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  • 開關電源設計入門必須注意的細節
    開關電源設計入門必須注意的細節
  • 開關電源設計入門必須注意的細節
  •   發布日期: 2021-08-25  瀏覽次數: 1,076

    一、開關電源設計細節

    1、變壓器圖紙PCB、原理圖這三者的變壓器飛線位號需一致。

    理由:安規認證要求。這是很多工程師在申請安規認證提交資料時會犯的一個毛病。

     

    2、X電容的泄放電阻需放兩組。

    理由:UL62368、CCC認證要求斷開一組電阻再測試X電容的殘留電壓。很多新手會犯的一個錯誤,修正的辦法只能重新改PCB Layout,浪費自己和采購打樣的時間。

    3、變壓器飛線的PCB孔徑需考慮到最大飛線直徑,必要是預留兩組一大一小的PCB孔。

    理由:避免組裝困難或過爐空焊問題。

    因為安規申請認證通常會有一個系列,比如說24W申請一個系列,其中包含4.2V-36V電壓段,輸出低壓4.2V大電流和高壓36V小電流的飛線線徑是不一樣的。

    多根飛線直徑計算參考如下表格:

     

    poYBAGEksJiAU1hAAACI6Q0qbvo984.jpg

     

    4、輸出的DC線材的PCB孔徑需考慮到最大線材直徑。

    理由:避免組裝困難。

    因為你的PCB可能會用在不同電流段上,比如5V/8A,和20V/2A,兩者使用的線材是不一樣的。參考如下表格:

     

    pYYBAGEksJmAcGepAADb1SPKMFQ201.jpg

     

     

    5、電路調試,OCP限流電阻多個并聯的阻值要設計成一樣。

    理由:阻值越大的那顆電阻承受的功率越大6、電路設計,散熱片引腳的孔做成長方形橢圓形(經驗值:2*1mm)。

    理由:避免組裝困難。橢圓形的孔方便散熱器有個移動的空間,這對組裝和過爐是非常有利的。

    7、電路調試,異常測試時,輸出電壓或OVP設計要小于60Vac(Vpk)/42.4Vdc(Vrms)。

    理由:安規要求。這個新手比較容易忽略,所以申請認證的產品一定要做OVP測試,抓輸出瞬間波形。

    8、電路設計,電解電容的防爆孔距離大于2mm,臥式彎腳留1.5mm。

    理由:品質提升。

    一般正規公司都有這個要求,防爆孔的問題日本比較重視,特殊情況除外。

    9、電路調試,輸出有LC濾波的電路需要老化確認紋波,如果紋波異常請調整環路。

    理由:驗證產品穩定性。 這個很重要,我之前經常碰到這個問題,產線老化后測試紋波會變高,現象是環路震蕩。

    10、電路調試,二極管并聯時,應該測試一顆二極管故障開路時,產生的異常(包括TO-220 里的兩顆二極管)。

    理由:品質提升。 小公司一般都不會做這個動作的,一款優秀的產品是要經得起任何考驗的。

    11、電路設計,如果PCB空間充裕,請設計成通殺所有安規標準。

    理由:減少PCB修改次數。

    如果你某一產品是符合UL60335標準,哪天客戶希望滿足UL1310,這時你又得改PCB Layout拿去安規報備了,如果你畫的板符合各類標準,后面的工作會輕松很多。

    12、電路設計,設計變壓器時,VCC電壓在輕載電壓要大于IC的欠壓關斷電壓值。

    判斷空載VCC電壓需大于芯片關斷電壓的5V左右,同時確認滿載時不能大于芯片過壓保護值。

    13、電路設計,設計共用變壓器需考慮到使用最大輸出電壓時的VCC電壓,低溫時VCC有稍微NOSIE會碰觸OVP動作。 如果你的產品9V-15V是共用一個變壓器,請確認VCC電壓和功率管耐壓。

