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[PI 2021我的idea] 基于PI Expert online平台的12V18W某型号冰箱AC-DC开关电源设计

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kk的回忆|  楼主 | 2021-4-10 22:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 kk的回忆 于 2021-4-10 23:05 编辑

基于PI Expert online平台的12V/18W某型号冰箱AC-DC开关电源设计

1.产品设计背景简述由于之前做过大家电类的相关产品,AC-DC开关电源芯片的使用必不可少。所以选择:InnoSwitch系列产品的InnoSwitch3-Pro-family中的一款AC-DC芯片设计也算得上是得心应手。基本方向确定了,就赶快开始Datasheet的查阅,先从大的方向把握芯片的应用场景。在几个电源芯片大厂,比如TI,Linear,ROMA,MPS,PI等等,愿意用中文写Datasheet的基本不存在,PI可谓是良心企业,对于英文不好的我们,减少了很多看paper的烦劳。当然英文还是需要提高的,毕竟万一那一天老板要dual source的话,选择其他家电源芯片的,还是得乖乖看英文的规格书。
由于还有PI Expert online的设计工具,所以Datasheet先粗略看一下框图和PIN定义的内容:
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2.产品需求解析

2.1产品设计方案简述
这篇帖子假设以一款冰箱的主控板为开发背景,该产品不仅国内销售,并且还要出口欧美日,认证要符合3CCEJQAUL等相关认证。所以要适应宽电压输入AC 85V~265V,InnoSwitch3-Pro系列产品是完全符合要求的。

2.2产品参数分析
整个电路板电源控制部分分为AC-DC输出电压DC-12V,随后经过一个LDO压降到DC-5VDC-5V是给MCU,以及相关逻辑芯片供电用的。
一般使用直流电压有以下的负载,各类驱动电机,传感器检测装置,显示屏,状态指示灯等等。经过比较粗略的计算,使用直流电压的功率大概为12W左右的:
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其中关于使用到AC-220V的负载设备,比如电加热化霜器,高压紫外灯的功耗,就不计算在直流电压的功耗。当然不同冰箱可能还有不同的负载外设,这里只是一个粗略的估计,具体产品设计中,对各种电机传感器液晶指示灯是有详细的电压电流参数,具体产品设计就会计算的更加准确。现在根据根据直流部分输出功率有11.4W,再留出30%50%的余量,可以认为DC部分输出功率有17W;在此条件下,可以暂定选用InnoSwitch3-Pro系列产品中的INN3377C芯片。

2.3 产品输入输出参数
所以根据输入电压:AC 85V~265V
         输出电压:DC-12V,单电压输出
         输出功率:17W
         反激式开关电源
         输出类型CV/CC
利用PI Expert online设计工具,完成相应参数的输入,得到InnoSwitch3-Pro的产品推荐,虽然这款产品主要适用于高效率的USB适配器,但是对于家电类产品的应用也是可以的。

3.PI Expert online设计
打开PI Expert online设计工具,创建新的工程,按照第二章节分析的输入输出参数进行输入
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至此使用PI Expert online完成所有的设计工作.

