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    LED照明開關電源設計原理及全過程

    時間:2020-03-25 20:07來源:未知 作者:fly 點擊:
    隨著電力電子技術的高速發展,電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切,而電子設備都離不開可靠的電源,進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化,率先完成計算機的

     

    隨著電力電子技術的高速發展,電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切,而電子設備都離不開可靠的電源,進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化,率先完成計算機的電源換代,進入90年**關電源相繼進入各種電子、電器設備領域,程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源,更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關晶體管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關電源,這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術在不斷地創新,這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動,這為開關電源提供了廣泛的發展空間。

    一般電力要經過轉換才能符合使用的需要。轉換的例子有:交流轉換成直流,高電壓變成低電壓,大功率中取小功率等等。

    開關電源的工作原理是:

    1.交流電源輸入經整流濾波成直流;

    2.通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,將那個直流加到開關變壓器初級上;

    3.開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載;

    4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩定輸出的目的。

    開關電源設計全過程

    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證是很重要的,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 = 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3000~3500 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(win)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?! ?.2.4 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。

    NS = 二次側圈數

    NP = 一次側圈數

    Vo = 輸出電壓

    VD= 二極體順向電壓

    Vin(min) = 濾波電容上的谷點電壓

    D =工作周期(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震蕩頻率

    3.2.6 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。

    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。

    3.2.8 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。

    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),剩余可繞面積=4.4mm.

    假設fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V, =0.7,P.F.=0.5(cosθ),Lp=1600 Uh

    計算式:

    變壓器材質及尺寸:l

    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:

    假設NP使用0.32ψ的線

    電流密度=

    可繞圈數=

    假設Secondary使用0.35ψ的線

    電流密度=

    假設使用4P,則

    電流密度=

    可繞圈數=

    決定Dutyl 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=12V

    NA1=6.3圈

    假設使用0.23ψ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)+ =

    =463.6V

    Diode(D5)=輸出電壓(Vo)+ x最高輸入電壓(380V)=

    =20.57V

    Diode(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回授路徑所需的電壓。

    假設NA2 = 4T使用0.35ψ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(標注)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)。

    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,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)。

    3.3.5 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)。

    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。

    Re:開關電方設計過祘
    (責任編輯:fly)

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