    14、電路調試,Rcs與Ccs值不能過大,否則會造成VDS超過最大耐壓炸機。

    LEB前沿消隱時間設短了,比尖峰脈沖的時間還短,那就沒有效果了還是會誤判;如果設長了,真正的過流來了起不到保護的作用。

    Rcs與Ccs的RC值不可超過1NS的Delay,否則輸出短路時,Vds會比滿載時還高,超過MOSFET最大耐壓就可能造成炸機。 經驗值1nS的Delay約等于1K對100PF,也等于100R對102PF。

    15、畫小板時,在小板引腳的90度拐角處增加一個圓形鉆孔。理由:方便組裝。 如圖:

     

    poYBAGEksJmAdgZGAAAxilGMMTo950.jpg

     

    實物如圖:

     

    pYYBAGEksJqAdq3IAACIS4MkrAM582.jpg

     

    實際組裝如圖:

     

    poYBAGEksJuAOSDQAAApfdGBaJw397.jpg

     

    這樣做可以使小板與PCB大板之間緊密貼合,不會有浮高現象。

    16、電路設計,肖特基的散熱片可以接到輸出正極線路,這樣鐵封的肖特基就不用絕緣墊和絕緣粒。

    17、電路調試,輸出濾波電容的耐壓致少需符合1.2倍余量,避勉量產有損壞現象。

    之前是犯了這個很低級的錯誤,14.5V輸出用16V耐壓電容,量產有1%的電容失效不良。

    18、電路設計,大電容或其它電容做成臥式時,底部如有跳線需放在負極電位,這樣跳線可以不用穿套管。 這個可以節省成本。

    19、整流橋堆、二極管或肖特基,晶元大小元件承認書或在BOM表要有描述,如67mil。

    理由:管控供應商送貨一至性,避免供應商偷工減料,影響產品效率。

    另人煩腦的就是供應商做手腳,導致一整批試產的產品過不了六級能效,原因就是肖特基內部晶元用小導致。

    20、電路設計,啟動電阻如果使用在整流前時,要加串一顆幾百K的電阻。

    理由:電阻短路時,不會造成IC和MOSFET損壞。

    21、電路設計,高壓大電容并一顆103P瓷片電容位置。

    理由:對幅射30-60MHz都有一定的作用。 空間允許的話PCB Layout留一個位置吧,方便EMI整改。

    22、在進行EMS項目測試時,需測試出產品的最大程序,直到產品損壞為止。

    例如ESD 雷擊等,一定要打到產品損壞為止,并做好相關記錄,看產品余量有多少,做到心中有數。

    23、電路設計,異常測試時,短路開路某個元件如果還有輸出電壓則要進行LPS測試,過流點不能超過8A。

    超過8A是不能申請LPS的。

    24、安規開殼樣機,所有可選插件元件要裝上供拍照用,L、N線和DC線與PCB要點白膠固定。

    這個是經常犯的一個毛病,經常一股勁的把樣品送到第三方機構,后面來來回回改來改去的。

    25、電路調試,冷機時PSR需1.15倍電流能開機,SSR需1.3倍電流能開機,避免老化后啟動不良。

    PSR現在很多芯片都可以實現“零恢復”OCP電流。

    26、電路設計,請注意使用的Y電容總容量,不能超過222P,因為有漏電流的影響。

    針對不同安規,漏電流要求也不一樣,在設計時需特別留意。

    27、反激拓補結構,變壓器B值需小于3500高斯,如果變壓器飽和一切動作將會失控,如下,上圖為正常,下圖為飽和。

     

    pYYBAGEksJyABBxrAAAybZxWlkk515.jpgpoYBAGEksJyAD3UvAAAz8w2Zcqs990.jpg

     

    變壓器的磁飽和一定要確認,重重之重,這是首條安全性能保障,包括過流點的磁飽和、開機瞬間的磁飽和、輸出短路的磁飽和、高溫下的磁飽和、高低壓的磁飽和。

    28、結構設計,散熱片使用螺絲固定參考以下表格設計,實際應用中應增加0.5-1mm余量,參考如下表格:

