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20年资深工程师,从7个方面分析开关电源的设计细节

Hsiao Chen
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1、电源设计项目前期各个参数注意细节

(点击图片可查看大图)

借鉴下NXP的这个TEA1832图纸做个说明。分析里面的电路参数设计与优化并做到认证至量产。 在所有的元器件中尽量选择公司仓库里面的元件,和量大的元件,方便后续降成本拿价格。

贴片电阻采用0603的5%,0805的5%,1%,贴片电容容值越大价格越高,设计时需考虑。

1、输入端,FUSE选择需要考虑到I^2T参数。保险丝的分类,快断,慢断,电流,电压值,保险丝的认证是否齐全。保险丝前的安规距离2.5mm以上。设计时尽量放到3mm以上。需考虑打雷击时,保险丝I2T是否有余量,会不会打挂掉。

2、这个图中可以增加个压敏电阻,一般采用14D471,也有采用561的,直径越大抗浪涌电流越大,也有增强版的10S471,14S471等,一般14D471打1KV,2KV雷击够用了,增加雷击电压就要换成MOV+GDT了。有必要时,压敏电阻外面包个热缩套管。

3、NTC,这个图中可以增加个NTC,有的客户有限制冷启动浪涌电流不超过60A,30A,NTC的另一个目的还可以在雷击时扛部分电压,减下MOSFET的压力。选型时注意NTC的电压,电流,温度等参数。

4、共模电感,传导与辐射很重要的一个滤波元件,共模电感有环形的高导材料5K,7K,0K,12K,15K,常用绕法有分槽绕,并绕,蝶形绕法等,还有UU型,分4个槽的ET型。这个如果能共用老机种的最好,成本考虑,传导辐射测试完成后才能定型。

5、X电容的选择,这个需要与共模电感配合测试传导与辐射才能定容值,一般情况为功率越大X电容越大。

6、如果做认证时有输入L,N的放电时间要求,需要在X电容下放2并2串的电阻给电容放电。

7、桥堆的选择一般需要考虑桥堆能过得浪涌电流,耐压和散热,防止雷击时挂掉。

8、VCC的启动电阻,注意启动电阻的功耗,主要是耐压值,1206的一般耐压200V,0805一般耐压150V,能多留余量比较好。

9、输入滤波电解电容,一般看成本的考虑,输出保持时间的10mS,按照电解电容容值的最小情况80%容值设计,不同厂家和不同的设计经验有点出入,有一点要注意普通的电解电容和扛雷击的电解电容,电解电容的纹波电流关系到电容寿命,这个看品牌和具体的系列了。

10、输入电解电容上有并联一个小瓷片电容,这个平时体现不出来用处,在做传导抗扰度时有效果。

11、RCD吸收部分,R的取值对应MOSFET上的尖峰电压值,如果采用贴片电阻需注意电压降额与功耗。C一般取102/103 1KV的高压瓷片,整改辐射时也有可能会改为薄膜电容效果好。D一般用FR107,FR207,整改辐射时也有改为1N4007的情况或者其他的慢管,或者在D上套磁珠(K5A,K5C等材质)。小功率电源,RC可以采用TVS管替代,如P6KE160等。

12、MOSFET的选择,起机和短路情况需要注意SOA。高温时的电流降额,低温时的电压降额。一般600V 2-12A足够用与100W以内的反激,根据成本来权衡选型。整改辐射时很多方法没有效果的时候,换个MOSFET就过了的情况经常有。

