电源研发老兵,多年的技术笔记曝光!

电源研发精英圈 2019-04-23 20:30

这些年都用到了很多的电源拓扑结构(BUCK,BOOST,FLYBACK,LLC),设计产品,做认证,到量产,设计中和调试时种种意想不到的情况时有发生,算算还是挺有意思的。

按照流水账方式做个记录,顺便自己也可以复习一下之前的知识点,有不对的地方还望大家批评指正。


BUCK电路降压电路输出电压小于输入电压。

调试中碰到的问题

PWM占空比不稳定,大小波,负载切载时输出有抖动,起机过冲,满载起机抖动,批量生产有少量IC损坏。EMC的问题,辐射超标。

1PWM占空比不稳定,大小波。可以通过调节环路参数来处理,如图上的C2,R2,C1,R1。设计可以参考《开关电源设计第三版》第12章图12.12。对于改这2个参数无效果的那就要反推设计中的电感和电容是否合适,直接点就是看电感的电流波形,采用电感的串并联观察PWM波形变化。另外,IC的占空比如果在极限附近,如占空比90%,工作时达到88%同样也会影响PWM的大小波,这个时候要考虑是否更换占空比更大的IC。

7选型需要注意的部分,开关器件都有最大电压和电流的范围,要挂波形看管子的应力是否有余量,如果有-40℃的设计要降额,MOSFET的DS电压会下降,电容的容量下降,ESR增大,高温情况需看电感的参数,外购的电感温度范围一般在85℃,如果电感温度过高,环境温度过高会有匝间短路的风险。

BOOST电路做的案子不多,碰到的问题比较少,有用模拟IC做的,也有用单片机做的,感觉这个环路比BUCK容易调整(之前的案子,功率小于60W)。

碰到过很小的体积做LED60W电源,温度不好整,最后用了铁硅铝的磁环搞定了。

FLYBACK这个是小功率电源应用很广泛的拓扑了,大家分析也是特别多的。

我讲讲一款产品从设计到量产过程中的一个流程好了,以及其中碰到的问题和一些经验。


借鉴下NXP的这个TEA1832图纸做个说明。分析里面的电路参数设计与优化并做到认证至量产。

在所有的元器件中尽量选择公司仓库里面的元件,和量大的元件,方便后续降成本拿价格。

贴片电阻采用0603的5%,0805的5%,1%,贴片电容容值越大价格越高,设计时需考虑。

1输入端,FUSE选择需要考虑到I2T参数。保险丝的分类,快断,慢断,电流,电压值,保险丝的认证是否齐全。保险丝前的安规距离2.5mm以上。设计时尽量放到3mm以上。需考虑打雷击时,保险丝I2T是否有余量,会不会打挂掉。


原理图定型后就可以开始画PCB了。

PCB与元器件回来就可以开始制样做功能调试了。

6输出能带载了,带满载变压器有响声,输出电压纹波大。挂PWM波形,是否有大小波或者开几十个周期,停几十个周期,这样的情况调节环路。431上的C与RC,现在的很多IC内部都已经集成了补偿,环路都比较好调整。环路调节没有效果,可以计算下电感感量太大或者太小,也可以重新核算Isense电阻,是否IC已经认为Isense电阻电压较小,IC工作在brust mode。可以更改Isense电阻阻值测试。

7高低压都能带满载了,波形也正常了。测试电源效率,输入90V与264V时效率尽量做到一致(改占空比,匝比),方便后续安规测试温升。电源效率一般参考老机种效率,或者查能效等级里面的标准参考。

8输出纹波测试,一般都有要求用47uF+104,或者10uF+104电容测试。这个电解电容的容值影响纹波电压,电容的高频低阻特性(不同品牌和系列)也会影响纹波电压。示波器测试纹波时探头上用弹簧测试探头测试可以避免干扰尖峰。输出纹波搞不定的情况下,可以改容量,改电容的系列,甚至考虑采用固态电容。

9输出过流保护,客户要求精度高的,要在次级放电流保护电路,要求精度不高的,一般初级做过流保护,大部分IC都有集成过流或者过功率保护。过流保护一般放大1.1-1.5倍输出电流。最大输出电流时,元器件的应力都需要测试,并留有余量。电流保护如增加反馈环路可以做成恒流模式,无反馈环路一般为打嗝保护模式。做好过流保护还需要测试满载+电解电容的测试,客户端有时提出的要求并未给出是否是容性负载,能带多大的电容起机测试了后心里比较有底。

10输出过压保护,稳定性要求高的客户会要求放2个光耦,1个正常工作的,一个是做过压保护的。无要求的,在VCC的辅助绕组处增加过压保护电路,或者IC里面已经有集成的过压保护,外围器件很少。