     

    pYYBAGEksJ2AI1BcAAAg_1zDWnQ101.jpg

     

    BOM表上寫的螺絲規格一定要對,不然量產時會讓你難受。

    29、結構設計,AC PIN焊線材的需使用勾焊,如果不是則要點白膠固定。

    理由:安規要求。經常被第三方機構退回樣品,整改30、傳導整改,分段處理經驗,如下圖,這只是處理的一種方法,有些情況并不是能直接套用。

     

    poYBAGEksJ2ASJnaAABkZqrtD4Y448.jpg

     

    31、關于PCB碰到的問題,如圖,為什么99SE畫板覆銅填充的時候填不滿這個位置?像是有死銅一樣。

     

    pYYBAGEksJ6AVuTrAADq1Gdqxw4291.jpg

     

     

     

    poYBAGEksJ-Ab4h7AAB3iTggZHA448.jpg

     

    D1這個元件有個文字描述的屬性放在了頂層銅箔,如圖:

     

    poYBAGEksKCAHLz6AABseA5eLzk898.jpgpYYBAGEksKCAVnmKAACI3r_w2kg676.jpg

     

    把它放到頂層絲印后,完美解決。

     

    poYBAGEksKGAIAZYAABtNIxuBYc262.jpgpoYBAGEksKGAfKHyAABmevlDj7U669.jpg

     

    32、變壓器銅箔屏蔽主要針對傳導,線屏蔽主要針對輻射,當傳導非常好的時候,有可能你的輻射會差,這個時候把變壓器的銅箔屏蔽改成線屏蔽,盡量壓低30M下降的位置,這樣整改輻射會快很多。

    EMI整改技巧之一。

    33、測試輻射的時候,多帶點不同品牌的MOS、肖特基。有的時候只差2、3dB的時候換一個不同品牌會有驚喜。

    EMI整改技巧之二。

    34、VCC上的整流二極管,這個對輻射影響也是很大的。

    一個慘痛案例,一款過了EMI的產品,余量都有4dB以上,量產很多次了,其中有一次量產抽檢EMI發現輻射超1dB左右,不良率有50%,經過層層排查、一個個元件對換。最終發現是VCC上的整流二極管引發的問題,更換之前的管子(留低樣品),余量有4dB。對不良管子分析,發現管子內部供應商做了鏡像處理。

    35、一個冷知識,如何測量PCB的銅箔厚度?

    方法:在PCB板上找一條光滑且長的線條,測量其長度L,再測寬度W,再用DC源加1A電流在其兩端測得壓降U。

    依據電阻率公式得出以下公式:

     

    pYYBAGEksKKAbKo9AAAUJar82Ok991.jpg

     

    例:取一段PCB銅箔,長度L為40mm,寬度為10mm,其通過1A電流兩端壓降為0.005V,求該段銅箔厚度為多少um?

     

    poYBAGEksKKAfpxlAAATNUFCME0579.png

     

    36、一款36W適配器的EMI整改案例,輸出12V/3A,多圖對比,整改花費時間3周。

    變壓器繞法一:Np1→VCC→Ns1→Ns2→銅屏蔽0.9Ts→Np2

    PCB關鍵布局:Y電容地→大電容地,變壓器地→Vcc電容→大電容地

    注:變壓器所有出線沒有交叉。

     

    pYYBAGEksKKAU5VtAACv7Ybz5y8186.jpg圖一(115Vac)

     

    圖一所示可以看到,130-200M處情況并不樂觀;

    130-200M主要原因在于PCB布局問題和二次側的肖特基回路,改其它地方作用不大,肖特基套磁珠可以完全壓下來。

    為了節約成本,公司并不讓我這樣做,因為套磁珠影響了成本,當即NG掉此PCB布局,采用圖一a方式PCB關鍵布局走線。

    變壓器繞法不變:Np1→VCC→Ns1→Ns2→銅屏蔽0.9Ts→Np2

    PCB關鍵布局:Y電容地→變壓器地→大電容地

    注:變壓器內部的初級出線及次級出線有交叉。

     

    poYBAGEksKOAbZwzAABM_d2vqC0272.jpg圖一a (115Vac)