4.电路原理图分析
根据PI Expert online工具得到的schematic如下图所示。关键元件一般包括保险丝,整流器,输入电容,电源芯片,变压器,输出二极管,输出电容等等。现在根据PI Expert online工具推荐的参数做一个具体的套讨论。
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4.1 输入保险丝和整流管的选择
输入是AC 85V-265V宽电压的范围。由于85V-265V是包括亚太及欧洲/非洲,南美等区域电压范围,这其中已经包括了电压的正常波动,几个基本的电压: 110V 220V 230V 240V, 选用AC250V的保险丝是可以的,毕竟没有超过250V,所以是可以的.如果公司产品成本压力不大,产品的余量想设计得更大,选用AC-300V保险丝也是可以的。
由于输出12V/17W的设计,考虑设计余量,输出的最大功率设定为Pout=20W。由上节得到InnoSwitch3-Pro-INN3378C电源芯片的效率n=88%;
一般在AC85V的最低电压情况下,可得到流过保险丝的最大电流Imax=Pout/n/Vin*2=20/0.88/85*2=0.534A, 保险丝的额定电流充分考虑余量的前提,选择1A的额定电流毕竟合适;
输入整流桥的耐压值和限流值,按照下面的公式计算V=265*1.4*1.25*1.3=600VI3Irms=3*20/0.88/120=0.7A
PI Expert online工具推荐的是保险丝AC 250V,1A。整流器额定电压800V,额定电流1.5A。在通用规律的计算条件了,选用标称值的器件,留足余量,很符合计算的参数。
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4.2 输入电容的选择
输入电解电容的耐压值Vmax=265*1.414=374V
对85V-265V宽电压的输入,输入电解电容的容量一般按照2~3uF/W的原则选择。在Po=17W的情况下,Cmax=2*17=34uF即可。
PI Expert online工具推荐的输入电解电容是15uF和18uF的并联组合,总容量是34.17uF,两个电容电容的耐压值都是400V,符合计算的结果。
使用电解电容的并联模式,和共模电感组成π型电路,对EMC的改善有好处。
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4.3 输出电容的选择
输出回路一般会预留共模电感的位置,和输出电容组成LC滤波器,有利于EMC的调试。输出电容的容值一般根据输出电容纹波ripple大小,输出的动态响应,瞬变负载切换等参数选择,多数是几个大容量电解电容(降低ESR),并联一个几uF的MLCC,并联一个100nF的MLCC组合的电路。电容的耐压值一般是1.5倍输出电压,考虑标称的选择,输出电容的耐压值选择DC25V比较合适。
PI Expert online工具推荐的输出电解电容仅仅是一个220uF,且额定电压只有16V,有些不太合适的。实际产品还需要根据调试结果改进的。
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4.4 输出二极管和同步整流管的选择
一般变压器输出极都是选用二极管。但InnoSwitch3-Pro-INN3377C芯片采用同步整流技术,输出极选用MOS管控制,更低的导通压降带来更低的功耗,提高输出效率。
输出电流是1.4AMOS管的额定电流也选用1.4A,应该留足30%左右的余量比较安全;
MOS管承受的反向耐压,和电源INN3377C的占空比工作模式都有关系,有详细的计算过程,但一般还是要以实测为主,输出DC12V的系统下,选择100V的耐压比较合适。
所以个人觉得PI Expert online工具推荐的输出二极管和同步整流管击穿电压80V,峰值电流1.4V的选型,都比较偏下,余量不够。
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4.5 变压器的选择
毫无疑问变压器的选择很重要,而且是AC-DC开关电源中成本比较贵的器件。由于对磁性元件的设计没有过多涉猎。实际设计中,由于充满太多的变数,磁芯的选择并没有非常严格的限制,可选择的余地太多。一般变压器的设计有很多流程,变压器厂商有相关的软件设计,所以我在工作中一般会参考变压器厂商的推荐,具体指标实测后,再进行分析;
在此完全参考PI Expert online工具推荐的变压器;

4.5.1 磁芯选择
磁芯选择EE-22
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4.5.2 机械结构确定
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4.5.3 匝数设计
一般采用三明治的绕法,原边设计,副边设计,反馈原边设计。
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4.5.4 磁芯参数确认
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4.5.5 原理图电器连接示意图
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4.5.6 相关线材特性
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4.5.7 变压器制作说明
ELECTRICAL PARAMETERS

参数: Electrical Strength;
条件: 60 Hz,持续1秒钟,自引脚1,2,3,4,5 到引脚6,7。;
规格: 3000 VAC;

参数: Nominal Primary Inductance;
条件: 于1 V pk-pk、典型开关频率、在引脚2到引脚1之间测量,此时所有其他绕组均开路。;
规格: 137 uH +- 5.0%;

参数: Maximum Primary Leakage;
条件: 在引脚2到引脚1之间测量,此时所有其他绕组均短路。;
规格: 4.31 uH;

