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AC/DC

採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法

彙整

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本篇以「採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法概要」為題,複習絕緣型返馳式轉換器的基本概念,以及說明了設計步驟、決定規格、選擇電源IC和實際設計電路、機板配線。最後再利用「彙整」做一下總整理。
開關電源電路基本上屬於類比電路,其設計原則不變。但開關包含開、關大電流的動作在內,因此設計時必須考量高頻諧波和EMI。

AC/DC轉換器會使用到數百伏特的高電壓,和感測器電路等不同,必須使用高耐壓零件,因此設計者須具備絕緣和高耐壓零件相關知識。

從絕緣電源的觀點來看,必須設計變壓器。雖然零件簡單不複雜,但不適合未有操作經驗的人員設計,是電源電路上基本且非常重要的零件。

決定零件常數時,會利用計算公式取得常數,或根據電路條件和過往經驗,決定大略的數值。可惜的是包含決定上限值的方法在內,根據經驗法則做出決定終非正確做法,仍應該重復設計、試作、評估後再決定各項常數。

無論如何,由於它屬於類比電路,因此決定常數的方法大部分都是「大致上這樣」,其中可能有無法同意的做法,但相對來說,也並非要常數完全吻合才能運轉,在允許某一程度落差的組合中,或許只要調整至最佳化就可以取得協調。也就是說,由3位設計人員設計同一規格的電源,例如返馳的基本構造或許一樣,但細部卻是三人三種。這可說是設計類比電路、電源電路有趣的地方。

以下將彙整本篇說明過的項目,特別是「2.設計步驟」開始每一個項目的重點。各階段都有應仔細理解的內容,希望各位能再次確認。

<採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法概要>

  1. 絕緣型返馳式轉換器的基本概念
  2. 設計步驟

    重點

    ・在一開始設計時,大多尚未決定電源的規格,但仍建議儘量在確認好規格後,再開始著手設計。
    ・在實際設計電源時,電源IC佔了非常重要的地位,會因為使用的IC來決定電路和零件。
    ・在判斷能否量產時,除了符合、不符合要求規格外,也必須稍微讓步,加以調整。

  3. 決定電源規格

    重點

    ・在開始設計時,應儘可能收集必要的資料,在能變更的前提下保留容許範圍和彈性,再開始進行設計。

  4. 決定設計上所使用的IC

    重點

    ・在目前設計電源上,會根據所使用的電源IC,大略決定電路和零件,因此請參考電路範例等來構思整個電路。

  5. 設計絕緣型返馳式轉換器的電路
    • 設計變壓器(算出數值)

      重點

      ・基本上必須設計適用於設計電路的變壓器。

      ・有不少工程師覺得設計變壓器非常麻煩,因此可以尋求IC製造廠和變壓器廠商支援。

    • 設計變壓器(設計構造)-之1
    • 設計變壓器(設計構造)-之2

      重點

      ・計算出數值後,進入具體設計變壓器構造的階段。

      ・計算出數值後,若能大略設計出構造,可望在變壓器廠商等的協助下,設計出最終版本。

    • 決定主要零件-MOSFET相關之1

      重點

      ・主要考量汲極-源極的耐壓、峰值電流、導通電阻造成的損耗、封裝容許損耗,來決定開關用電晶體(MOSFET)。

      ・只有紙上談兵根本難以做出決定,必須依賴經驗法則和實際測量才行。

    • 決定主要零件-MOSFET相關之2

      重點

      ・為了控制開關用電晶體(MOSFET)的運轉,依電源IC的規格設計電路。

      ・請遵照電源IC的資料表中,所記載的決定電路、常數的方法等內容。

    • 決定主要零件-CIN和緩衝電路

      重點

      ・輸入電容CIN能在輸入電源瞬斷、開關時,補足所流入的輸入電流,是電路上非常重要的裝置。

      ・基本上緩衝電路為必要配件,能在輸入產生突波之際,保護開關用電晶體。

    • 決定主要零件−輸出整流器和Cout

      重點

      ・基本電路南運轉狀況和二極體整流式DC/DC轉換器相同。

      ・輸出整流二極體使用損耗小的蕭特基二極體、高速整流二極體。

      ・輸出電容所使用的電解電容,壽命和漣波電流之間的關聯值得多加考量。

    • 決定主要零件-IC的VCC相關

      重點

      ・電源IC必須使用電源IC內的控制電路用低電壓DC電源(呼稱範例:VCC等),一般而言會使用變壓器的輔助線圈(其他稱呼:VCC線圈、三次線圈等)。

      ・大多利用簡易的二極體整流產生電源。

      ・電壓依照IC規格,尤其AC/DC是從高電壓轉換而來,必須注意不要超過額定值。

    • 決定主要零件-設定IC、其他

      重點

      ・使用電源IC的設計電路中,除了基本零件(橋式二極體、變壓器等)外,還加裝設定電源IC功能等上必要的零件。

      ・電源IC零件的常數等遵照資料表、應用需知、設計手冊等的說明。

      ・大多用來設定保護電路的差動等級和限制值等,主要有電阻和電容等零件。

    • EMI對策和輸出雜訊對策

      重點

      ・開關電源是潛在的EMI源頭,必須同時針對傳導雜訊和輻射雜訊,採用因應對策。

      ・從EMC的角度來看,主要採取釋放(放出雜訊)對策。

      ・基本對策為設置雜訊濾波器,但雜訊亦和機板配線、基本零件有關。

  6. 機板配線範例

    重點

    ・設計開關電源時,機板配線會對電源性能和EMC造成非常大的影響。

    ・基本上會流過大電流的線粗、短且纏繞範圍小。

    ・控制信號線和雜訊多的線分開配置,也不能裝在變壓器正下方。


PWM返馳式轉換器設計範例