     

    圖一a可以看出,改變PCB布局后130M-200M已經完全被衰減,但是30-130M沒有圖一效果好,可能變壓器出線無交叉好一些。仔細觀察,此IC具有抖頻功能,傳導部分頻段削掉了一些尖峰;

     

    pYYBAGEksKSAHAICAACwNLbH6cg890.jpg圖一b(230Vac)

     

    圖一b可以看到,輸入電壓在230Vac測試時,65M和83M位置有點頂線(紅色線)

     

    poYBAGEksKSAN3rCAACvptdRneQ108.jpg圖一b-1(230Vac)

     

    原邊吸收電容由471P加大到102P,65M位置壓下來一點,后面還是有點高,如圖一b-1所示;

     

    pYYBAGEksKWAGoiCAACzKqCtQq0500.jpg圖一b-2(230Vac)

     

    變壓器屏蔽改成線屏蔽(0.2*1*30Ts),后面完全衰減,如圖一b-2;

     

    pYYBAGEksKWAavZvAACwg8vsOUI948.jpg圖一b-3(115Vac)

     

    115Vac輸入測試,后面150M又超了,高壓好了低壓又不行,惱火啊!看來這招不行;

     

    poYBAGEksKaAOtwqAACy5oHiWmg035.jpg圖一b-4(115Vac)

     

    變壓器屏蔽還是換成銅箔屏蔽(圈數由0.9Ts改成1.3Ts),效果不錯,如圖一b-4所示。

     

    pYYBAGEksKaANgfsAACweK40v1A476.jpg圖一b-5(230Vac)

     

    115Vac輸入測試,測試通過。

    結論:

    一、變壓器出線需做到不交叉;

    二、Y電容回路走線越短越好先經過變壓器地再回到大電容地,不與其它信號線交叉;

    37、一款48W(36V/1.33A)整改EMI案例,僅僅是調整了肖特基吸收就把30-40M壓下來。

     

    poYBAGEksKeAa7O5AAC8vKBjp-g656.jpg115Vac低壓30M紅色頂線pYYBAGEksKeAGLgGAACwQy5aDP8619.jpg230Vac高壓30M紅色也頂線

     

    調整肖特基吸收后:

     

    poYBAGEksKiAP8gBAAC0HUxYldw801.jpg115Vac低壓,走勢圖非常漂亮pYYBAGEksKmADKl8AAC6meUFOsM977.jpg230Vac高壓,走勢圖非常漂亮

     

    38、剛入門使用CAD、PADS上容易遇到的問題。

    a、PADS畫好的PCB導出為DXF文件,CAD打開后是由雙線組成的空心線段,如圖:

     

    poYBAGEksKmAElSIAABUgl4oeYI478.jpg

     

    剛開始不會時,是用L命令一根一根的描。使用多次后,解決方法是使用X命令就可以變成單根線。

    b、CAD圖檔線框轉PADS做PCB外框圖方法:

    step1、在CAD里面刪掉沒有的線,只剩下板框,其它線也可以不刪。

    step2、在鍵盤上敲PE,回車,鼠標點中其中一邊,再敲Y,回車,再敲J,回車,拖動鼠標把整個板框選中,回車,按Esc鍵退出此模式。

    step3、比例調整,SC 按空格,選取整個板框,按空格,任意地方單擊鼠標一下, 比例:39.37 ,按空格。

    39、在畫PCB定義變壓器腳位時,要考慮到變壓器的進線和出線是否會交叉,因為各繞組之間的繞線在邊界處存在有45-90度的交叉,需在交叉出線處加一個套管到pin腳

     

    pYYBAGEksKqAXdwoAABfzGnP37Y164.jpg

     

