LED照明开关电源设计原理及全过程

      新闻发布时间:2015/2/1新闻浏览次数:1914新闻作者:济南锐玛试验机
    一、概论
      开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成?氐缭春拖咝缘缭聪啾龋叩某杀径妓孀攀涑龉β实脑黾佣龀ぃ咴龀に俾矢饕臁O咝缘缭闯杀驹谀骋皇涑龉β实闵希炊哂诳氐缭矗庖坏愠莆杀痉醋恪K孀诺缌Φ缱蛹际醯姆⒄购痛葱拢沟每氐缭醇际跻苍诓欢系卮葱拢庖怀杀痉醋闳找嫦虻褪涑龅缌Χ艘贫馕氐缭刺峁┝斯憷姆⒄箍占
      电源有如人体的心脏,是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为,标志电源特性的参数有功率、电源、频率、噪声及带载时参数的变化等等;在同一参数要求下,又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标,人可按此去"塑造"和完美电源,因此电源的形式是极多的。
      随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年**关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展?氐缭词抢孟执缌Φ缱蛹际酰刂瓶鼐骞芸ê凸囟系氖奔浔嚷剩治榷ㄊ涑龅缪沟囊恢值缭矗氐缭匆话阌陕龀蹇矶鹊髦(PWM)控制IC和MOSFET构成?氐缭春拖咝缘缭聪啾龋叩某杀径妓孀攀涑龉β实脑黾佣龀ぃ咴龀に俾矢饕臁O咝缘缭闯杀驹谀骋皇涑龉β实闵希炊哂诳氐缭矗庖怀杀痉醋恪K孀诺缌Φ缱蛹际醯姆⒄购痛葱拢沟每氐缭醇际踉诓欢系卮葱拢庖怀杀痉醋闳找嫦虻褪涑龅缌Χ艘贫馕氐缭刺峁┝斯惴旱姆⒄箍占洹
      一般电力要经过转换才能符合使用的需要。转换的例子有:交流转换成直流,高电压变成低电压,大功率中取小功率等等。
      开关电源的工作原理是:
      1.交流电源输入经整流滤波成直流;
      2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
      3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
      4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。
      开关电源设计全过程
      1 目的
      希望以简短的篇幅,将公司目前设计的流程做介绍,若有介绍不当之处,请不吝指教。
      2 设计步骤:
      2.1 绘线路图、PCB Layout.
      2.2 变压器计算。
      2.3 零件选用。
      2.4 设计验证。
      3 设计流程介绍(以DA-14B33为例):
      3.1 线路图、PCB Layout请参考资识库中说明。
      3.2 变压器计算:
      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,以下即就DA-14B33变压器做介绍。
      3.2.1 决定变压器的材质及尺寸:
      依据变压器计算公式
      B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss)
      Lp = 一次侧电感值(uH)
      Ip = 一次侧峰值电流(A)
      Np = 一次侧(主线圈)圈数
      Ae = 铁心截面积(cm2)
      B(max)依铁心的材质及本身的温度来决定,以TDK Ferrite Core PC40为例,100℃时的B(max)为3900 Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500 Gauss之间,若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss左右,以避免铁心因高温而饱合,一般而言铁心的尺寸越大,Ae越高,所以可以做较大瓦数的Power.
      3.2.2 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。
      3.2.3 决定变压器线径及线数:
      当变压器决定後,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,最终应以温昇记录为准●! 3.2.4 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。
      NS = 二次侧圈数
      NP = 一次侧圈数
      Vo = 输出电压
      VD= 二极体顺向电压
      Vin(min) = 滤波电容上的谷点电压
      D =工作周期(Duty cycle)
      3.2.5 决定Ip值:
      Ip = 一次侧峰值电流
      Iav = 一次侧平均电流
      Pout = 输出瓦数
      效率
      PWM震荡频率
      3.2.6 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。
      3.2.7 决定MOSFET及二次侧二极体的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。
      3.2.8 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。
      3.2.9 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。
      3.2.10 DA-14B33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.
      假设fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,? =0.7,P.F.=0.5(cosθ),Lp=1600 Uh
      计算式:
      变压器材质及尺寸:l
      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:
      假设NP使用0.32ψ的线
      电流密度=
      可绕圈数=
      假设Secondary使用0.35ψ的线
      电流密度=
      假设使用4P,则
      电流密度=
      可绕圈数=
      决定Dutyl cycle:
      假设Np=44T,Ns=2T,VD=0.5(使用schottky Diode)
      决定Ip值:
      决定辅助电源的圈数:
      假设辅助电源=12V
      NA1=6.3圈
      假设使用0.23ψ的线
      可绕圈数=
      若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V
      决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力):
      MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+ =
      =463.6V
      Diode(D5)=输出电压(Vo)+ x最高输入电压(380V)=
      =20.57V
      Diode(D4)=
      = =41.4V
      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。
      假设NA2 = 4T使用0.35ψ线,则
      可绕圈数= ,所以可将NA2定为4Tx2P
      变压器的接线图:
      3.3 零件选用:
      零件位置(标注)请参考线路图: (DA-14B33 Schematic)
      3.3.1 FS1:
      由变压器计算得到Iin值,以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料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。
      3.3.2 TR1(热敏电阻):
      电源启动的瞬间,由於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)。
      3.3.3 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之後),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。
      3.3.4 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)。
      3.3.5 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)。
      3.3.6 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特性及温昇,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,但温昇可能较高。
      3.3.7 BD1(整流二极体):
      将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的整流二极体,因为是全波整流所以耐压只要600V即可。
      3.3.8 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。
      Re:开关电方设计过祘
      3.3.9 D2(辅助电源二极体):
      整流二极体,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)
      3.3.10 R10(辅助电源电阻):
      主要用於调整PWM IC的VCC电压,以目前使用的3843而言,设计时VCC必须大於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)。
      3.3.11 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。
      3.3.12 Z1(Zener 二极体):
      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值的大小取决於辅助电源的高低,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)。
      3.3.13 R2(启动电阻):
      提供3843第一次启动的路径,第一次启动时透过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
      3.3.14 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)。
      3.3.15 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)。
      3.3.16 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,所以温昇会较低,若IDS电流未超过3A,应该先以3A/600V为考量,并以温昇记录来验证,因为6A/600V的价格高於3A/600V许多,Q1的使用亦需考虑VDS是否超过额定值。
      3.3.17 R8:
      R8的作用在保护Q1,避免Q1呈现浮接状态。
      3.3.18 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後再加上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)。
      3.3.19 R5,C3(RC filter):
      滤除3843 Pin3脚的杂讯,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。
      3.3.20 R9(Q1 Gate电阻 ):
      R9电阻的大小,会影响到EMI及温昇特性,一般而言阻值大,Q1 turn on / turn off的速度较慢,EMI特性较好,但Q1的温昇较高、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温昇较低、效率较高,但EMI较差,一般使用51Ω-150Ω 1/8W.
      3.3.21 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.
    (本文转自电子工程世界:http://www.eeworld.com.cn//LED/2015/0125/article_11726.html)
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