13、MOSFET的驱动电阻一般采用10R+20R,阻值大小对应开关速度,效率,温升。这个参数需要整改辐射时调整。

14、MOSFET的GATE到SOURCE端需要增加一个10K-100K的电阻放电。

15、MOSFET的SOURCE到GND之间有个Isense电阻,功率尽量选大,尽量采用绕线无感电阻。功率小,或者有感电阻短路时有遇到过炸机现象。

16、Isense电阻到IC的Isense增加1个RC,取值1K,331,调试时可能有作用,如果采用这个TEA1832电路为参考,增加一个C并联到GND。

17、不同的IC外围引脚参考设计手册即可,根据自己的经验在IC引脚处放滤波电容。

18、更改前:变压器的设计,反激变压器设计论坛里面讨论很多,不多说。还是考虑成本,尽量不在变压器里面加屏蔽层,顶多在变压器外面加个十字屏蔽。变压器一定要验算delta B值,delta B=L*Ipk/(N*Ae),L(uH),Ipk(A),N为初级砸数(T),Ae(mm2)有兴趣验证这个公式可以在最低电压输入,输出负载不断增加,看到变压器饱和波形,饱和时计算结果应该是500mT左右。变压器的VCC辅助绕组尽量用2根以上的线并绕,之前很大批量时有碰到过有几个辅助绕组轻载电压不够或者重载时VCC过压的情况,2跟以上的VCC辅助绕线能尽量耦合更好解决电压差异大这个问题。

18、更改后:变压器的设计,反激变压器设计论坛里面讨论很多,不多说。还是考虑成本,尽量不在变压器里面加屏蔽层,顶多在变压器外面加个十字屏蔽。变压器一定要验算delta B值,防止高温时磁芯饱和。delta B=L*Ipk/(N*Ae),L(uH),Ipk(A),N为初级砸数(T),Ae(mm2)。(参考TDG公司的磁芯特性(100℃)饱和磁通密度390mT,剩磁55mT,所以ΔB值一般取330mT以内,出现异常情况不饱和,一般取值小于300mT以内。我之前做反激变压器取值都是小于0.3的)附,学习zhangyiping的经验(所以一般的磁通密度选择1500高斯,变压器小的可以选大一些,变压器大的要选小一些,频彔高的减小频彔低的可以大一些吧。)

变压器的VCC辅助绕组尽量用2根以上的线并绕,之前很大批量时有碰到过有几个辅助绕组轻载电压不够或者重载时VCC过压的情况,2跟以上的VCC辅助绕线能尽量耦合更好解决电压差异大这个问题。

附注:有兴趣验证这个公式的话,可以在最低电压输入,输出负载不断增加,看到变压器饱和波形,饱和时计算结果应该是500mT左右(25℃时,饱和磁通密度510mT)。

借鉴TDG的磁芯基本特征图。

19、输出二极管效率要求高时,可以采用超低压降的肖特基二极管,成本要求高时可以用超快恢复二极管。

20、输出二极管并联的RC用于抑制电压尖峰,同时也对辐射有抑制。

21、光耦与431的配合,光耦的二极管两端可以增加一个1K-3K左右的电阻,Vout串联到光耦的电阻取值一般在100欧姆-1K之间。431上的C与RC用于调整环路稳定,动态响应等。

22、Vout的检测电阻需要有1mA左右的电流,电流太小输出误差大,电流太大,影响待机功耗。

23、输出电容选择,输出电容的纹波电流大约等于输出电流,在选择电容时纹波电流放大1.2倍以上考虑。 24、2个输出电容之间可以增加一个小电感,有助于抑制辐射干扰,有了小电感后,第一个输出电容的纹波电流就会比第二个输出电容的纹波电流大很多,所以很多电路里面第一个电容容量大,第二个电容容量较小。

25、输出Vout端可以增加一个共模电感与104电容并联,有助于传导与辐射,还能降低纹波峰峰值。

26、需要做恒流的情况可以采用专业芯片,AP4310或者TSM103等类似芯片做,用431+358都行,注意VCC的电压范围,环路调节也差不多。

27、有多路输出负载情况的话,电源的主反馈电路一定要有固定输出,或者假负载,否则会因为耦合,burst模式等问题导致其他路输出电压不稳定。28、初级次级的大地之间有接个Y电容,一般容量小于或等于222,则漏电流小于0.25mA,不同的产品认证对漏电流是有要求的,需注意。

算下来这么多,电子元器件基本能定型了,整个初略的BOM可以评审并参考报价了。BOM中元器件可以多放几个品牌方便核成本。如客户有特殊要求,可以在电路里面增加功能电路实现。如不能实现,寻找新的IC来完成,相等功率和频率下,IC的更改对外围器件影响不大。如客户温度范围的要求比较高,对应元器件的选项需要参考元器件使用温度和降额使用。

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