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PSR原邊反饋開關電源變壓器設計
摘要: 下面結合實際來講講我對PSR原邊反饋開關電源設計的“獨特”方法——以實際為基礎。要求條件:全電壓輸入,輸出5V/1A,符合能源之星2之標準,符合IEC60950和EN55022安規及EMC標準。
Abstract:
Key words :

下面結合實際來講講我對PSR原邊反饋開關電源設計的“獨特”方法——以實際為基礎。

  要求條件:

  全電壓輸入,輸出5V/1A,符合能源之星2之標準,符合IEC60950和EN55022安規及EMC標準。

  因充電器為了方便攜帶,一般都要求小體積,所以針對5W的開關電源充電器一般都采用體積較小的EFD-15和EPC13的變壓器,此類變壓器按常規計算方式可能會認為CORE太小,做不到,如果現在還有人這樣認為,那你就OUT了。

  磁芯以確定,下面就分別講講采用EFD15和EPC13的變壓器設計5V/1A 5W的電源變壓器。

  1. EFD15變壓器設計

  目前針對小變壓器磁芯,特別是小公司基本都無從得知CORE的B/H曲線,因PSR線路對變壓器漏感有所要求。

  所以從對變壓器作最小漏感設計入手:已知輸出電流為1A,5W功率較小,所以銅線的電流密度選8A/mm2,次級銅線直徑為:SQRT(1/8/3.14)*2=0.4mm。

  通過測量或查詢BOBBIN資料可以得知,EFD15的BOBBIN的幅寬為9.2mm。

  因次級采用三重絕緣線,0.4mm的三重絕緣線實際直徑為0.6mm.

  為了減小漏感把次級線圈設計為1整層,次級雜數為:9.2/0.6mm=15.3Ts,取15Ts.

  因IC內部一般內置VDS耐壓600~650V的MOS,考慮到漏感尖峰,需留50~100V的應力電壓余量,所以反射電壓需控制在100V以內,得:(Vout+VF)*n<100,即:n<100/(5+1),n<16.6,取n=16.5,得初級匝數NP=15*16.5=247.5取NP=248,代入上式驗證,(Vout+VF)*(NP/NS)<100,即(5+1)*(248/15)=99.2<100,成立。

  確定NP=248Ts.假設:初級248Ts在BOBBIN上采用分3層來繞,因多層繞線考慮到出線間隙和次層以上不均勻,需至少留1Ts余量(間隙)。

  得:初級銅線可用外徑為:9.2/(248/3+1)=0.109mm,對應的實際銅線直徑為0.089mm,太小(小于0.1mm不易繞制),不可取。

  假設:初級248Ts在BOBBIN上采用分4層來繞,初級銅線可用外徑為:9.2/(248/4+1)=0.146mm,對應的銅線直徑為0.126mm,實際可用銅線直徑取0.12mm。

  IC的VCC電壓下限一般為10~12V,考慮到至少留3V余量,取VCC電壓為15V左右,得:NV=Vnv/(Vout+VF)*NS=15/(5+1)*15=37.5Ts,取38Ts.因PSR采用NV線圈穩壓,所以NV的漏感也需控制,仍然按整層設計,得:NV線徑=9.2/(38+1)=0.235mm, 對應的銅線直徑為0.215mm,實際可用銅線直徑取0.2mm。也可采用0.1mm雙線并饒。

  到此,各線圈匝數就確定下來了。

  下面來確定繞線順序。

  因要工作在DCM模式,且采用無Y設計,DI/DT比較大,變壓器磁芯研磨氣隙會產生穿透力強雜散磁通導致線圈測試渦流,影響EMC噪音,所以需先在BOBBIN上采用0.1mm直徑的銅線繞滿一層作為屏蔽,且引出端接NV的地線。

  繞完屏蔽后,保TAPE1層;再繞初級,按以上計算的分4層繞制,完成后包TAPE 1層;為減小初次級間的分布電容對EMC的影響,再用0.1mm的線繞一層屏蔽,包TAPE 1層;再繞次級,包TAPE 1層;再繞反饋,包TAPE 2層。

  可能有人會說:怎么沒有計算電感量?