11过温保护一般要看具体情况添加的,安规做高温测试时对温度都有要求,能满足安规要求温度都还可以,除非环境复杂或者异常情况,需要增加过温保护电路。

12启动时间,一般要求为2S,或者3S内起机,都比较好做,待机功耗做到很低功率的方案,一般IC都考虑好了。没有什么问题。

13上升时间和过冲,这个通过调节软启动和环路响应实现。

14负载调整率和线性调整率都是通过调节环路响应来实现。

15保持时间,更改输入大电容容量即可。

16输出短路保护,现在IC的短路保护越做越好,一般短路时,IC的VCC辅助绕组电压低,IC靠启动电阻供电,IC启动后,Isense脚检测过流会做短路保护,停止PWM输出。一般在264V输入时短路功率最大,短路功率控制住2W以内比较安全。短路时需要测试MOSFET的电流与电压,并通过查看 MOSFET的SOA图(安全工作区)对应短路是否超出设计范围。

其他异常情况和注意:

1空载起机后,输出电压跳。有可能是轻载时VCC的辅助绕组感应电压低导致,增加VCC绕组匝数,还有可能是输出反馈环路不稳定,需要更新环路参数。

2带载起机或者空载切重载时电压起不来。重载时,VCC辅助绕组电压高,需查看是否过压,或者是过流保护动作。

还有变压器设计时按照正常输出带载设计,导致重载或者过流保护前变压器饱和。

3元器件的应力都应测试,满载、过载、异常测试时元器件应力都应有余量,余量大小看公司规定和成本考虑。

性能测试与调试基本完成。调试时把自己想成是设计这颗IC的人,就能好好理解IC的工作情况并快速解决问题。

这些全都按记忆写的,有点乱,有些没有记录到,后续想到了再补上。

基本性能测试后就要做安规EMC方面的准备了。


8低温起机。一般便宜的电源,温度范围是0-45℃,贵的,工业类,或者LED什么的有要求-40℃-60℃,甚至到85℃。-40℃的时候输入NTC增大了N倍,输入电解电容明显不够用了,ESR很大,还有PFC如果用500V的 MOSFET也是有点危险的(低温时MOSFET的耐压值变低)。之前碰到过90V输入的时候输出电压跳,或者是LED闪几次才正常起来。增加输入电容容量,改小NTC,增加VCC电容,软启动时间加长,初级限流(输入容量不够,导致电压很低,电流很大,触发保护)从1.2倍放大到1.5倍,IC的VCC绕组增加2T辅助电压抬高;查找保护线路是否太极限,低温被触发(如PFC过压易被触发)。

本性能和安规基本问题解决掉,剩下个传导和辐射问题。这个时候可以跟客户谈后续价格,自己优化下线路。

跟安规工程师确认安规问题,跟产线的工程师确认后续PCB上元器件是否需要做位置的更改,产线是否方便操作等问题。或者有打AI,过回流焊波峰焊的问题,及时对元器件调整。

传导和辐射测试大家看得比较多

网上论坛里面也讲的多,实际上这个是个砸钱的事情。砸钱砸多了,自然就会了,整改也就快了。能改的地方就那么几个。

6MOSFET吸收,DS直接顶多能接个221,要不温度就太高了,一般47pF,100pF。RCD吸收,可以在C上串个10-47Ω电阻吸收尖峰。还可以在D上串10-100Ω的电阻,MOSFET的驱动电阻也可以改为100Ω以内。

7输出二极管的吸收,一般采用RC吸收足够了。

8变压器,变压器有铜箔屏蔽和线屏蔽,铜箔屏蔽对传导效果好,线屏蔽对辐射效果好。至于初包次,次包初,还有些其他的绕法都是为了好过传导辐射。

9对于PFC做反激电源的,输入部分还需要增加差模电感。一般用棒形电感,或者铁粉芯的黄白环做。

10整改传导的时候在10-30MHz部分尽量压低到有15-20dB余量,那样辐射比较好整改。

开关频率一般在65KHz,看传导的时候可以看到65K的倍频位置,一般都有很高的值。

总之:传导的现象可以看成是功率器件的开关引起的振荡在输入线上被放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来的时候不超标。

  上个传导的图,仅供参考,之前传导整改大致分了几个区去调整的,有些细节不用太纠结。

  每个人的整改经验都还有所不同的,想法也有差异。

上个辐射的垂直于水平测试图,仅供参考,之前的辐射整改大致分了几个区去调整的,有些细节不用太纠结。

每个人的整改经验都还有所不同的,想法也有差异。

电源的干扰一般在200MHz以后基本没有了,垂直比较难整改,水平方向一般问题不大,有DC/DC的情况水平方向干扰会大些。

辐射整改

1PCB的走线按照布线规则来做即可。当PCB有空间的时候可以放2个Y电容的位置:初级大电容的+到次级地;初级大电容-到次级地,整改辐射的时候可以调整。

2对于2芯输入的,Y电容除了上述接法还可以在L,N输入端,保险丝之后接成Y型,再接次级的地,3芯输入时,Y电容可以从输入输出地接到输入大地来测试。

3磁珠在辐射中间很重要,以前用过的材料是K5A,K5C,磁珠的阻抗曲线与磁芯大小和尺寸有关。如图所示,不同的磁珠对不同的频率阻抗曲线不同。但是都是把高频杂波损耗掉,成了热量(30MHz-500MHz)。一般MOSFET,输出二极管,RCD吸收的D,桥堆,Y电容都可以套磁珠来做测试。

