dá)1V,以此可限制輸出電壓,達(dá)到保護(hù)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(xiàn)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(shí)透過R2對(duì)C7充電,以提供3843 VCC所需的電壓,R2阻值較大時(shí),turn on的時(shí)間較長(zhǎng),但短路時(shí)Pin瓦數(shù)較小,R2阻值較小時(shí),turn on的時(shí)間較短,短路時(shí)Pin瓦數(shù)較大,一般使用220KΩ/2W M.O。.
●R4 (Line Compensation):
高、低壓補(bǔ)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(gè)零件組成Snubber,調(diào)整Snubber的目的:1.當(dāng)Q1 off瞬間會(huì)有Spike產(chǎn)生,調(diào)整Snubber可以確保Spike不會(huì)超過Q1的耐壓值,2.調(diào)整Snubber可改善EMI.一般而言,D1使用1N4007(1A/1000V)EMI特性會(huì)較好.R3使用2W M.O.電阻,C6的耐壓值以兩端實(shí)際壓差為準(zhǔn)(一般使用耐壓500V的陶質(zhì)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(huì)較低,若IDS電流未超過3A,應(yīng)該先以3A/600V為考量,并以溫升記錄來(lái)驗(yàn)證,因?yàn)?A/600V的價(jià)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(hù)Q1,避免Q1呈現(xiàn)浮接狀態(tài)。
●R7(Rs電阻):
3843 Pin3腳電壓最高為1V,R7的大小須與R4配合,以達(dá)到高低壓平衡的目的,一般使用2W M.O.電阻,設(shè)計(jì)時(shí)先決定R7后再加上R4補(bǔ)償,一般將3843 Pin3腳電壓設(shè)計(jì)在0.85V~0.95V之間(視瓦數(shù)而定,若瓦數(shù)較小則不能太接近1V,以免因零件誤差而頂?shù)?V)。
●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(zhì)電容,C3若使用電容值較小者,重載可能不開機(jī)(因?yàn)?843 Pin3瞬間頂?shù)?V);若使用電容值較大者,也許會(huì)有輕載不開機(jī)及短路Pin過大的問題。
●R9(Q1 Gate電阻 ):
R9電阻的大小,會(huì)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?yàn)閠urn 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(zhì)電容。
●U1(PWM IC):
3843是PWM IC的一種,由Photo Coupler (U2)回授信號(hào)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(chǎn)生的振蕩頻率略有差異,UC3843BN較KA3843快了約2KHz,fT的增加會(huì)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(jī)種設(shè)計(jì)時(shí),盡量使用UC3843BN。
●R1、R11、R12、C2(一次側(cè)回路增益控制):
3843內(nèi)部有一個(gè)Error AMP(誤差放大器),R1、R11、R12、C2及Error AMP組成一個(gè)負(fù)回授電路,用來(lái)調(diào)整回路增益的穩(wěn)定度,回路增益,調(diào)整不恰當(dāng)可能會(huì)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(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到一次側(cè)(以電流的方式),當(dāng)二次側(cè)的TL431導(dǎo)通后,U2即會(huì)將二次側(cè)的電流依比例轉(zhuǎn)換到一次側(cè),此時(shí)3843由Pin6 (output)輸出off的信號(hào)(Low)來(lái)關(guān)閉Q1,使用Photo coupler的原因,是為了符合安規(guī)需求(primacy to secondary的距離至少需5.6mm)。
●R13(二次側(cè)回路增益控制):
控制流過Photo coupler的電流,R13阻值較小時(shí),流過Photo coupler的電流較大,U2轉(zhuǎn)換電流較大,回路增益較快(需要確認(rèn)是否會(huì)造成振蕩),R13阻值較大時(shí),流過Photo coupler的電流較小,U2轉(zhuǎn)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(diào)整輸出電壓的大小,
,輸出電壓不可超過38V(因?yàn)門L431 VKA最大為36V,若再加Photo coupler的VF值,則Vo應(yīng)在38V以下較安全),TL431的Vref為2.5V,R15及R16并聯(lián)的目的使輸出電壓能微調(diào),且R15與R16并聯(lián)后的值不可太大(盡量在2KΩ以下),以免造成輸出不準(zhǔn)。
●R14,C9(二次側(cè)回路增益控制):
控制二次側(cè)的回路增益,一般而言將電容放大會(huì)使增益變慢;電容放小會(huì)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(diào)整的最佳值,則可以Dynamic load來(lái)量測(cè),即可取得一個(gè)最佳值。
●D4(整流二極管):
因?yàn)檩敵鲭妷簽?.3V,而輸出電壓調(diào)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?yàn)閁2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?yàn)閁2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(yīng)該可以,但經(jīng)點(diǎn)溫升驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)D5溫度偏高,所以必須換為15A的二極管,因?yàn)?0A的VF較15A的VF 值大。耐壓部分40V經(jīng)驗(yàn)證后符合,因此最后使用15A/40V Schottky。
●C10,R17(二次側(cè)snubber) :
D5在截止的瞬間會(huì)有spike產(chǎn)生,若spike超過二極管(D5)的耐壓值,二極管會(huì)有被擊穿的危險(xiǎn),調(diào)整snubber可適當(dāng)?shù)臏p少spike的電壓值,除保護(hù)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(zhì)電容,snubber調(diào)整的過程(264V/63Hz)需注意R17,C10是否會(huì)過熱,應(yīng)避免此種情況發(fā)生。
●C11,C13(濾波電容):
二次側(cè)第一級(jí)濾波電容,應(yīng)使用內(nèi)阻較小的電容(LXZ,YXA…),電容選擇是否洽當(dāng)可依以下三點(diǎn)來(lái)判定:
a. 輸出Ripple電壓是符合規(guī)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(fù)載):
適當(dāng)?shù)氖褂眉儇?fù)載可使線路更穩(wěn)定,但假負(fù)載的阻值不可太小,否則會(huì)影響效率,使用時(shí)亦須注意是否超過電阻的額定值(一般設(shè)計(jì)只使用額定瓦數(shù)的一半)。
●L3,C12(LC濾波電路):
LC濾波電路為第二級(jí)濾波,在不影響線路穩(wěn)定的情況下,一般會(huì)將L3 放大(電感量較大),如此C12可使用較小的電容值。
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