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120W電源適配器設計過程

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120W電源適配器設計過程

伴隨著電子類產(chǎn)品在人們?nèi)粘Ｉ钪饾u增多的使用，而任何的電子類產(chǎn)品也都依靠電源適配器，繼而也產(chǎn)生了許多難題，如能源消耗和生命安全等等。世界各國對電源適配器產(chǎn)品都會有相對應的法規(guī)標準，~CCC、UL、TUV、CE、FCC等，所以說如何為消費者提供一個安全性強，功能好，費用也實惠的電源適配器產(chǎn)品，是任何電源工程師都必須面臨的難題。下面主要結(jié)合東莞市玖琪實業(yè)有限公司用實例講解其在120W功率范圍內(nèi)的使用成本和性能上的優(yōu)點。
設計考量
電源工程師拿到一個電源適配器產(chǎn)品的設計需求時，大多數(shù)會按圖1所表示的順序來考量；
系統(tǒng)規(guī)格
首先要了解電源適配器的規(guī)格，如電源適配器輸入電壓必要條件，輸出電壓和電流規(guī)格，工作效率和輸入電流諧波需求(簡稱THD)，還有產(chǎn)品的外型尺寸，安全標準及使用環(huán)境等。

電源適配器結(jié)構(gòu)

按照規(guī)格標準挑選適宜的電源適配器結(jié)構(gòu)(常見有反激式，正激式，雙管正激，半橋諧振式，全橋等)確認所挑選的電源適配器結(jié)構(gòu)的成本是否還可以滿足要求，在滿足電源設計規(guī)格的基礎上，盡可能選用性價比高的方案，以提高產(chǎn)品競爭力。

120W電源適配器設計過程       120W電源適配器設計過程

挑選適宜電源適配器的結(jié)構(gòu)對初次進行設計的人可能會有些困難，通常電源工程師都會依據(jù)經(jīng)驗按電源適配器的功率范圍來挑選幾種常用到的拓撲結(jié)構(gòu)，如小于100W的電源適配器可選反激式結(jié)構(gòu)，小于300W可選半橋諧振或正激，小于500W還可以挑選雙管正激，大于500W可以用全橋，再依照所選的電路結(jié)構(gòu)來挑選主要芯片和變壓器類型。
磁性元件
先計算出變壓器的需求規(guī)格，可以用AP值來挑選適宜的變壓器型號，變壓器的種類也非常多，圖2列出了幾種常用的變壓器磁芯形狀，通常還可以從如下幾個方面挑選：
外型尺寸
盡量在變壓器骨架目錄里找出與設計標準相符的型號，如變壓器的長，寬，高及腳位數(shù)和腳距離都要滿足設計的標準；
磁性材料
還可以按照電源適配器工作頻率和電感電流的類型來挑選適宜的材料，如工作頻率在50KHz左右和不連續(xù)電流時，材料大多數(shù)會挑選鐵氧體；連續(xù)電流時，電感需要有較小的電流紋波和小的磁滯曲線，鐵氧體會受到飽和必要條件的限定，因此電感通常用磁飽和密度更高的磁芯，如Kool-mu，Powderediron等；
成本
變壓器骨架型號的實用性，實用性廣，費用就會低；另一方面，變壓器用的繞線規(guī)格也是有差異，由于安全距離的考量，要用三層絕緣線的變壓器成本會比用漆包線的費用高；如PQ，RM，POT型的繞線空間比ER，EE型的小，因此都就要使用三層絕緣線才能滿足安規(guī)標準；
性能
磁芯和繞線結(jié)合的面積越大，漏磁就會越少，像PQ，RM，POT型結(jié)構(gòu)屏蔽會[：BEE，ER型好，在漏感損耗和電磁干擾領域都要好一點，當然，如諧振架構(gòu)的電源就必須使用變壓器的漏感，因此 在諧振的電路里，ER型的使用比較多。之后的范例中會詳細介紹斷續(xù)式PFC的電感和準諧振DC／DC變壓器的選擇和計算。
線路圖和PCB設計
下一步便是思考整個線路了：關鍵思考電磁干擾，保護功能，輸出是多路時的調(diào)整率和時序問題；線路圖設計完成后，再做好電路板布局，布局時必須注意安全距離，電磁干擾，元件散熱方式，芯片反饋環(huán)路走線，大電流回路和接地回路走線等問題，因為線路板的布局能直接影響到產(chǎn)品的調(diào)試和性能。
功率器件(MOSFET和整流管)
功率器件規(guī)格先由設計做好理論計算，確定最大應力值，再根據(jù)實際檢測的結(jié)果來最終選定功率器件的電壓和電流等規(guī)格的參數(shù)。
電氣性能調(diào)試
整個電源第一次裝上元件后，可以先按功能塊來分別調(diào)試，每部分功能都調(diào)試好后，再合在一起檢測性能。~nPFC部分，DC／DC部分，輔助電源，保護電路等。必須檢測的內(nèi)容有：電源的輸出電壓調(diào)整率，電壓紋波，電源保護功能等，檢驗電感是否飽和，關鍵開關管的最大應力和溫度是否有足夠余量。
安全驗證
下一步，就可做好產(chǎn)品安全領域的檢測和驗證了，如電磁干擾檢測，溫升檢測(關鍵開關管，電感，變壓器，電容的最大工作溫度是否在其規(guī)格范圍內(nèi))；產(chǎn)品安全性測試，如雷擊檢測，絕緣耐壓測試，電源老化實驗，抗靜電檢測等，最后還要計算整個電源的平均失效時間等。
設計流程
步驟．1：確定系統(tǒng)規(guī)格