4输入共模电感:如果是2级滤波,第一级的滤波电感可以考虑用0.5-5mH左右的感量,蝶形绕法,5K-10K材质绕制,第一级对辐射压制效果好。如果是3芯输入,可以在输入端进线处用三层绝缘线在K5A等同材质绕3-10圈,效果巨好。

5输出共模电感,一般采用高导磁芯5K-10K的材料,特殊情况辐射搞不定也可以改为K5A等同材质。

6MOSFET,漏极上串入磁珠,输入电阻加大,DS直接并联22-220pF高压瓷片电容可以改善辐射能量,也可以换不同电流值的MOS,或者不同品牌的MOSFET测试。

7输出二极管,二极管上套磁珠可以改善辐射能量。二极管上的RC吸收也对辐射有影响。也可以换不同电流值来测试,或者更换品牌。

8RCD吸收,C更改容量,R改阻值,D可以用FR107,FR207改为慢管,但是需要注意慢管的温度。RCD里面的C可以串小阻值电阻。

9VCC的绕组上也有二极管,这个二极管也对辐射影响大,一般采取套磁珠,或者将二极管改为1N4007或者其他的慢管。

10最关键的变压器。能少加屏蔽就少加屏蔽,没办法的情况也只能改变压器了。变压器里面的铜箔屏蔽对辐射影响大,线屏蔽是最有效果的。一般改不动的时候才去改变压器。

11辐射整改时的效率。套满磁珠的电源先做测试,PASS的情况,再逐个剪掉磁珠。

fail的情况,在输入输出端来套磁环,判断辐射信号是从输入还是输出发射出来的。

套了磁环还是fail的话,证明辐射能量是从板子上出来的。这个时候要找实验室的兄弟搞个探头来测试,看看是哪个元器件辐射的能量最大,哪个原件在超出限值的频率点能量最高,再对对应的元件整改。

辐射的现象可以看成是功率器件在高速开关情况下,寄生参数引起的振荡在不同的天线上发射出去,被天线接收放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,改变振荡频率或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来值的时候不超标。

磁珠的运用有个需要注意的地方,套住MOSFET的时候,MOSFET最好是要打K脚,套入磁珠后点胶固定,如果磁珠松动,可能导电引起MOSFET短路。有空间的情况下尽量采用带线磁珠。

传导辐射整改完成后,PCB可以定型了,最好按照生产的工艺要求来做改善,更新一版PCB,避免生产时碰到问题。

整个开发过程中都是一个团队的协作,所以很厉害的工程师,沟通能力也是很强的,研发一个产品要跟很多部门打交道,技术类的书要看,技术问题也要探讨,同时沟通与礼仪方面的知识也要学习,有这些前提条件,开发起来也就容易多了。

一个项目做完,接着做下一个,一个接着一个,一不小心就做了好几年了。

就会开始迷茫了,开始会胡思乱想,什么时候是个头啊,什么的,想去探索着做自己没有做过的,以及新技术的应用等。同时也会发现刚入门2年3年的弟兄处理问题也不比自己差,又发现做的类似的项目越来越容易了,凭经验值可以得出什么样的电源用什么芯片方案,磁性器件,开关元器件等,成本什么的都可以了解到了,不同品牌的元器件的差异性,怎么去降成本,增加利润什么的。或者有开始转行,做业务,做管理,开始自己创业的想法等。

二极管

这个里面分类很多,必须搞清楚二极管的工作原理。模拟电路的书里面讲的比较抽象,还是需要看看半导体工艺,半导体制造,等其他的书来做个了解,二极管的 datasheet里面有很多参数与曲线,看不懂的情况直接网上搜索相关内容,学校里面学的对于工程应用来讲还是太过于简单。学校只教了这个东西怎么工作,但是怎么选型,选肖特基,超快恢复,还是普通整流的还是其他类型都没有讲。选型也需要做大量的前期工作,最简单的还是经验值。在加班自学阶段,自己做实验来验证二极管参数,二极管datasheet里面的很多参数可以自己用些方法测试出来,网上一般能找到。做二极管的实验测试正向电压电流功率,找到二极管的热阻,再来推算散热片的尺寸对温度影响等,接下来散热设计就可以开始从这里入门了。

三极管,MOSFET,IGBT

二极管弄明白了后,再来看三极管,MOSFET,IGBT就比较容易理解了。那么多的概念性的东西,还有一大堆的计算,公式等等,都复杂得很。从简单的来讲,开关电源就是让这些开关器件工作在饱和区,按照这些元器件的设计要求来做,其他的情况碰到了再去学习就可以了。这些元器件,用多了,慢慢的公式也就容易理解了,之后再看看不同的厂家的元器件的培训资料,选型方案等等。

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