工程師實戰(zhàn)經(jīng)驗:PSR原邊反饋開關電源設計的“獨特”方法

　　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(guī)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(guī)計算方式可能會認為CORE太小，做不到，如果現(xiàn)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/1A5W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(shù)為：9.2/0.6mm=15.3Ts,取15Ts。

　　因IC內(nèi)部一般內(nèi)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(nèi)，

　　得：(Vout+VF)*n<100,即：n<100/（5+1）,n<16.6,

　　取n=16.5,得初級匝數(shù)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(wěn)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(shù)就確定下來了。

　　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TAPE1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TAPE1層；

　　再繞次級，包TAPE1層；

　　再繞反饋，包TAPE2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(xiàn)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(jù)，再根據(jù)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(xiàn)在再來驗證以上參數(shù)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EPC13BOBBIN幅寬為6.8mm，

　　次級匝數(shù)為：6.8/0.6=11.3Ts,取11Ts.

　　初級匝數(shù)為：11*16.5=181.5Ts,取182Ts.

　　反饋匝數(shù)為：15/(5+1)*11=27.5Ts,取28Ts.

　　EPC13的繞線方式同EFD15，在這里就不再重復了。

　　以上變壓器設計出的各項差數(shù)是以控制漏感為出發(fā)點的，各項參數(shù)（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(xiàn)交叉，或輸出飛線套鐵氟龍?zhí)坠埽蚬痰闹瞥棠芰Γ紩勾渭壘€圈減少1~2圈，對應的初級和反饋也需根據(jù)匝比減少圈數(shù)；另，目前市場的競爭導致制造商把IC內(nèi)置MOS管的VDS耐壓減小一點來節(jié)省成本，為保留更大的電壓應力余量，需再減少初級匝數(shù)；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(chǎn)品工作在DCM模式。

　　從08年市場上推出PSR原邊反饋方案到現(xiàn)在我一直都有在用此方案設計產(chǎn)品，回顧看看，市場上也出現(xiàn)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COSTDOWN的部分。主要講講COSTDOWN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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(yōu)化設計來控制。

　　但MOS晶圓的COSTDOWN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(nèi)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(yōu)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?zhí)坠芑蜉敵鼍€與BOBBINPIN位交叉，所以需預留1匝空間，得：次級匝數(shù)為：6.8/0.6-1=10.3，取10Ts.

　　再計算初級匝數(shù)，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(shù)，

　　依然取反饋電壓為15V，

　　得，15/（5+0.55）*10=27Ts.

　　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(chǎn)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。