基于UC3843组成的小功率开关电源(TL431+光耦)设计流程

1 目的

熟悉UC3843 组成小功率开关电源(TL431+光耦)的设计流程。.

2 设计步骤:

2.1 绘线路图、PCB Layout. 2.2 变压器计算. 2.3 零件选用. 2.4 设计验证.

3 设计流程介绍(以DA-14B33为例):

3.1 线路图、PCB Layout请参考资识库中说明. 3.2 变压器计算:

变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的，以下即就DA-14B33变压器做介绍.

3.2.1 决定变压器的材质及尺寸: 依据变压器计算公式

B(max)LpxIpx100Gauss NpxAe     

B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次侧电感值(uH) Ip = 一次侧峰值电流(A) Np = 一次侧(主线圈)圈数 Ae = 铁心截面积(cm2)

B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK Ferrite Core PC40为例，100℃时的B(max)为3900 Gauss，设计时应考虑零件误差，所以一般取3000~3500 Gauss之间，若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss左右，以避免铁心因高温而饱合，一般而言铁心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做较大瓦数的Power。

3.2.2 决定一次侧滤波电容:

滤波电容的决定，可以决定电容器上的Vin(min)，滤波电容越大，Vin(win)越高，可以做较大瓦数的Power，但相对价格亦较高。

3.2.3 决定变压器线径及线数:

当变压器决定后，变压器的Bobbin(电气方面用的,电木及塑胶绕线轴)即可决定，依据Bobbin的槽宽，可决定变压器的线径及线数，亦可计算出线径的电流密度，电流密度一般以6A/mm2为参考，电流密度对变压器的设计而言，只能当做参考值，最终应以温升记录为准。

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3.2.4 决定Duty cycle (工作周期):

由以下公式可决定Duty cycle ，Duty cycle的设计一般以50%为基准，Duty cycle若超过50%易导致振荡的发生。

Ns(VoVD)x(1D) NpVin(min)xD     

NS = 二次侧圈数 NP = 一次侧圈数 Vo = 输出电压

VD= 二极管顺向电压

Vin(min) = 滤波电容上的谷点电压 D = 工作周期(Duty cycle)

3.2.5 决定Ip值:

IpIav1I 2IavPout

Vin(min)xDxIVin(min)Px Lpf

   

Ip = 一次侧峰值电流 Iav = 一次侧平均电流 Pout = 输出瓦数 效率

fPWM震荡频率

3.2.6 决定辅助电源的圈数:

依据变压器的圈比关系，可决定辅助电源的圈数及电压。

3.2.7 决定MOSFET及二次侧二极管的Stress(应力):

依据变压器的圈比关系，可以初步计算出变压器的应力(Stress)是否符合选用零件的规格，计算时以输入电压264V(电容器上为380V)为基准。 3.2.8 其它:

若输出电压为5V以下，且必须使用TL431(TL、ST公司研制开发的并联型三端稳压基准)而非TL432时，须考虑多一组绕组提供Photo coupler(光电耦合器)及TL431使用。

将所得资料代入B(max)LpxIpx100Gauss公式中，如此可NpxAe3.2.9

得出B(max)，若B(max)值太高或太低则参数必须重新调整。

3.2.10 DA-14B33变压器计算:

 输出瓦数13.2W(3.3V/4A)，Core = EI-28，可绕面积(槽

宽)=10mm，Margin Tape(档墙胶带) = 2.8mm(每边)，剩余可绕面积=4.4mm.假设fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V，=0.7，P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600uH

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 计算式:

 变压器材质及尺寸:

 由以上假设可知材质为PC-40，尺寸=EI-28，

Ae=0.86cm2，可绕面积(槽宽)=10mm，因Margin Tape使用2.8mm，所以剩余可绕面积为4.4mm.

