第八节　开关电源电路设计中的注意事项与改进措施

一、电源参数设计的注意事项

以TEA1832图纸为例,如图2-52所示,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通用元件,方便后续降成本。

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选择需要考虑到一些常用参数,如保险丝的分类,快断、慢断、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,需考虑打雷时,保险丝1过流是否有余量,会不会打断掉。

② 图2-52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。

图2-52　TEA1832电路原理图

③ 图2-52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,减小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,是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,这个如果能共用的最好(可选择通用型试验),成本考虑,传导辐射测试完成后才能定型。

⑤ 滤波电容的选择,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滤波电容越大。

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 桥堆的选择一般要考虑桥堆能过得浪涌电流,耐压和散热,防止雷击时损坏。

⑧ VCC的启动电阻,注意启电阻的功耗,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,电解电容容值的最小按照80%容值设计,不同人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。

输入电解电容上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。

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一般为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(KSA,KSC等材质),小功率电源,RC可以采用TVS管替代,如P6KE160等。

MOSFET的选择,开机和短路情况时报需要注意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。

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。

MOSFET的GATE到UOURCE端需要增加一个10k~100kΩ的电阻放电。

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。

ISENSE电阻到IC的ISENSE增加1个RC,取值1kΩ,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。

不同的IC外国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。

变压器的设计,反激变压器设计资料很多,不再细讲。由于成本问题,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ΔB值,ΔB=L×I_pk/(N×A_e),L(μH),I_pk(A),N为初级砸数(T),A_e(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。

变压器的V_CC辅助绕组尽量用2根以上的线并绕,否则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V_CC过压的情况,2根以上的V_CC辅助绕线能尽量耦合,以更好地解决电压差异大这个问题。

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。

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。

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

V_out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。

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。

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。

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

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V_CC的电压范围,环路调节也差不多。

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。

初级次级的大地之间接个电容,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,整个粗略的BOM可以评审并参考报价了,BOM中元器件可以多做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的更改应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。

二、电源PCB设计的注意事项

① PCB对应的SCH网络要对应,方便后续更改。

② PCB的元器件封装,标准库里面的按实际情况需要更改,贴片元件焊盘加大;插件元件的孔径比元件管脚大0.3mm,焊盘直径大于孔0.8mm以上,焊盘大些方便焊接,元器件过滤峰焊也容易上锡,PCB厂家做出来也容易破孔。

③ 安规的要求在PCB上的体现,保险丝的安规输入到输出距离3mm以上,保险丝带型号需要印在PCB上。PCB的板材也有不同的安规要求,对需要做的认证与供应商沟通能否满足要求,相应的认证编号需印到PCB上。初级到次级的距离8mm以上,Y电容注意选择Y1还是Y2的,跨距也要求8mm以上,变压器的初级与次级,用挡墙或者次级用三层绝缘线飞线等方法做爬电距离。

④ 桥堆前L,N走线距离2.5mm以上,桥堆后高压+,+距离2.5mm以上,走线为大电流回路先走,面积越小越好,信号线远离大电流走线,避免干扰,IC信号检测部分的滤波电容靠近IC,信号地与功率地分开走,星形接地,或者单点接地,最后汇总到大电容的“-”引脚时信号受干扰,或者抗扰度出状况。

⑤ IC方向,贴片元器件的方向,尽量放到整排整列,方便过波峰焊上锡,提高产线效率,避免阴影效应、连锡、虚焊等问题出现。

⑥ 打AI的元器件需要根据相应的规则放置元器件,之前看过一个PCB,焊盘做成水滴状,AI元件的引脚刚好在水滴状的焊盘上,美观漂亮。

⑦ PCB上的走线对辐射影响比较大,可以参考相关书籍,还有一种情况,PCB当单面板布线,做好后,在顶层数整块铜皮接大电容地,抑制传导和辐射很有效果。

⑧ 布线时,还需要考虑雷击,ESD时或其他干扰的电流路径,会不会影响IC。

三、电源调试过程应注意的事项

① 万用表先测试主电流回路上的二极管、MOSFET,有没有短路,有没有装反,变压器的感量与漏感是否都有测试,变压器同名端有没有绕错。

② 开始上电,一般是先上100V的低压,PWM没有输出,用示波器看V_CC、PWM脚,V_CC上升到启动电压,PWM没有输出,检查各引脚的保护功能是否被触发,或者参数不对。找不到问题,查看IC的上电时序图,或者IC启动的条件。在示波器使用时需注意,3芯插头的地线要拔掉,不拔掉的话最好采用隔离探头测波形,否则怎么烧坏电路的都不知道,用2个以上的探头时,2根探头的COM端接同1个点,避免影响电路,或者夹错位置烧东西。