通過以上的詳細介紹后，大家會對電源的設計步驟有了一個簡單的了解。下面用一個120W的電源設計范例來進一步詳細介紹設計過程，電源需求規(guī)格如下表：


項目 規(guī)格
輸入 電壓(Vin)
 90～264VlaC
輸出功率(Pout)l
 20W
輸出電壓(Vout) 19V
輸出電流
 6．3A
電壓調(diào)整率
 <5％
平均效率
 >87％
功率因數(shù)
 (PF)>0．9
諧波
 <l5％
安規(guī)標準
 IEC61000
保護要求
 短路，過壓，過功率，過溫
尺寸
 150x50x30
散熱方式
 自然

步驟．2：選擇電源結(jié)構(gòu)
電源功率范圍選擇可以選擇反激或半橋結(jié)構(gòu)，如果成本壓力大的話，用反激式DC／DC的結(jié)構(gòu)是不錯的選擇。
步驟．3：選擇PFC和DC／DC芯片
因為有功率因數(shù)(簡稱PF)的要求，因此 必須PFC芯片。選擇DC／DC控制芯片：考慮到效率和電磁干擾及成本因素，用準諧振結(jié)構(gòu)來完成直流一直流轉(zhuǎn)換，可以選用玖琪的FAN6300準諧振芯片。
最近玖琪針對需要PFC的準諧振應用，推出了集成度更高的芯片F(xiàn)AN6921，它集成了FAN6961和FAN6300的所有功能，并增加了如輸入欠壓保護和過溫保護，高低壓輸入過功率補償?shù)裙δ?。另外，在平均效率和待機功耗方面都有不錯的表現(xiàn)。FAN6921的外圍元件總數(shù)還要比前面提到的PFC芯片F(xiàn)AN6961和DC／DC芯片F(xiàn)AN63O0分開式結(jié)構(gòu)要少20個左右，故在元件成本和性能方面都非常有優(yōu)勢。因此，選用飛~LFAN6921最為合適。

步驟．4：選擇PFC電感和DC／DC變壓器
考慮到產(chǎn)品尺寸不大，PFC部分選擇RM形狀的磁芯，DC／DC部分選PQ形狀的磁芯，這種兩種形狀的磁芯漏磁少，Ae值$13Aw值也比較大，在效率和電磁輻射方面都有優(yōu)勢。

步驟．5：設計PFC電感
計算功率因數(shù)矯正(PFC)電感和直流轉(zhuǎn)換(DC／DC)變壓器規(guī)格及主要開關管整流管選擇，計算前，需要預先設定幾個PFC部分的參數(shù)：

計算PFC最小電感量

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| 發(fā)布時間：2020.12.22    來源：
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