  因前面說了,CORE的B/H不確定,所以得先從確定飽和AL值下手。把變壓器CORE中柱研磨一點,然后裝上以上方式繞好的線圈裝機,并用示波器檢測Rsenes上的波形,見下圖中R5.

  

 

  輸入AC90V/50Hz,慢慢加載,觀察CORE有沒有飽和,如果有飽和跡象,拆下再研磨……直到負載到1.1~1.2A剛好出現一點飽和跡象,(此波形需把波形放大到滿屏觀察最佳)OK,拆下變壓器測量電感量,此時所測得的電感量作為最大值依據,再根據廠商制造能力適當留+3%~+5%的誤差范圍和余量,如:測量為2mH,則取2-2*0.05=1.9mH,誤差為+/-0.1mH.現在再來驗證以上參數變壓器BOBBIN的繞線空間。

 

  已知:E1和E2銅線直徑為0.1mm,實際外徑為0.12mm;NP銅線直徑為0.12mm,實際外徑為0.14mm;NS銅線直徑為0.4mm,實際外徑為0.6mm;TAPE采用0.025mm厚的麥拉膠紙。

  A.

  NV若采用銅線直徑為0.2mm,實際外徑為0.22mm

  線包單邊厚度為:E1+TAPE+NP+TAPE+E2+TAPE+NS+TAPE+NV+TAPE

  =0.12+0.025+0.14*4+0.025+0.12+0.025+0.6+0.025+0.22+0.025*2=1.77mm.

  B.

  NV若采用銅線直徑為0.1mm雙線并饒,實際外徑為0.12mm

  線包單邊厚度為:E1+TAPE+NP+TAPE+E2+TAPE+NS+TAPE+NV+TAPE

  =0.12+0.025+0.14*4+0.025+0.12+0.025+0.6+0.025+0.12+0.025*2=1.67mm.

  測量或查EFD15的BOBBIN的單邊槽深為2.0mm,

  所以以上2種方式繞制的變壓器都可行。

  2. EPC13的變壓器設計

  依然沿用以上設計方法,

  測量或查BOBBIN資料可得EPC13 BOBBIN幅寬為6.8mm,

  次級匝數為:6.8/0.6=11.3Ts,取11Ts.

  初級匝數為:11*16.5=181.5Ts,取182Ts.

  反饋匝數為:15/(5+1)*11=27.5Ts,取28Ts.

  繼續,EPC13的繞線方式同EFD15,再這里就不再重復了。

  以上變壓器設計出的各項差數是以控制漏感為出發點的,各項參數(肖特基的VF,MOS管的電壓應力余量……)都是零界或限值,實際設計中會因次級繞線同名端對應輸出PIN位出現交叉,或輸出飛線套鐵氟龍套管,或供應商的制程能力,都會使次級線圈減少1~2圈,對應的初級和反饋也需根據匝比減少圈數;另,目前市場的競爭導致制造商把IC內置MOS管的VDS耐壓減小一點來節省成本,為保留更大的電壓應力余量,需再減少初級匝數;以上的修改都會對EMC輻射造成負面影響,對應的取舍還需權衡,但前提是必須使產品工作在DCM模式。

  從08年市場上推出PSR原邊反饋方案到現在我一直都有在用此方案設計產品,回顧看看,市場上也出現了很多不同品牌的PSR方案,但相對以前剛推出的PSR控制IC 來說,有因市場反映不良而不斷改進的部分,但也有因為惡性競爭而COST DOWN的部分。主要講講COST DOWN的部分。

  因受一些品牌在IC封裝工藝上的專利限制,所以目前大部分的內置MOS的IC(不僅是PSR控制IC,也包括PWM 控制IC)采用的是在基板上置入控制晶圓和MOS晶圓,之間用金線作跳線連接,這樣就有2個問題產品了:

  1. 金線帶來的EMC輻射。

  2. 研制控制晶圓的公司可以自己控制控制晶圓的成本,但MOS晶圓一般采用的從MOS晶圓生產上購買,這樣一來,MOS晶圓的成本控制也成為IC成本控制的案上肉。

  輻射可以采用優化設計來控制。

  但MOS晶圓的COST DOWN的路徑來源于降低其VDS的耐壓,目前已有很多不同品牌的IC將VDS為650V的內置MOS降到620~630V,甚至560~600V。

  這樣一來,只控制漏感降低VDS峰值電壓是不夠的,所以還需為VDS保留更大的電壓應力余量。

  下面再以EPC13為實例,講講優化設計后的變壓器設計。

  方法同上……

  先計算出次級,

  因考慮到輸出飛線套鐵氟龍套管或輸出線與BOBBIN PIN位交叉,所以需預留1匝空間,得,次級匝數為:6.8/0.6-1=10.3,取10Ts.

  再計算初級匝數,因考慮到為MOS管留更大的電壓應力余量,所以反射電壓取之前的75%

  得:(Vout+VF)*n<100*75%,輸出5V/1A,采用2A/40V的肖特基即可,2A/40V的肖特基其VF值一般為0.55V。

  代入上式得:n<13.51,取13.5,得NP=10*13.5=135Ts.

  代入上式驗證(5+0.55)*(135/10)=74.925<75,成立。

  確定NP=135Ts.

  下面再計算反饋匝數,依然取反饋電壓為15V,得,15/(5+0.55)*10=27Ts.

PSR線路設計變壓器很關鍵,所以先講變壓器。

 

  后續會繼續講出設計PSR的具體每個元件的設計,包括取樣電阻,吸收回路,保護設計及EMC控制方法。

  PSR電路一般OCP設計的不是很大,一般在120%左右,如果你測試是是以輸入AC90/50Hz(沒打錯,不是60Hz哦),輸出帯載到1.2A剛好出現一點飽和,實際燒機1.0A是不會飽和的,你可以試試,實際燒機后的OCP會在110%左右。

  變壓器10%的誤差太大了點吧,變壓器采用機械研磨誤差沒那么大。

  匝數多可以提高一點電感量,可以讓負載時的頻率輻射低些,當然,你也可以把EFD15的匝數減少些,但EMC的處理就和EPC13一樣需特別注意布線。

  

 

  找不到放大后的圖,就看看這個沒放大的吧。

  把這個波形在示波器上拉寬,看那條上升的斜線,那是電流上升的波形,要保持是一條緩慢上升的斜線,如果在頂端出現突然上升,說明變壓器有飽和跡象。

  當然,變壓器有一點飽和跡象,在實際中是可以長期燒機的,但因為電流突然上升會測試較強的輻射噪音,所以要控制到變壓器不飽和為佳。

  但,不飽和就得再研磨CORE,降低電感量,但CORE研磨多了,氣隙大了,漏感和渦流也會增大,同樣會影響EMC噪音,所以把CORE研磨到零界飽和點是最佳取舍方式。

  先不說你計算電感量的B/H值從何來,你可以權衡下你計算出的電感量在EMC取舍上有此方式直接和有效嗎?我認為我這種方式更有效也更直接。

  空載與滿載切換時,輸出電壓的過沖和下沖與變壓器有一定關系,但此問題主要是PSR IC延時檢測造成的,解決方法我會在后續講解,不是變壓器的問題。我們的客人在別家公司做的產品出了這個問題,而我們的沒有,因此我們接到了一個轉過來的200K訂單呢。

  EMC圖紙我得整理下,因為之前認證整改的產品測試PASS一般就沒管它。

  變壓器的溫升絕對能通過PSE省令一項的標準。

  變壓器進料價格在1.18~1.55RMB之間.

  如果說5%做不到,那肯定是電路沒調好,PSR一般都線損補償功能,如果啟用,輸出線長達3米電壓調整率都可以做到5%以內,我做過最長為3.5米的。

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