1、 开关电源开发流程1 目的希望以簡短的篇幅，將公司目前設計的流程做介紹，若有介紹不當之處，請不吝指教.2 設計步驟:2.1 繪線路圖、PCB Layout.2.2 變壓器計算.2.3 零件選用.2.4 設計驗證.3 設計流程介紹(以 DA-14B33 為例):3.1 線路圖、PCB Layout 請參考資識庫中說明.3.2 變壓器計算: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証是很重要的，以下即就 DA-14B33 變壓器做介紹.3.2.1 決定變壓器的材質及尺寸: 依據變壓器計算公式 B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次側電感值(uH) Ip =
2、一次側峰值電流(A) Np = 一次側( 主線圈)圈數 Ae = 鐵心截面積(cm2) B(max) 依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以 TDK Ferrite Core PC40 為例，100時的 B(max)為 3900 Gauss，設計時應考慮零件誤差，所以一般取 30003500 Gauss 之間，若所設計的 power 為 Adapter(有外殼) 則應取3000 Gauss 左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae 越高，所以可以做較大瓦數的 Power。3.2.2 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(w
3、in)越高，可以做較大瓦數的 Power，但相對價格亦較高。3.2.3 決定變壓器線徑及線數:當變壓器決定後，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，最終應以溫昇記錄為準。3.2.4 決定 Duty cycle (工作週期 ):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%易導致振盪的發生。 NS = 二次側圈數 NP = 一次側圈數 Vo = 輸出電壓 VD
4、= 二極體順向電壓 Vin(min) = 濾波電容上的谷點電壓 D = 工作週期(Duty cycle)3.2.5 決定 Ip 值: Ip = 一次側峰值電流 Iav = 一次側平均電流 Pout = 輸出瓦數 效率 PWM 震盪頻率3.2.6 決定輔助電源的圈數:依據變壓器的圈比關係，可決定輔助電源的圈數及電壓。3.2.7 決定 MOSFET 及二次側二極體的 Stress(應力):依據變壓器的圈比關係，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。3.2.8 其它:若輸出電壓為 5V 以下，且必須使用 TL431
5、 而非 TL432 時，須考慮多一組繞組提供 Photo coupler 及 TL431 使用。3.2.9 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。3.2.10 DA-14B33 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)，剩餘可繞面積=4.4mm. 假設 fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V， =0.7，P.F.=0.5(cos)，Lp=1600 Uh 計算式: 變壓器材質及尺寸 : 由以上假設可知材質為
6、PC-40，尺寸=EI-28，Ae=0.86cm2，可繞面積(槽寬)=10mm，因 Margin Tape 使用 2.8mm，所以剩餘可繞面積為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 : 假設 NP 使用 0.32 的線電流密度= 可繞圈數= 假設 Secondary 使用 0.35 的線電流密度= 假設使用 4P，則電流密度= 可繞圈數= 決定 Duty cycle: 假設 Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用 schottky Diode) 決定 Ip 值: 決定輔助電源的圈數 :假設輔助電源=12VNA1=6.3
7、 圈假設使用 0.23 的線可繞圈數= 若 NA1=6Tx2P，則輔助電源=11.4V 決定 MOSFET 及二次側二極體的 Stress(應力):MOSFET(Q1) =最高輸入電壓 (380V)+ = =463.6VDiode(D5)=輸出電壓 (Vo)+ x 最高輸入電壓(380V)= =20.57VDiode(D4)= = =41.4V 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迴授路徑所需的電壓。假
8、設 NA2 = 4T 使用 0.35 線，則可繞圈數= ，所以可將 NA2 定為 4Tx2P 變壓器的接線圖 :3.3 零件選用:零件位置(標註)請參考線路圖: (DA-14B33 Schematic)3.3.1 FS1:由變壓器計算得到 Iin 值，以此 Iin 值(0.42A)可知使用公司共用料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。3.3.2 TR1(熱敏電阻):電源啟動的瞬間，由於 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
9、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/5)，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 )。3.3.3 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 之後 )，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。3.3.4 CY1，CY2(Y-Cap):Y-Cap 一般可分為 Y1 及 Y2 電容，
10、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”符號或註明 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)。3.3.5 CX1(X-Cap)、RX1:X-Cap 為防制 EMI
11、 零件，EMI 可分為 Conduction 及 Radiation 兩部分，Conduction 規範一般可分為: FCC Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 兩種 ， FCC 測試頻率在 450K30MHz，CISPR 22 測試頻率在150K30MHz， 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