③ IC启动问题解决了,PWM有输出,发现启动时变压器啸叫,测MOSFET的电流波形,或者看ISENSE脚底波形是否是三角波,有可能是饱和波形,有可能是方波,需重新核算ΔB,还有种情况,V_CC绕组与主绕组绕错位置,也有输出短路的情况,或者杂波吸收不良的问题,甚至还碰到过TVS坏了短路的情况。

④ 输出有了,但是输出电压不对,或者高了,或者低了。这个需要判断是初级的问题,还是次级的问题。测输出二极管电压电流波形,是否是正常的反激波形,波形不对,估计就是同名端反了。检查光耦是否损坏,光耦正常,采用稳压管+1k电阻替换431的位置,即可判断输出反馈431部分,或者恒流,或者过载保护等保护的动作。常见问题,光耦脚位画错,导致反馈到不了前级。431封装弄错,一般431的封装有2种,脚位有镜像了的。同名端的问题会导致输出电压不对。

⑤ 输出电压正常了,但是不是精确的12V或24V,这个时候一般采用2个电阻并联的方式来调节到精确电压。采样电阻必须选1%或者0.5%。

⑥ 输出能带载了,带满载变压器有响声,输出电压纹波大,测PWM波形,是否有大小波或者开几十个周期停几十个周期,这样的情况调节环路,431上的C与RC,现在的很多IC内部都已经集成了补偿,环路都比较好调整,环路调节没有效果,可以计算下电感感量太大或者太小,也可以重新核算ISENSE电阻,是否IC已经认为ISENSE电阻电压较小,IC工作在brust mode,可以更改ISENSE电阻阻值测试。

⑦ 高低压都能带满载了,波形也正常了,测试电源效率,输入90V与264V时效率尽量做到一致(改占空比,匝比),方便后续安规测试温升,电源效率一般参考其他机种效率,或者查能效等级里面的标准参考。

⑧ 输出纹波测试,一般都有要求用47UF+104,或者10UF+104电容测试。这个电解电容值影响纹波电压,电容的高频低阻特性(不同品牌和系列)也会影响纹波电压,示波器测试纹波时,探头上用弹簧测试,可以避免干扰尖峰。输出纹波搞不定的情况下,可以改容量,改电容的系列,甚至考虑采用固态电容。

⑨ 输出过流保护,客户要求精度高的,要在次级放电流保护电路,要求精度不高的,一般初级做过流保护,大部分IC都有集成过流或者过功率保护。过流保护一般放大1.1~1.5倍输出电流,最大输出电流时,元器件的应力都需要测试,并留有余量。电流保护如增加反馈环路可以做成恒流模式,无反馈环路一般为打嗝保护模式。做好过流保护只能需要测试满载+电解电容的测试,客户端有时提出的要求并未给出是否容性负载,能带多大的电容只有起机测试后才能确定。

输出过压保护,稳定性要求高的客户会要求放2个光耦,1个正常工作的,1个是做过压保护的,无要求的,在V_CC的辅助绕组处增加过压保护电路,或者IC里面已经有集成的过压保护,外围器件很少。

过温保护一般要看具体情况添加的,安规做高温测试时对温度都有要求,能满足安规要求温度都可以,除非环境复杂或者异常情况,需要增加过温保护电路。

启动时间,一般要求为2s,或者3s内起机,都比较好做,待机功耗做到很低功率的方案,一般IC都考虑好了。没有什么问题。

上升时间和过冲,这个通过调节软启动和环路响应实现。

负载调整率和线性调整率都是通过调节环路响应来实现。

保持时间,要改输入大电容容量即可。

输出短路保护,现在IC的短路保护越做越好,一般短路时,IC的V_CC辅助绕组电压低,IC靠启动电阻供电,IC启动后,ISENSE脚检测过流会做短路保护,停止PWM输出,一般在264V输入时短路功率最大,短路功率控制住2W以内比较安全。短路时需要测试MOSFET的电流与电压,并通过查看MOSFET的SOA图(安全工作区)对应短路是否超出设计范围。

