即使電源工程師擁有足以理解電路圖的知識,也必須先確認設計順序和相關項目才行,只有這樣才能在工作時記住圖紙以外的工作和具體步驟。雖然基于經驗的做法和判斷是非常重要的訣竅,但在設計電路上,必須結合理論、知識以及經驗,以帶來相輔相成協同效應的方法。 下面簡單介紹下AC/DC電源模塊電路設計的步驟。
1、首先是決定模塊電源設計規格,接著一邊選擇能滿足該規格的IC和部件,一邊進行設計。除了電路圖外,還必須設計基板的線路。之后是進行試作和評估、量產的流程。第二個步驟為選擇電源IC,但在設計基板電源時,幾乎都會設計成使用電源IC的電路,因此次一個步驟才會是選擇電源IC。
負責設計的工程師其工作范圍會因為公司和各種因素而不同,例如原本認為不算設計工作范圍,但可能會和出貨檢查的方法、調查不良品等有關。這些都必須反饋至設計上,且在市場推出產品時,也須完成類似上述的相關制程。
2、初期設計中最重要的就是明確要求規格。這原本就是一開始最重要的步驟,如果未決定整個電路基板的規格,無可避免地沒有辦法決定AC/DC電源模塊規格,但卻常聽到愈接近設計期間,才手忙腳亂的開始設計。正因為一開始未做出決定,將無法繼續進行下去,必須利用暫時規格,根據推算出必要電壓的負載電流,開始著手設計。
在開始時必須決定的主要內容如下所述:
(1)輸入電壓范圍、輸出電壓及精度;
(2)負載電流、有無瞬態;
(3)待機時功耗、效率;
(4)溫度范圍、冷卻方式;
(5)尺寸大小、高度;
(6)保護功能,例如過壓、過熱、短路、過載等;
(7)應該環境,例如工業、車載、航天、軍工等;
(8)成本
如果要出口到國外的產品,必須具備支持該國電壓、全球電壓的通用輸入規格。有的國家電壓不穩定,要討論該國容許誤差的范圍為多少等許多注意事項。元件選擇也會出現相當大的波動,這代表在開始時,必須盡可能多地收集相關信息。嚴格說來,即使規格不清不楚,但仍必須硬著頭皮著手設計。目的為期限內設計出正確的AC/DC電源模塊,設計上必須保持機動。
3、決定規格后,接下來就是選出能滿足該規格的電源IC。根據要求事項,決定適合的AC/DC方式為變壓器方式或開關方式,降壓或升壓,線性或反饋,反激式或正激式,絕緣或非絕緣等,并且選擇電源IC。也就是說選擇電源IC決定了電源方式,基本上電源IC必須采用特殊方式,利用決定的方式選擇電源IC。在設計使用電源IC時,會因為使用的電源IC來決定電路和元件。
電源IC規格不一,具備的功能也不盡相同。在選擇電源IC時,關鍵要點為找出具備電源上必要功能的IC。如果在裝上電源IC后,為了增加功能還得增加更多外置元件和安裝面積,且設計和評估的時間也勢必增加。如果能夠順利使用電源IC,將有助于提升設計的效率。選擇時,會有大是包含小在內的提問,其實關鍵要點在于廣泛準備高耐壓和支持大功率的規格。答案是可兼顧,但考慮效率、外置元件調整至優化,因此并不推薦。
最后是各廠家所制作的開關電源用IC等元件,彼此之間無法兼容。雖然構造非常相似,引腳配置位置卻不同。基本上無法和更換線性穩壓器78種系列產品一樣隨意更換,在設計過程中,規劃好基板線路后才變更元件,代表著重新設計,因此在選擇元件時,必須充分加以討論。
4、決定電源IC后,參考該電源IC的技術規格的說明或應用范例,繼續進行設計。此時雖然會決定外置的電容器或電阻等的常量,但開關式AC/DC電源模塊上,設計變壓器是非常重要的一環。
設計外圍元件選定:
(1)主要變壓元件,有變壓器、電橋、二極管、電容器等;
(2)必須使用的電源IC元件;
(3)各種常量的計算及優化;
(4)變壓器的設計,如尺寸、L值、匝數、設計構造(線徑、層)
變壓器設計依照以下的步驟進行。開始先討論變壓器的尺寸,根據模塊電源方式、開關頻率、輸出功率等,決定變壓器的尺寸。為了避免磁飽和,決定主要線圈(一次側線圈)的L值、各線圈的匝數。完成后再進入設計構造。設計構造時,層構造必須考慮結合度,并確保沿面距離符合安全規范,以及確認是否纏繞成骨架有效繞線槽后,再決定線材的線徑。
5、完成圖紙和元件列表、建立基板布局后,即進入試作、評估性能的階段。試作階段從確認基本工作開始,不過經常不知道什么工作才是正確的。此時可以利用電源IC廠家準備的評估板,或許細部規格會和自己設計規格不同,但仍可作為比較、探討的樣本。
電源模塊評估項目有測量效率等諸多項目,如果有適用于AC功率計(電力計)將更便利。當然,可以利用電壓表、電流表、鉗形電流表等進行測量,但仍推薦使用功率計顯示效率。務必使用示波器觀察各點的波形,如果未仔細觀察波形,是無法發現異常的波形、噪聲和峰波等。評估時,須仔細確認輸出電壓、負載電流、溫度的余量很重要。如果設計上對于溫度的余量不足,容易在量產時偏離要求的規格,或因為該批產品影響到不良率。構成電路的元件特性都不一樣,因此必須要了解元件特性,并設計出能達到規格目標的產品。
6、調試和優化的工作結束后,開始判斷是否可以進入量產。有時可能無法完全滿足要求規格,會為了滿足無論如何都不會退讓的規格要求,必須重新設計,或是稍微妥協,討論如何取得權衡,盡量讓全部AC/DC電源模塊接近目標值。最后量產評估沒有問題,開始投入生產,出貨檢查即可銷售。
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