12、)，安規規定必須要有洩放電阻(RX1，一般為 1.2M 1/4W) 。3.3.6 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 特性及溫昇，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，但溫昇可能較高。3.3.7 BD1(整流二極體):將 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 的整流二極體，因為是全波整流所以耐壓只要600V 即可。3.3.8 C1(濾波電容):由 C1 的大小(電容值)可決定變壓器
13、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 範圍在 90V132V (Vc1 電壓最高約 190V)，可使用耐壓 200V 的電容;若 AC Input 範圍在 90V264V(或 180V264V)，因Vc1 電壓最高約 380V，所以必須使用耐壓 400V 的電容。3.3.9 D2(輔助電源二極體):整流二極體，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， BY
14、T42M=1.4V)3.3.10 R10(輔助電源電阻):主要用於調整 PWM IC 的 VCC 電壓，以目前使用的 3843 而言，設計時VCC 必須大於 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) 。3.3.11 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。3.3.12 Z1(Zener 二極體):當回授失效時的保護電路，回授失效時輸出電壓衝高，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 3
15、843 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 值的大小取決於輔助電源的高低，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).3.3.13 R2(啟動電阻):提供 3843 第一次啟動的路徑，第一次啟動時透過 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
16、較大，一般使用 220K/2W M.O。.3.3.14 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 750K1.5M 1/4W 之間) 。3.3.15 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.R
17、3 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)。3.3.16 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，所以溫昇會較低，若 IDS 電流未超過 3A，應該先以 3A/600V為考量，並以溫昇記錄來驗證，因為 6A/600V 的價格高於 3A/600V 許多，Q1 的使用亦需考慮 VDS 是否超過額定值。3.3.17 R8:R8 的作用在保護 Q1，避免 Q1 呈現浮接狀態。3.3.18 R7(Rs 電阻):3843 Pin3 腳電壓最高為 1V，R7
18、 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 後再加上 R4 補償，一般將 3843 Pin3 腳電壓設計在 0.85V0.95V 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)。3.3.19 R5，C3(RC filter):濾除 3843 Pin3 腳的雜訊，R5 一般使用 1K 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。3.3.20 R9(Q
19、1 Gate 電阻 ):R9 電阻的大小，會影響到 EMI 及溫昇特性，一般而言阻值大，Q1 turn on / turn off 的速度較慢，EMI 特性較好，但 Q1 的溫昇較高、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 溫昇較低、效率較高，但 EMI 較差，一般使用 51-150 1/8W。3.3.21 R6，C4(控制振盪頻率 ):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-14B3
20、3為例，C4 使用 103P/50V PE 電容，R6 為 3.74K 1/8W 精密電阻，振盪頻率約為 45 KHz。3.3.22 C5:功能類似 RC filter，主要功用在於使高壓輕載較不易振盪，一般使用101P/50V 陶質電容。3.3.23 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，但產生的振盪頻率略有差異，UC3843BN 較
21、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，儘量使用 UC3843BN。3.3.24 R1、R11、R12 、C2(一次側迴路增益控制):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，用來調整迴路增益的穩定度，迴路增益，調整不恰當可能會造成振盪或輸出電壓不正確，一般 C2 使用立式積層電容(溫度持性較好 )。3.3.25 U2(Photo coupler)光耦合器(Photo coupler)主要將二次側的信號轉換到一次側(
22、 以電流的方式)，當二次側的 TL431 導通後，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)。3.3.26 R13(二次側迴路增益控制):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，迴路增益較快 (需要確認是否會造成振盪)，R13 阻值較大時，流過 Photo coupler 的電流較小，
23、U2 轉換電流較小，迴路增益較慢，雖然較不易造成振盪，但需注意輸出電壓是否正常。3.3.27 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 並聯的目的使輸出電壓能微調，且R15 與 R16 並聯後的值不可太大( 儘量在 2K 以下)，以免造成輸出不準。3.3.28 R14，C9(二次側迴路增益控制 ):控制二次側的迴路增益，一般而言將電容放大會使增益變慢；電容放