LIST OF MATERIALS

Item Description
[1] Core: EE22, 3F3, gapped for ALG of 202 nH / T^2
[2] Bobbin: Generic, 5 pri. + 5 sec.
[3] 浸渍
[4] Single core wire: 0.45 mm, insulation Grade 2
[5] Separation Tape: Polyester film [2 mil (50.8 micrometers) base thickness], 8.45 mm wide
[6] Single core wire: 0.15 mm, insulation Grade 2
[7] Triple Insulated Wire: 0.7 mm

WINDING INSTRUCTIONS

1. Primary
Start with 1 lead(s) of Item [4] from Pin 2, and wind 26 turns in Clockwise direction in total of 2 layer(s).

Wind one layer from left to right. At the end of 1st layer, continue to wind the next layer towards the beginning of the previous layer.

Finish this winding on Pin 1. Add 1 layer(s) of tape, Item [5], on the top.

2. Primary Bias, Bias Shield
Start with Bias winding, Primary Bias, using Item [6] (x4 leads) from Pin 3,4, together with Shield winding, Bias Shield, using Item [6] (x4 leads) from Pin 3,4, and wind them together in Clockwise direction.

Wind 6 turn(s) (1 layer) for Primary Bias and 6 turn(s) (1 layer) for Bias Shield.

Wind one layer from left to right. For Primary Bias, finish this winding on Pin 5. For Bias Shield, leave this end of the winding not connected. Bend the end 90 degrees and cut the wire as close as possible to the end of the last turn.

Add 1 layer(s) of tape, Item [5], on the top.

3. Secondary - 1
Start with 3 lead(s) of Item [7] from Pin 7, and wind 3 turns in Clockwise direction in total of 1 layer(s).

Wind one layer from left to right.

Finish this winding on Pin 6. Add 2 layer(s) of tape, Item [5], on the top.

BUILDING PREPARATIONS

1. Gap the core halves to get 137 uH +-5.0%.

FINISHING INSTRUCTIONS

Using a piece of wire, connect the core to Pin 1.

Varnish with Item [3]

Comments:

Achieving compliance to applicable safety standard may require additional considerations for transformer construction, manufacturing and methods used for termination of wires.
It is the responsibility of the user to verify that all applicable safety requirements are met and make additional changes as applicable.

4.5.8  变压器构造参数
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以上是整个变压器的设计过程,PI Expert online工具的推荐设计很完整,可以直接使用的。但具体产品指标还是要实测为主的;

4.6  其他元件

4.6.1 EMC器件
输入共模扼流圈的感值初选是评经验,还有同类产品的历史经验。具体的还要根据CE,RE的测试数据再进行调整,根据阻抗vs频率曲线选择合适的共模扼流圈。在此选择遵循PI Expert online工具的推荐设计。
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4.6.2 RC吸收电路
由于反激变换器在MOS关断的瞬间,由变压器漏感L与MOS管的输出电容造成的谐振尖峰加载MOS管的漏记,如果不加以限制,MOS管的寿命将会大打折扣,如下图所示,因此需要采取措施,吸收这个尖峰。
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反激开关电源设计中,采用下的电路作为反激电源的钳位电路-RCD电路
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PI Expert online工具推荐的RCD电路很符合要求,可以选用的
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4.6.3 安规器件
Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间(L-E,N-E)的电容,一般是成对出现。一般根据不同地方对漏电流的要求不同,所选用的容值也不同。同时对EMC的改善也有帮助。PI Expert online工具仅仅推荐一个Y电容,显然不合适。使用两个2200pF的Y电容是合适的。
除此之外,增加一个X电容也是必要的。X电容是跨接在电力线两线(L-N)之间的电容,一般选用金属薄膜电容;
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4.7 小结
至此完成了PI Expert online工具推荐schematic全部主要元件器的分析,在个人的经验角度出发,大部分的设计是符合要求的。但输出电容,安规元件,输出二极管和同步整流管的选择有一些自己的不同观点之处。实际产品在设计中,可以稍微改进的。
以下是PI Expert online工具的各种参数列表,以供参考:
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5.BOM输出
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6.PCB设计
PCB设计中要大电流环路包围的面积应极可能小,走线要宽的原则
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PI Expert online推荐的PCB布局意见都很中肯,但是实际应用中得灵活调整,毕竟产品的电路板不会是这么形状规则的,元器件都是有限高要求。而且这个PCB没有定位孔,螺丝孔,这对于具体产品是肯定不可能的。PI Expert online推荐的PCB布局只能是参考,不能完全遵守,需要权衡应用。
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7.电路板参数预估
根据现有的设计schematicPI Expert online对相关的参数预估输出:
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8.小结
至此,PI Expert online工具的设计工作都完成了,有些设计仅仅是从原理方面考虑,对于实际的产品还是需要优化的。但我们在设计电源产品中还有很多需要考虑,比如系统稳定性,需要有补偿电路的分析,这个在PI Expert online工具就没有体现的,下面介绍下我的一些认识

