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LED照明开关电源设计原理及过程

LED照明开关电源设计原理及过程

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  3.3.8 C1(滤波电容):
  由C1的大小(电容值)可决定变压器计算中的Vin(min)值,电容量愈大,Vin(min)愈高但价格亦愈高,此部分可在电路中实际验证Vin(min)是否正确,若AC Input 范围在90V~132V (Vc1 电压最高约190V),可使用耐压200V的电容;若AC Input 范围在90V~264V(或180V~264V),因Vc1电压最高约380V,所以必须使用耐压400V的电容。
  Re:开关电方设计过祘
  3.3.9 D2(辅助电源二极体):
  整流二极体,一般常用FR105(1A/600V)或BYT42M(1A/1000V),两者主要差异:
  1. 耐压不同(在此处使用差异无所谓)
  2. VF不同(FR105=1.2V,BYT42M=1.4V)
  3.3.10 R10(辅助电源电阻):
  主要用於调整PWM IC的VCC电压,以目前使用的3843而言,设计时VCC必须大於8.4V(Min. Load时),但为考虑输出短路的情况,VCC电压不可设计的太高,以免当输出短路时不保护(或输入瓦数过大)。
  3.3.11 C7(滤波电容):
  辅助电源的滤波电容,提供PWM IC较稳定的直流电压,一般使用100uf/25V电容。
  3.3.12 Z1(Zener 二极体):
  当回授失效时的保护电路,回授失效时输出电压冲高,辅助电源电压相对提高,此时若没有保护电路,可能会造成零件损坏,若在3843 VCC与3843 Pin3脚之间加一个Zener Diode,当回授失效时Zener Diode会崩溃,使得Pin3脚提前到达1V,以此可限制输出电压,达到保护零件的目的。Z1值的大小取决於辅助电源的高低,Z1的决定亦须考虑是否超过Q1的VGS耐压值,原则上使用公司的现有料(一般使用1/2W即可)。



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      3.3.13 R2(启动电阻):
  提供3843第一次启动的路径,第一次启动时透过R2对C7充电,以提供3843 VCC所需的电压,R2阻值较大时,turn on的时间较长,但短路时PIN瓦数较小,R2阻值较小时,turn on的时间较短,短路时Pin瓦数较大,一般使用220KΩ/2W M.O
  3.3.14 R4 (Line Compensation):
  高、低压补偿用,使3843 Pin3脚在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致(一般使用750KΩ~1.5MΩ 1/4W之间)。
  3.3.15 R3,C6,D1 (Snubber):
  此三个零件组成Snubber,调整Snubber的目的:1.当Q1 off瞬间会有Spike产生,调整Snubber可以确保Spike不会超过Q1的耐压值,2.调整Snubber可改善EMI.一般而言,D1使用1N4007(1A/1000V)EMI特性会较好。R3使用2W M.O.电阻,C6的耐压值以两端实际压差为准(一般使用耐压500V的陶质电容)。
  3.3.16 Q1(N-MOS):
  目前常使用的为3A/600V及6A/600V两种,6A/600V的RDS(ON)较3A/600V小,所以温昇会较低,若IDS电流未超过3A,应该先以3A/600V为考量,并以温昇记录来验证,因为6A/600V的价格高於3A/600V许多,Q1的使用亦需考虑VDS是否超过额定值。
  3.3.17 R8:
  R8的作用在保护Q1,避免Q1呈现浮接状态。
  3.3.18 R7(Rs电阻):
  3843 Pin3脚电压最高为1V,R7的大小须与R4配合,以达到高低压平衡的目的,一般使用2W M.O.电阻,设计时先决定R7後再加上R4补偿,一般将3843 Pin3脚电压设计在0.85V~0.95V之间(视瓦数而定,若瓦数较小则不能太接近1V,以免因零件误差而顶到1V)。
  3.3.19 R5,C3(RC fiLTEr):
  滤除3843 Pin3脚的杂讯,R5一般使用1KΩ 1/8W,C3一般使用102P/50V的陶质电容,C3若使用电容值较小者,重载可能不开机(因为3843 Pin3瞬间顶到1V);若使用电容值较大者,也许会有轻载不开机及短路Pin过大的问题。
  3.3.20 R9(Q1 Gate电阻 ):
  R9电阻的大小,会影响到EMI及温昇特性,一般而言阻值大,Q1 turn on / turn off的速度较慢,EMI特性较好,但Q1的温昇较高、效率较低(主要是因为turn off速度较慢);若阻值较小, Q1 turn on / turn off的速度较快,Q1温昇较低、效率较高,但EMI较差,一般使用51Ω-150Ω 1/8W.
  3.3.21 R6,C4(控制振荡频率):
  决定3843的工作频率,可由Data Sheet得到R、C组成的工作频率,C4一般为10nf的电容(误差为5%),R6使用精密电阻,以DA-14B33为例,C4使用103P/50V PE电容,R6为3.74KΩ 1/8W精密电阻,振荡频率约为45 KHz.
  3.3.22 C5:
  功能类似RC filter,主要功用在於使高压轻载较不易振荡,一般使用101P/50V陶质电容。
  3.3.23 U1(PWM IC):
  3843是PWM IC的一种,由Photo Coupler (U2)回授信号控制Duty Cycle的大小,Pin3脚具有限流的作用(最高电压1V),目前所用的3843中,有KA3843(SAMSUNG)及UC3843BN(S.T.)两种,两者脚位相同,但产生的振荡频率略有差异,UC3843BN较KA3843快了约2KHz,fT的增加会衍生出一些问题(例如:EMI问题、短路问题),因KA3843较难买,所以新机种设计时,尽量使用UC3843BN.
  3.3.24 R1、R11、R12、C2(一次侧回路增益控制):
  3843内部有一个Error AMP(误差放大器),R1、R11、R12、C2及Error AMP组成一个负回授电路,用来调整回路增益的稳定度,回路增益,调整不恰当可能会造成振荡或输出电压不正确,一般C2使用立式积层电容(温度持性较好)。
  3.3.25 U2(Photo coupler)
  光耦合器(Photo coupler)主要将二次侧的信号转换到一次侧(以电流的方式),当二次侧的TL431导通後,U2即会将二次侧的电流依比例转换到一次侧,此时3843由Pin6 (output)输出off的信号(Low)来关闭Q1,使用Photo coupler的原因,是为了符合安规需求(primacy to secondary的距离至少需5.6mm)。