24、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，至於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。3.3.29 D4(整流二極體):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)，二極體耐壓值 100V 即可，所以只需使用1N4148(0.15A/100V)。
25、3.3.30 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。3.3.31 D5(整流二極體):輸出整流二極體，D5 的使用需考慮 :a. 電流值b. 二極體的耐壓值以 DA-14B33 為例，輸出電流 4A，使用 10A 的二極體(Schottky)應該可以，但經點溫昇驗証後發現 D5 溫度偏高，所以必須換為 15A 的二極體，因為 10A 的 VF 較 15A 的 VF 值大。耐壓部分 40V 經驗証後符合，因此最後使用 15A/40V Schottky。3.3.32 C10，R17(二次側 snubber) :D5 在截止的瞬間會有 spike
26、產生，若 spike 超過二極體(D5)的耐壓值，二極體會有被擊穿的危險，調整 snubber 可適當的減少 spike的電壓值，除保護二極體外亦可改善 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。3.3.33 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3.3.3
27、4 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)。3.3.35 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。4 設計驗証:(可分為三部分)a. 設計階段驗証b. 樣品製作驗証c. QE 驗証4.1 設計階段驗証設計實驗階段應該養成記錄的習慣，記錄可以驗証實驗結果是否與電氣規格相符，以下即就 DA-14B33 設計階段驗証做說明(驗証項目視規格而定)。4.1.1 電氣規格驗
28、証:4.1.1.1 3843 PIN3 腳電壓(full load 4A) :90V/47Hz = 0.83V115V/60Hz = 0.83V132V/60Hz = 0.83V180V/60Hz = 0.86V230V/60Hz = 0.88V264V/63Hz = 0.91V4.1.1.2 Duty Cycle , fT:4.1.1.3 Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)4.1.1.4 Stress (264V / 63Hz full load) :Q1 MOSFET:D5 D4:4.1.1.5 輔助電源(開機，滿載 )、短路 Pin max.:4
29、.1.1.6 Static (full load)Pin(w) Iin(A) Iout(A) Vout(V) P.F. Ripple(mV) Pout(w) eff90V/47Hz 18.7 0.36 4 3.30 0.57 32 13.22 70.7115V/60Hz 18.6 031 4 3.30 0.52 28 13.22 71.1132V/60Hz 18.6 0.28 4 3.30 0.50 29 13.22 71.1180V/60Hz 18.7 0.21 4 3.30 0.49 30 13.23 70.7230V/60Hz 18.9 0.18 4 3.30 0.46 29 13.22
30、 69.9264V/60Hz 19.2 0.16 4 3.30 0.45 29 13.23 68.94.1.1.7 Full Range 負載(0.3A-4A)(驗証是否有振盪現象)4.1.1.8 回授失效(輸出輕載 )90V/47Hz Vout = 8.3V264V/63Hz Vout = 6.03V4.1.1.9 O.C.P.(過電流保護)90V/47Hz = 7.2A264V/63Hz = 8.4A4.1.1.10 Pin(max.)90V/47Hz = 24.9W264V/63Hz = 27.1W4.1.1.11 Dynamic testH=4A， t1=25ms，slew Rate
31、= 0.8A/ms (Rise)L=0.3A，t2=25ms ，slew Rate = 0.8A/ms (Full)90V/47Hz264V/63Hz4.1.1.12 HI-POT test:HI-POT test 一般可分為兩種等級: 輸入為 3 Pin(有 FG 者)，HI-POT test 為 1500Vac/1 minute。Y-CAP 使用 Y2-CAP 輸入為 2 Pin(無 FG 者)，HI-POT test 為 3000Vac/1 minute。Y-CAP 使用 Y1-CAPDA-14B33 屬於輸入 3 PIN HI-POT test 為 1500Vac/1 minute。4
32、.1.1.13 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 100m(25A/3 Second)。4.1.1.14 溫昇記錄設計實驗定案後(暫定)，需針對整體溫昇及 EMI 做評估，若溫昇或 EMI無法符合規格，則需重新實驗。溫昇記錄請參考附件，D5 原來使用BYV118(10A/40V Schottky)，因溫昇較高改為 PBYR1540CTX(15A/40V)。4.1.1.15 EMI 測試:EMI 測試分為二類: Conduction(傳導干擾) Radiat
33、ion(幅射干擾)前者視規範不同而有差異(FCC : 450K - 30MHz，CISPR 22 :150K - 30MHz)，前者可利用廠內的頻譜分析儀驗証；後者(範圍由 30M - 300MHz，則因廠內無設備必須到實驗室驗証，Conduction，Radiation測試資料請參考附件) 。4.1.1.16 機構尺寸:設計階段即應對機構尺寸驗証，驗証的項目包括 : PCB 尺寸、零件限高、零件禁置區、螺絲孔位置及孔徑、外殼孔寸.，若設計階段無法驗証，則必須在樣品階段驗証。4.1.2 樣品驗証:樣品製作完成後，除溫昇記錄、EMI 測試外( 是否需重新驗証，視情況而定 )，每一台樣品都應經過驗証(包括電氣及機構尺寸 )，此階段的電氣驗証可以以 ATE(Chroma)測試來完成，ATE 測試必須與電氣規格相符。4.1.3 QE 驗証:QE 針對工程部所提供的樣品做驗証，工程部應提供以下交件及樣品供QE 驗証。