 假设滤波电容使用47uF/400V，Vin(min)暂定90V。  决定变压器的线径及线数:

IinPout13.20.42A

Vin(min)xxcos90x0.7x0.5 假设NP使用0.32ψ的线 电流密度=

0.420.323.14x220.421.286A

3.14x0.1024可绕圈数=

剩余可绕面积4.412.57圈

线径0.320.0340.353.14x22 假设Secondary使用0.35ψ的线

电流密度=

444.07A

3.14x0.0289 假设使用4P，则 电流密度=

可绕圈数=

44.0711.02A 44.411.57圈

0.350.03 决定Duty cycle:

 假设Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottky Diode)

NsVoVD1D NpVin(min)D23.30.51DD48.2% 4490D 决定Ip值:

1IpIavI

2IavIPout13.20.435A

Vin(min)xxD90x0.7x0.482Vin(min)D900.482xx0.603A Lpf1600u45K3/16

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Ip0.4350.6030.737A 2 决定辅助电源的圈数:

假设辅助电源=12V

Ns3.8 NA11223.8 NA112NA1=6.3圈

假设使用0.23ψ的线 可绕圈数=

4.419.13圈

(0.230.02)若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V

 决定MOSFET及二次侧二极管的Stress(应力):

MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+

=380443.30.5 2Nsx最高输入电压(380V) NpNpVoVD Ns=463.6V

Diode(D5)=输出电压(Vo)+

=3.32x380 44Nsx最高輸入電壓(380V) Np=20.57V

Diode(D4)=輸出電壓(NA2)=6.64x380=41.4V 44 其它:

因为输出为3.3V，而TL431的Vref值为2.5V，若再加上photo coupler上的压降约1.2V，将使得输出电压无法推动Photo coupler及TL431，所以必须另外增加一组线圈提供回授路径所需的电压。 假设NA2 = 4T使用0.35ψ线，则

可绕圈数=4Tx2P

Ns3.8 NA2VA223.84VA2VA27.6V4.411.58T，所以可将NA2定为

0.350.03

 B(max)LpxIpx100NpxAe4/16

(Gauss)1600x0.737x1003116.3Gauss

44x0.86UC3843 组成的小功率开关电源(TL431+光耦)设计流程

 变压器的接线图:

0.32Φx1Px22T

0.35Φx4Px2T

0.32Φx1Px22T

0.35Φx2Px4T

0.23Φx2Px6T

3.3 零件选用:

零件位置(标注)请参考线路图: (DA-14B33 Schematic) 3.3.1 FS1:

由变压器计算得到Iin值，以此Iin值(0.42A)可知使用公司共享料2A/250V，设计时亦须考虑Pin(max)时的Iin是否会超过保险丝的额定值。

3.3.2 TR1(热敏电阻):

电源激活的瞬间，由于C1(一次侧滤波电容)短路，导致Iin电流很大，虽然时间很短暂，但亦可能对Power产生伤害，所以必须在滤波电容之前加装一个热敏电阻，以限制开机瞬间Iin在Spec之内(115V/30A，230V/60A)，但因热敏电阻亦会消耗功率，所以不可放太大的阻值(否则会影响效率)，一般使用SCK053(3A/5Ω)，若C1电容使用较大的值，则必须考虑将热敏电阻的阻值变大(一般使用在大瓦数的Power上)。

3.3.3 VDR1(突波吸收器):

当雷极发生时，可能会损坏零件，进而影响Power的正常动作，所以必须在靠AC输入端 (Fuse之后)，加上突波吸收器来保护

Power(一般常用07D471K)，但若有价格上的考量，可先忽略不装。

3.3.4 CY1，CY2(Y-Cap):

Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容，若AC Input有FG(3 Pin)一般使用Y2- Cap ， AC Input若为2Pin(只有L，N)一般使用Y1-Cap，Y1与Y2的差异，除了价格外(Y1较昂贵)，绝缘等级及耐压亦不同(Y1称为双重绝缘，绝缘耐压约为Y2的两倍，且在电容的本体上会有“回”符号或注明Y1)，此电路因为有FG所以使用Y2-Cap，Y-Cap