空载起机后,输出电压跳,有可能是轻载时V_CC的辅助绕组感应电压低导致,增加V_CC绕组匝数,还有可能是输出反馈环路不稳定,需要更新环路参数。

带载起机或者空载切重载时电压起不来。重载时,V_CC辅助绕组电压高,需查看是否过压,或者是过流保护动作。

还有变压器设计时按照正常输出带载设计,导致重载或者过流保护前变压器饱和。

元器件的应力都应测试,满载、过载,异常测试时元器件应力都应有余量,余量大小视公司规定和成本考虑,性能测试与调试基本完成,调试时把自己想成是设计该IC的人,就能好好理解IC的工作情况并快速解决问题。

四、常见测试注意事项与整改

1.主要测试项注意事项

① 温升测试,45℃烤箱环境,输入90,264时变压器磁芯、线包不超过110℃,PCB在130℃以内,其他的元器件具体值可参考安规要求,温度最难整的一般都是变压器。

② 绝缘耐压测试DC500V,阻值大于100MΩ,初次级打AC3000V时间60s,小于10mA,产线量产可以打AC3600V,6s,建议采用直流电压DC4242打耐压。耐压电流设置10mA,测试过程中测试仪器报警,要检查初次级距离,初级到外壳,次级到外壳距离,能把测试室拉上窗帘更好,能快速找到放电的位置的电火花。

③ 对地阻抗,一般要小于0.1Ω,测试条件电流40A。

④ ESD一般要求接触4kV,空气8kV,有个电阻电容模型问题,一般会把等级提高了打,打到最高的接触8kV,空气15kV,打ESD时,共模电感底下有放电针的话,放电针会放电。电源的ESD还会在散热器与不同元器件之间打火,一般是距离问题和PCB的layout问题,打ESD打到15kV把电源打坏就知道自己做的电源能抗多大的电压,做安规认证时,心里有底。如果客户有要求更高的电压也知道怎么处理,参考EN61000-4-2。

⑤ EFT这个没有出现过问题2kV,参考EN61000-4-4。

⑥ 雷击,差模1kV共模2kV,采用压敏14D471,有输入大电解,走线没有大问题基本通过,碰到过雷击不过的情况,小功率5W、10W的打坏了,采用能抗雷击的电解电容。单极PFC做反激打坏了MOSFET,在输入桥堆后加入二极管与电解电容串联,电容吸收能量,LED电源打2kV与4kV的情况,4kV就要采用压敏电阻+GDT的形式。

EFT,ESD,SURGE有A,B,C等级,一般要A等级;干扰对电源无影响。

⑦ 低温起机。一般便宜的电源,温度范围是0~45℃,贵的工业类,或者LED等的有要求-40~60℃,甚至到85℃。-40℃的时候输入NTC增大了N倍,输入电解电容明显不够用了,ESR很大,还有PFC如果用500V的MOSFET也是有点危险的(低温时MOSFET的耐压值变低)。之前碰到过90V输入时输出电压跳,或者是LED闪几次才正常起来。增加输入电容容量,改小NTC,增加V_CC电容,软启动时间加长,初级限流(输入容量不够,导致电压很低,电流很大,触发保护)从1.2倍放大到1.5倍,IC的V_CC绕组增加2T辅助电压抬高,查找保护线路是否太极限,低温被触发(如PFC过压易被触发)。

2.传导整改注意事项

基本性能和安规基本问题解决掉,剩下传导和辐射问题。自己优化下线路,跟安规工程师确认安规问题,跟产线的工程师确认后续PCB上元器件是否需要做位置的更改,产线是否方便操作等问题,或者有打AI,过回流焊波峰焊的问题,及时对元器件调整。

① 传导和辐射测试能改的地方:这个是看不见的,特别重要的就算是PCB了,可以找到PCB上的线,割断,换个走线方式就可以降低3个DB,余量就有了。

② 一般看到笔记本电源适配器,接电脑的部分就有个很丑的砣,这个就是个EMI滤波器,从适配器出线的部分到笔记本电脑这么长的距离,可以看成是1条天线,增加一个滤波器,就可以滤除损耗。所以一般开关电源的输出端有一个滤波电感,效果也是一样的。

③ 输入滤波电感,功率小的,UU型很好用,功率大的基本用环型和ET型,公司有传导实验室或者传导仪器的可以去测试,如果去第三方实验室的就比较麻烦,整改材料都要带一堆。滤波电感用高导的10k材料比较好,对传导辐射抑制效果都不错,如果传导差的话,可以改12k,15k的,辐射差的话可以改5k、7k的材质。

