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120W电源适配器设计过程

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120W电源适配器设计过程

伴随着电子类产品在人们日常生活逐渐增多的使用,而任何的电子类产品也都依靠电源适配器,继而也产生了许多难题,如能源消耗和生命安全等等。世界各国对电源适配器产品都会有相对应的法规标准,~CCC、UL、TUV、CE、FCC等,所以说如何为消费者提供一个安全性强,功能好,费用也实惠的电源适配器产品,是任何电源工程师都必须面临的难题。下面主要结合欧冠足球官网用实例讲解其在120W功率范围内的使用成本和性能上的优点。
设计考量
电源工程师拿到一个电源适配器产品的设计需求时,大多数会按图1所表示的顺序来考量;
系统规格
首先要了解电源适配器的规格,如电源适配器输入电压必要条件,输出电压和电流规格,工作效率和输入电流谐波需求(简称THD),还有产品的外型尺寸,安全标准及使用环境等。

电源适配器结构

按照规格标准挑选适宜的电源适配器结构(常见有反激式,正激式,双管正激,半桥谐振式,全桥等)确认所挑选的电源适配器结构的成本是否还可以满足要求,在满足电源设计规格的基础上,尽可能选用性价比高的方案,以提高产品竞争力。

120W电源适配器设计过程       120W电源适配器设计过程

挑选适宜电源适配器的结构对初次进行设计的人可能会有些困难,通常电源工程师都会依据经验按电源适配器的功率范围来挑选几种常用到的拓扑结构,如小于100W的电源适配器可选反激式结构,小于300W可选半桥谐振或正激,小于500W还可以挑选双管正激,大于500W可以用全桥,再依照所选的电路结构来挑选主要芯片和变压器类型。
磁性元件
先计算出变压器的需求规格,可以用AP值来挑选适宜的变压器型号,变压器的种类也非常多,图2列出了几种常用的变压器磁芯形状,通常还可以从如下几个方面挑选:
外型尺寸
尽量在变压器骨架目录里找出与设计标准相符的型号,如变压器的长,宽,高及脚位数和脚距离都要满足设计的标准;
磁性材料
还可以按照电源适配器工作频率和电感电流的类型来挑选适宜的材料,如工作频率在50KHz左右和不连续电流时,材料大多数会挑选铁氧体;连续电流时,电感需要有较小的电流纹波和小的磁滞曲线,铁氧体会受到饱和必要条件的限定,因此电感通常用磁饱和密度更高的磁芯,如Kool-mu,Powderediron等;
成本
变压器骨架型号的实用性,实用性广,费用就会低;另一方面,变压器用的绕线规格也是有差异,由于安全距离的考量,要用三层绝缘线的变压器成本会比用漆包线的费用高;如PQ,RM,POT型的绕线空间比ER,EE型的小,因此都就要使用三层绝缘线才能满足安规标准;
性能
磁芯和绕线结合的面积越大,漏磁就会越少,像PQ,RM,POT型结构屏蔽会[:BEE,ER型好,在漏感损耗和电磁干扰领域都要好一点,当然,如谐振架构的电源就必须使用变压器的漏感,因此 在谐振的电路里,ER型的使用比较多。之后的范例中会详细介绍断续式PFC的电感和准谐振DC/DC变压器的选择和计算。
线路图和PCB设计
下一步便是思考整个线路了:关键思考电磁干扰,保护功能,输出是多路时的调整率和时序问题;线路图设计完成后,再做好电路板布局,布局时必须注意安全距离,电磁干扰,元件散热方式,芯片反馈环路走线,大电流回路和接地回路走线等问题,因为线路板的布局能直接影响到产品的调试和性能。
功率器件(MOSFET和整流管)
功率器件规格先由设计做好理论计算,确定最大应力值,再根据实际检测的结果来最终选定功率器件的电压和电流等规格的参数。
电气性能调试
整个电源第一次装上元件后,可以先按功能块来分别调试,每部分功能都调试好后,再合在一起检测性能。~nPFC部分,DC/DC部分,辅助电源,保护电路等。必须检测的内容有:电源的输出电压调整率,电压纹波,电源保护功能等,检验电感是否饱和,关键开关管的最大应力和温度是否有足够余量。
安全验证
下一步,就可做好产品安全领域的检测和验证了,如电磁干扰检测,温升检测(关键开关管,电感,变压器,电容的最大工作温度是否在其规格范围内);产品安全性测试,如雷击检测,绝缘耐压测试,电源老化实验,抗静电检测等,最后还要计算整个电源的平均失效时间等。
设计流程
步骤.1:确定系统规格

通过以上的详细介绍后,大家会对电源的设计步骤有了一个简单的了解。下面用一个120W的电源设计范例来进一步详细介绍设计过程,电源需求规格如下表:


项目 规格
输入 电压(Vin)
90~264VlaC
输出功率(Pout)l
20W
输出电压(Vout) 19V
输出电流
6.3A
电压调整率
<5%
平均效率
>87%
功率因数
(PF)>0.9
谐波
<l5%
安规标准
IEC61000
保护要求
短路,过压,过功率,过温
尺寸
150x50x30
散热方式
自然

步骤.2:选择电源结构
电源功率范围选择可以选择反激或半桥结构,如果成本压力大的话,用反激式DC/DC的结构是不错的选择。
步骤.3:选择PFC和DC/DC芯片
因为有功率因数(简称PF)的要求,因此 必须PFC芯片。选择DC/DC控制芯片:考虑到效率和电磁干扰及成本因素,用准谐振结构来完成直流一直流转换,可以选用玖琪的FAN6300准谐振芯片。
最近玖琪针对需要PFC的准谐振应用,推出了集成度更高的芯片FAN6921,它集成了FAN6961和FAN6300的所有功能,并增加了如输入欠压保护和过温保护,高低压输入过功率补偿等功能。另外,在平均效率和待机功耗方面都有不错的表现。FAN6921的外围元件总数还要比前面提到的PFC芯片FAN6961和DC/DC芯片FAN63O0分开式结构要少20个左右,故在元件成本和性能方面都非常有优势。因此,选用飞~LFAN6921最为合适。

步骤.4:选择PFC电感和DC/DC变压器
考虑到产品尺寸不大,PFC部分选择RM形状的磁芯,DC/DC部分选PQ形状的磁芯,这种两种形状的磁芯漏磁少,Ae值$13Aw值也比较大,在效率和电磁辐射方面都有优势。

步骤.5:设计PFC电感
计算功率因数矫正(PFC)电感和直流转换(DC/DC)变压器规格及主要开关管整流管选择,计算前,需要预先设定几个PFC部分的参数:

计算PFC最小电感量

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| 发布时间:2020.12.22    来源:
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