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会影响EMI特性，一般而言越大越好，但须考虑漏电及价格问题，漏电(Leakage Current )必须符合安规须求(3Pin公司标准为750uA max)。

3.3.5 CX1(X-Cap)、RX1:

X-Cap为防制EMI零件，EMI可分为Conduction及Radiation两部分，Conduction规范一般可分为: FCC Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 两种 ， FCC测试频率在450K~30MHz，CISPR 22测试频率在150K~30MHz， Conduction可在厂内以频谱分析仪验证，Radiation 则必须到实验室验证，X-Cap 一般对低频段(150K ~ 数M之间)的EMI防制有效，一般而言X-Cap愈大，EMI防制效果愈好(但价格愈高)，若X-Cap在0.22uf以上(包含0.22uf)，安规规定必须要有泄放电阻(RX1，一般为1.2MΩ 1/4W)。

3.3.6 LF1(Common Choke):

EMI防制零件，主要影响Conduction 的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI特性及温升，以同样尺寸的Common Choke而言，线圈数愈多(相对的线径愈细)，EMI防制效果愈好，但温升可能较高。

3.3.7 BD1(整流二极管):

将AC电源以全波整流的方式转换为DC，由变压器所计算出的Iin值，可知只要使用1A/600V的整流二极管，因为是全波整流所以耐压只要600V即可。

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。

3.3.9 D2(辅助电源二极管):

整流二极管，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):

主要用于调整PWM IC的VCC电压，以目前使用的3843而言，设计时VCC必须大于8.4V(Min. Load时)，但未未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):

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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 二极管):

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值的大小取决于辅助电源的高低，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).

3.3.13 R2(激活电阻):

提供3843第一次激活的路径，第一次激活时透过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(缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路。其中的电

阻和电容分别称为缓冲电阻（snubber resistence）和缓冲电容（Snubber capacitance）。其作用是抑制电力电子器件内因过电压、du/dt或者过电流di/dt,减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路又称为di/dt，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称其为复合缓冲电路。还可以用另外的分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则称其为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则称其为馈能式缓冲电路，或称为无损吸收电路。)，

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((Electro Magnetic Interference)电磁干扰).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，所以温升会较低，若IDS电流未超过3A，应该先以3A/600V为考量，并以温升记录来验证，因为6A/600V的价格高于3A/600V许多，Q1的使用亦需考虑VDS是否超过额定值。

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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后再加上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脚的噪声，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及温升特性，一般而言阻值大，Q1 turn on / turn off的速度较慢，EMI特性较好，但Q1的温升较高、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温升较低、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，主要功用在于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)。

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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导通后，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，VoVrefxR13//R16R18，输出电压不可超R15//R16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并联后的值不可太大(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，至于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(整流二极管):

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)，二极管耐压值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(整流二极管):

输出整流二极管，D5的使用需考虑: a. 电流值

b. 二极管的耐压值

以DA-14B33为例，输出电流4A，使用10A的二极管(Schottky)应该可以，但经点温升验证后发现D5温度偏高，所以必须换为15A

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的二极管，因为10A的VF较15A的VF 值大。耐压部分40V经验证后符合，因此最后使用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超过二极管(D5)的耐压值，二极管会有被击穿的危险，调整snubber(吸收回路)可适当的减少spike的电压值，除保护二极管外亦可改善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)。

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:

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fT46.8KHzton10.15us

T21.35usDutyCycle47.5%fT46.8KHzton3.25us

t21.35usDutyCycle15.2%90V/47Hz264V/60Hz4.1.1.3 4.1.1.4

Vin(min) = 100V (90V / 47Hz full load) Stress (264V / 63Hz full load(滿载)) : 4.1.1.5

Q1 MOSFET: D5:

D4:

辅助电源(开机，满载)、短路Pin max.:

開機0.18A(8.4V)90V/47Hz滿載11.26V(4A)