9.补偿环路分析
开关电源系统是典型的闭环控制系统,设计时,补偿电路的调试占据了相当大的工作量。因此尽可能增加一些系统传递函数的分析和仿真。比如下图是一款反激式开关电源功率级的传递函数,上图是不加补偿的伯德图,下图是增加补偿的伯德图,明显余量足够,可以作为判定系统是否稳定的依据。
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如果PI Expert online工具在导入原理图后,可以仿真得到下图所示的伯德图,那对于设计阶段很有裨益的,可以简化后期的调试工作。

437386071bc2fe2d7a.png

以上是关于基于PI Expert online平台的12V/18W某型号冰箱AC-DC开关电源设计过程,附件是详细资料,可以参考。






578276071bba71f3db.png

innoswitch3-pro_family_datasheet_CN.pdf

4.6 MB, 下载次数: 3

InnoSwitch3-Pro_PIDesign2_bom.pdf

412.38 KB, 下载次数: 2

InnoSwitch3-Pro_PIDesign2_PCB.pdf

1.07 MB, 下载次数: 2

InnoSwitch3-Pro_PIDesign2_SCH.pdf

632.47 KB, 下载次数: 3

InnoSwitch3-Pro_PIDesign2_变压器1.pdf

106.17 KB, 下载次数: 2

InnoSwitch3-Pro_PIDesign2_设计分析.pdf

88.13 KB, 下载次数: 3

InnoSwitch3-Pro_PIDesign2_设计结果.pdf

474.7 KB, 下载次数: 4

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dami| | 2021-4-14 09:05 | 显示全部楼层
谢谢分享。

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qbwww| | 2021-4-15 14:25 | 显示全部楼层
不错的内容,非常详尽。

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sinasun| | 2021-4-16 11:13 | 显示全部楼层
内容分析的不错

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kk的回忆|  楼主 | 2021-4-16 13:06 | 显示全部楼层
qbwww 发表于 2021-4-15 14:25
不错的内容,非常详尽。

互相学习,O(∩_∩)O哈哈哈~

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hunteredward| | 2021-4-19 15:32 | 显示全部楼层
感谢楼主分享,内容十分详细,可以学到很多东西

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土豆丝天下| | 2021-4-19 15:43 | 显示全部楼层
PI Expert online 能够对关键电路分析和关键元器件的选型和推荐,对使用该软件设计的产品有安全可靠的保证。

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plane飞不起来| | 2021-4-28 22:29 | 显示全部楼层
内容分析详细,还对PI提供的参数不足之处做了分析,毕竟软件只是参考,还得根据实际项目来实行的

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kk的回忆|  楼主 | 2021-4-28 22:44 | 显示全部楼层
plane飞不起来 发表于 2021-4-28 22:29
内容分析详细,还对PI提供的参数不足之处做了分析,毕竟软件只是参考,还得根据实际项目来实行的 ...

确实是的,所谓参考设计就只能参考了的

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bihuyeshihu| | 2021-4-28 22:53 | 显示全部楼层
正好公司要这方面的资料,可以直接借用的,不错不错

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cwp1986| | 2021-5-3 20:20 | 显示全部楼层
写的很详细,还指出了PI online软件推荐器件的不足,很有帮助的

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伟伟2021| | 2021-5-10 21:07 | 显示全部楼层
谢谢分享

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