    40、PCB的熱點區域一定要遠離輸入、輸出端子,防止噪聲源串到線上導致EMI變差,在不得已而為之時,可增加地線或其它屏蔽方式進行隔離,如下圖增加了一條地線進行有效隔離。

     

    poYBAGEksKqAQ7dGAAF7VQed8-w871.jpg

     

    需注意這條地線的安全距離。

    41、驅動電阻盡量靠近MOS、電流采樣的電阻盡量靠近芯片,避免產生其它看不到的后果。

    PCB布局鐵律。

    42、分享一個輻射整改案例,一個長條形散熱片有2個腳,2只腳都接地,輻射硬是整不過,后來把其中一只腳懸空,輻射頻段變好。后面分析原因是2只腳接地會產生磁場回路。

    43、配有風扇的電源,PCB布局要考慮風路。

    一定要讓風跑出去。

    44、棒型電感兩條腿之間,切記,切記,切記,禁止走弱信號走線,否則發生的意外你都找不到原因。

    45、變壓器磁芯形狀選用小結。

    a、EE,EI,EF,EEL類,常用來制作中小功率的變壓器,成本低,工藝簡單。

    b、EFD,EPC類,常用來制作對高度有限制的產品,適合做中小功率類。

    c、EER,ERL,ETD類,常用來制作大中型功率的變壓器,特別適合用來制作多路輸出的大功率主變壓器,且變壓器漏感較小,比較容易符合安規。

    d、PQ,EQ,LP類,該磁芯的中間柱較一般的磁芯要大,產品漏感較小,適合做小體積大功率的變壓器,輸出組數不能過多。

    e、RM,POT類,常用來制作通訊類或中小功率高頻變壓器,本身的磁屏蔽很好,容易滿足EMC特性。

    f、EDR類,一般常用于LED驅動,產品厚度要求薄,變壓器制做工藝復雜。

    46、某些元器件或導線之間可能有較高電位差,應加大它們之間的距離,以免放電引出意外短路。

    如反激一次側的高壓MOS的D、S之間距離,依據公式500V對應0.85mm,DS電壓在700V以下是0.9mm,考慮到污染和潮濕,一般取1.2mm。

    47、如果TO220封裝的MOS的D腳串了磁珠,需要考慮T腳增加安全距離。 之前碰到過炸機現象,增加安全距離后解決了,因為磁珠容易沾上殘留物。

    48、發一個驗證VCC的土方法,把產品放低溫環境(冰箱)幾分鐘,測試VCC波形電壓有沒有觸發到芯片欠壓保護點。 小公司設備沒那么全,有興趣的可以做個對比,看看VCC差異有多大。關于VCC圈數的設計需要考慮很多因素。

    49、在變壓器底部PCB加通風孔,有利于散熱,小板也一樣,要考慮風路。

    在安規認證,變壓器溫度超了2度左右時,可以用這個方法。

    50、跳線旁邊有高壓元件時,應要保持安全距離,特別是容易活動或歪斜的元件。

    保證產品量產時的穩定性。

    51、輸出大電解底部不得已要走跳線時,跳線應是低壓或是地線,為防止過波峰焊燙傷電容,一般加套管。

    設計的時候盡量避免電容底部走跳線,因為增加成本和隱患。

    52、高頻開關管平貼PCB時,PCB另一面不要放芯片等敏感器件。

    理由:開關管工作時容易干擾到背部的芯片,造成系統不穩定,其它高頻器件同理。

    53、輸出的DC線在PCB設計時,要設計成長短一至,焊盤孔間隔要小。

    理由:SR的尾部留長是一樣長的,當兩個焊盤孔間隔太遠時,會造成不方便生產焊接

    54、MOS管、變壓器遠離AC端,改善EMI傳導。

    理由:高頻信號會通過AC端耦合出去,從而噪聲源被EMI設備檢測到引起EMI問題。

    55、驅動電阻應靠近MOS管。

    理由:增加抗干擾能力,提升系統穩定性。


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