短路1.2W(max.)11/16

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開機0.13A(8.4V)264V/63Hz滿載11.26V(4A)

短路8.8W(max.)4.1.1.6 90V/47Hz 115V/60Hz 132V/60Hz 180V/60Hz 230V/60Hz 264V/60Hz Pin(w) 18.7 18.6 18.6 18.7 18.9 19.2 Static (full load)

Iin(A) 0.36 0..31 0.28 0.21 0.18 0.16 Iout(A) 4 4 4 4 4 4 Vout(V) 3.30 3.30 3.30 3.30 3.30 3.30 P.F. 0.57 0.52 0.50 0.49 0.46 0.45 Ripple(mV) Pout(w) 32 28 29 30 29 29 OK OK OK OK OK OK

13.22 13.22 13.22 13.23 13.22 13.23 eff 70.7 71.1 71.1 70.7 69.9 68.9

4.1.1.7

4.1.1.8

Full Range负载(0.3A-4A) (验证是否有振荡现象)

90V/47Hz = 115V/60Hz = 132V/60Hz = 180V/60Hz = 230V/60Hz = 264V/63Hz =

回授失效(输出轻载)

90V/47Hz  Vout = 8.3V 264V/63Hz  Vout = 6.03V

4.1.1.9 O.C.P.(过电流保护)

90V/47Hz = 7.2A 264V/63Hz = 8.4A

4.1.1.10 Pin(max.)

90V/47Hz = 24.9W 264V/63Hz = 27.1W

4.1.1.11 Dynamic test

H=4A，t1=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Rise) L=0.3A，t2=25ms，slew Rate = 0.8A/ms (Full) 90V/47Hz

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264V/63Hz

4.1.1.12 HI-POT test:

HI-POT test一般可分为两种等级:

 输入为3 Pin(有FG者)，HI-POT test为1500Vac/1 minute。

Y-CAP使用Y2-CAP

 输入为2 Pin(无FG者)，HI-POT test为3000Vac/1 minute。

Y-CAP使用Y1-CAP

DA-14B33属于输入3 PIN HI-POT test 为1500Vac/1 minute。

4.1.1.13 Grounding test:

4.1.1.14 4.1.1.15 4.1.1.16 输入为3 Pin(有FG者)，一般均要测接地阻(Grounding test)，安规规定FG到输出线材(输出端)的接地电阻不能超过100mΩ(25A/3 Second)。

温升记录

设计实验定案后(暂定)，需针对整体温升及EMI做评估，若温升或EMI无法符合规格，则需重新实验。温升记录请参考附件，D5原来使用BYV118(10A/40V Schottky)，因温升较高改为PBYR1540CTX(15A/40V)。

EMI测试:

EMI测试分为二类:

 Conduction(传导干扰)  Radiation(幅射干扰)

前者视规范不同而有差异(FCC : 450K - 30MHz，CISPR 22 :150K - 30MHz)，前者可利用厂内的频谱分析仪验证；后者(范围由30M - 300MHz，则因厂内无设备必须到实验室验证，Conduction，Radiation测试数据请参考附件) 。

机构尺寸:

设计阶段即应对机构尺寸验证，验证的项目包括 : PCB尺寸、零件限高、零件禁置区、螺丝孔位置及孔径、外壳孔寸….，若设计阶段无法验证，则必须在样品阶段验证。 4.1.2 样品验证:

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UC3843 组成的小功率开关电源(TL431+光耦)设计流程

样品制作完成后，除温升记录、EMI测试外(是否需重新验证，视情况而定)，每一台样品都应经过验证(包括电气及机构尺寸)，此阶段的电气验证可以以ATE(Chroma)测试来完成，ATE测试必须与电气规格相符。

4.1.3 QE验证:

QE针对工程部所提供的样品做验证，工程部应提供以下交件及样品供QE验证。

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UC3843 组成的小功率开关电源(TL431+光耦)设计流程

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