      3.3.26 R13(二次侧回路增益控制):
  控制流过Photo coupler的电流,R13阻值较小时,流过Photo coupler的电流较大,U2转换电流较大,回路增益较快(需要确认是否会造成振荡),R13阻值较大时,流过Photo coupler的电流较小,U2转换电流较小,回路增益较慢,虽然较不易造成振荡,但需注意输出电压是否正常。
  3.3.27 U3(TL431)、R15、R16、R18
  调整输出电压的大小, ,输出电压不可超过38V(因为TL431 VKA最大为36V,若再加Photo coupler的VF值,则Vo应在38V以下较安全),TL431的Vref为2.5V,R15及R16并联的目的使输出电压能微调,且R15与R16并联後的值不可太大(尽量在2KΩ以下),以免造成输出不准。
  3.3.28 R14,C9(二次侧回路增益控制):
  控制二次侧的回路增益,一般而言将电容放大会使增益变慢;电容放小会使增益变快,电阻的特性则刚好与电容相反,电阻放大增益变快;电阻放小增益变慢,至於何谓增益调整的最佳值,则可以Dynamic load来量测,即可取得一个最佳值。
  3.3.29 D4(整流二极体):
  因为输出电压为3.3V,而输出电压调整器(Output Voltage Regulator)使用TL431(Vref=2.5V)而非TL432(Vref=1.25V),所以必须多增加一组绕组提供Photo coupler及TL431所需的电源,因为U2及U3所需的电流不大(约10mA左右),二极体耐压值100V即可,所以只需使用1N4148(0.15A/100V)。
  3.3.30 C8(滤波电容):
  因为U2及U3所需的电流不大,所以只要使用1u/50V即可。
  3.3.31 D5(整流二极体):
  输出整流二极体,D5的使用需考虑:
  a. 电流值
  b. 二极体的耐压值
  以DA-14B33为例,输出电流4A,使用10A的二极体(Schottky)应该可以,但经点温昇验证後发现D5温度偏高,所以必须换为15A的二极体,因为10A的VF较15A的VF 值大。耐压部分40V经验证後符合,因此最後使用15A/40V Schottky.
  3.3.32 C10,R17(二次侧snubber) :
  D5在截止的瞬间会有spike产生,若spike超过二极体(D5)的耐压值,二极体会有被击穿的危险,调整snubber可适当的减少spike的电压值,除保护二极体外亦可改善EMI,R17一般使用1/2W的电阻,C10一般使用耐压500V的陶质电容,snubber调整的过程(264V/63Hz)需注意R17,C10是否会过热,应避免此种情况发生。
  3.3.33 C11,C13(滤波电容):
  二次侧第一级滤波电容,应使用内阻较小的电容(LXZ,YXA…),电容选择是否洽当可依以下三点来判定:
  a. 输出Ripple电压是符合规格
  b. 电容温度是否超过额定值
  c. 电容值两端电压是否超过额定值
  3.3.34 R19(假负载):
  适当的使用假负载可使线路更稳定,但假负载的阻值不可太小,否则会影响效率,使用时亦须注意是否超过电阻的额定值(一般设计只使用额定瓦数的一半)。



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3.3.35 L3,C12(LC滤波电路):
  LC滤波电路为第二级滤波,在不影响线路稳定的情况下,一般会将L3 放大(电感量较大),如此C12可使用较小的电容值。
  4 设计验证:(可分为三部分)
  a. 设计阶段验证
  b. 样品制作验证
  c. QE验证
  4.1 设计阶段验证
  设计实验阶段应该养成记录的习惯,记录可以验证实验结果是否与电气规格相符,以下即就DA-14B33设计阶段验证做说明(验证项目视规格而定)。
  4.1.1 电气规格验证:
  4.1.1.1 3843 PIN3脚电压(full load 4A) :
  90V/47Hz = 0.83V
  115V/60Hz = 0.83V
  132V/60Hz = 0.83V
  180V/60Hz = 0.86V
  230V/60Hz = 0.88V
  264V/63Hz = 0.91V
  4.1.1.2 Duty Cycle , fT:
  4.1.1.3 Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load)
  4.1.1.4 Stress (264V / 63Hz full load) :
  Q1 MOSFET:
  4.1.1.5 辅助电源(开机,满载)、短路Pin max.:
  4.1.1.6 StatIC (full load)
  Pin(w) Iin(A) Iout(A) Vout(V) P.F. Ripple(mV) Pout(w) eff
  90V/47Hz 18.7 0.36 4 3.30 0.57 32 13.22 70.7
  115V/60Hz 18.6 031 4 3.30 0.52 28 13.22 71.1

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