④ 输入滤波电容,能用小就用小,主要是占地方。这个要配合滤波电感调整的。

⑤ 滤波电容,初次级没有装滤波电容,或者滤波电容很小的话一般从150k~30M都是飘的,或者超出限值了的,装个471-222就差不多了。滤波电容的接法直接影响传导与辐射的测试数据,一般为初级地接次级的地,也有初级高压,接次级地,或者放2个滤波电容初级高压和初级地都接次级的地,没有调好之前谁也说不准的。滤波电容上串磁珠,对10MHz以上有效果,但也不全是,每个人调试传导辐射的方法和方式都有差异,机种也不同,问题也不同。

⑥ MOSFET吸收,一般不超过220pF,要不温度就太高了,一般47pF,100pF。RCD吸收,可以在C上串个10~47Ω电阻吸收尖峰。还可以在D上串10~100Ω的电阻,MOSFET的驱动电阻也可以改为100Ω以内。

⑦ 输出二极管的吸收,一般采用RC吸收足够了。

⑧ 变压器有铜箔屏蔽和线屏蔽,铜箔屏蔽对传导效果好,线屏蔽对辐射效果好,至于初包次、次包初,还有些其他的绕法都是为了更好地传导辐射。

⑨ 对于PFC做反激电源的,输入部分还需要增加差模电感。一般用棒形电感,或者铁粉芯的黄白环做。

整改传导的时候在10~30MHz部分尽量压低到有15~20DB余量,那样辐射比较好整改。

开关频率一般在65kHz,看传导的时候可以看到65k的倍频位置,一般都有很高的值。

总之,传导的现象可以看成是功率器件的开关引起的振荡在输入线上被放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来的时候不超标。

3.辐射整改注意事项

① PCB的走线按照布线规则来做即可。当PCB有空间的时候可以放2个滤波电容的位置;一只初级大电容的+到次级地;另一只初级大电容-到次级地,整改辐射的时候可以调整。

② 对于2芯输入的,滤波电容除了上述接法还可以在L、N输入端,保险丝之后接成π型,再接次级的地,3芯输入时,滤波电容可以从输入输出地接到输入大地来测试。

③ 磁珠在辐射中间很重要,以前用过的材料是K5A,K5C,磁珠的阻抗曲线与磁芯大小和尺寸有关。不同的磁珠对不同的频率阻抗曲线不同。但是都是把高频杂波损耗掉,成了热量(30~50MHz)。一般MOSFET、输出二极管、RCD吸收的D、桥堆、滤波电容都可以套磁珠来做测试。

④ 输入共模电感:如果是2级滤波,第一级的滤波电感可以考虑用0.5~5mH左右的感量,蝶形绕法,5~10k材质绕制,每一级对辐射压制效果好。如果是3芯输入,可以在输入端进线处用三层绝缘线在KSA等同材质绕3~10圈,效果很好。

⑤ 输出共模电感:一般采用高导磁芯5~10kΩ的材质。

⑥ MOSFET:漏极上串入磁珠,输入电阻加大,DS直接并联22~220pF高压瓷片电容可以改善辐射能量,也可以换不同电流值的MOS,或者不同品牌的MOSFET测试。

⑦ 输出二极管:二极管上套磁珠可以改善辐射能量,二极管上的RC吸收也对辐射有影响。也可以换不同电流值来测试,或者更换品牌。

⑧ RCD吸收:C更改容量,R改阻值,D可以用FR107、FR207改为慢管,但是需要注意慢管的温度。RCD里面的C可以串小阻值电阻。

⑨ V_CC的绕组上也有二极管,这个二极管也对辐射影响大,一般采取套磁珠,或者将二极管改为1N4007或者其他的慢管。

最关键的变压器,能少加屏蔽就少加屏蔽,没办法的情况也只能改变压器了。变压器里面的铜箔屏蔽对辐射影响大,线屏蔽是最有效果的,一般改不动的时候才去改变压器。

辐射整改时的效率。套满磁珠的电源先做测试,测试通过后,再逐个剪掉磁珠。若测试失败,在输入输出端来套磁环,判断辐射信号是从输入还是输出发射出来的。

套了磁环还是失败的话,证明辐射能量是从板子上出来的。这个时候要找个探头来测试,看看是哪个元器件辐射的能量最大,哪个元件在超出限频率点能量最高,再对对应的元件整改。

辐射的现象可以看成是功率器件在高速度开关情况下,寄生参数引起的振荡在不同的天线上发射出去,被天线接收放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,改变振荡频率或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来值的时候不超标。

磁珠的运用需要注意:套住MOSFET的时候,MOSFET最好是要打弯脚,套入磁珠后点胶固定,如果磁珠松动,可能导电引起MOSFET短路。有空间的情况下尽量采用带线磁珠。