一個開關電源工程師的設計筆記(二)BOM表元器件選型

看了這麼多的方案,最終我選了PI,原因很簡單,追求性價比的小米選用,伺候和先進,集成同步整流,效率高,體積小,bom表元器件數量少。

雖然已經選定了PI的innoswitch系列作為自己的設計方案。但是到了具體設計我又需要確定使用innoswitch下面的那個系列的具體那款型號。

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我當初做innoswitch的時候,還沒有innoswitch3系列的芯片。但是就算這樣innoswitch也有4個系列,具體什麼差異怎麼選型,其實是一個很痛苦的事情。具體情況我求助了PI的工程師,問了一下他們主力出貨芯片的具體系列和具體型號。inn2125K 是我的供應商能提供給我的唯一的貨期及時的芯片。也是PI innoswitch 對零售供應的最主力型號。我能有什麼選擇呢?那就只有接受

事實上,innoswitch CH CE CP EP 4個系列對應了四種不同的產品。CH系列就是為了充電器設計了,擁有最小的bom表元器件數量。不需要過流採樣電阻。CE是主力出貨的零售產品系列,CP我不是很瞭解,但是EP擁有高壓型號,算是正規的工業產品。其實他們之間除了CH以外其他幾個型號的差異並不是很大。但是CH其實是被大量企業定製圈走了的。我拿到的Inn2125K並不是產量真是最大的那種,只是對於小客戶而言,有貨。

當然我對這些並不是很在乎,畢竟他們之間的區別並不是很大。

選定芯片就是選方案。FAE給了我一份參考設計DER-471

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注意這裡的版本號,必須是1.3以上的,因為1.2以下的版本電路圖有錯。別問我為啥知道的,因為一開始fae給我的就是1.2版本

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這是DER-471的電路圖,我之後的介紹就都會圍繞這張電路圖的BOM表展開

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這張博大精深的BOM表其實蘊含的功底之高,讓人深感佩服。PI的可靠其實就是PI的AE工程師真本事做出來的,每次當我發現我錯了,那一定就是我沒有注意到這張BOM表上的細節。一次又一次證明了PI工程師的強大。其它人家的方案,其他人家的設計,可能真的不是設計不行,但是他們的工程師絕對拿不出這麼精緻的一份BOM表。

第一個是元器件是橋堆BR1,DF206T-G 這個元器件我並沒有選用,我選用的是ABS210,原因很簡單,充電頭網上大量的充電器用的是ABS210,這個器件相對好買到。規格上並無出入。但是2A電流的橋堆為什麼要用這麼大,理由也很簡單,一個是耗散功耗,一個是瞬態電流,一開始我不懂,後期我用pspice仿真下來真的有接近2A的尖峰電流。這是真的。同時記得,如果沒有壓敏電阻的話,浪湧的級別也和橋堆大小有關。

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第二個元器件是C1 33nf的 x2安規電容,正常的開關電源都是0.1uf的x2安規電容的,33nf的電容體積小了很多。整個innoswitch2系列都是用的這種小容裡的安規電容。我選擇的是 RIFA電容,因為RIFA的安規電容,在這個規格上有4mm厚度的,比常規產品要薄1mm

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其實如果你仔細研究這些安規器件,你會知道,引腳的間距都是有要求的,在高度大多數情況下不重要的前提下,厚度就是它們之間最主要的差別了。同時不要忘記它也是重要的安規器件,一分價錢一分貨,如果質量差了會對emc有顯著影響的。順帶提一句,如果你不是固定負載始終連接著的話,這顆x2電容兩個引腳之間最好加上放電電阻,因為安規裡面有要求,在撤掉電源情況下,電容的電壓需要快速跌落,避免造成安全事故。

第三個元器件是C2 C3 15uf 400V的濾波電容,這個比較常見Nichicon開關電源濾波電容,這類電容其實分為四類,一類是LED照明燈用,一類是開關電源專用,一類是常用型號,一類是閃光燈用。這裡用LED適配型,和開關電源專用型號都是ok的。他們主要區別其實就是紋波電流。

PS,知道為什麼開關電源使用的電解電容都是直插電容嗎?因為相比貼片電解電容而言,直插電容擁有更小的PCB板面積,所以對於一款緊湊型的開關電源而言,直插電解電容式不二之選。

第四個元器件是C4 瓷片電容,注意材質是x7r。這個電容用來在啟動的時候檢測設定的innoswitch工作的電流大小模式。

當10uf的時候innoswitch初級工作電流最小

當1uf的時候innoswitch初級工作電流最大

當0.1uf的時候innoswitch初級工作電流正常


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注意,加電壓會導致瓷片電容的容量下降,尤其是當你選擇10uf的大容量瓷片的時候,壓電效應尤為明顯,所以當你在選擇10uf大容量的電容的時候,請注意選大一號封裝

第五個元器件是C5 22uf 25v 這個電容是輔助繞組整流濾波電容,建議使用普通固態電容,是低esr的,但是不用那種特別的超低esr電容。幾十個豪歐的esr電阻就夠了,但是溫度建議選擇-40~125度的類型。因為它在pcb板子佈設的時候會比較容易靠近變壓器

第六個元器件是C6 100pf 50v NPO高頻陶瓷 0603電容,常見元器件

第七個元器件是C7 1.5uf 25v X7R 0805 電容 這個容量值比較妖孽,折磨的我死去活來的。簡而言之就是不好買,但是這個值又是必須的。建議wurth申請樣品。封裝可以改大一號選1206的也不是問題。但是不能改小。在innoswitch的手冊上有對這個電容的具體介紹,必須要用x5r或者是x7r的類型,否則如果溫飄過大會導致系統的不穩定。


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這是wurth上相同容量不同封裝的兩顆電容在不同電壓下的實際容量曲線圖,可以看到小封裝的電容,在高壓下容量縮水嚴重。這就是說PI的說法又一次被驗證了。是正確的

第八個元器件C8 330p 50v x7r 0603 普通的瓷片電容比較好買的,50v耐壓的都是常規備料。

第九個元器件2.2nf 200v x7r 0805 這是RCD電路中的高壓電容。建議選擇2.2nf 630v的型號,嘉裡創上面有賣。我當初是按照他的建議選了200v的型號,pi應該是算過的,夠用的。但是我依然不放心。


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第十個元器件是100pf Y1安規電容,一般普通開關電源使用的Y電容都是2200pf的。innoswitch 2系列用的都是100pf的小容量安規電容,這個電容是跨接在初級與次級之間的。如果它的容量小對emc不利,但是對於用戶使用漏電流減小了,可是實實在在的福利,不容易麻手了,使用更安全了。這是innoswitch先進的地方。一開始選innoswitch的時候我並不知道。

第十一個元器件是 1.5nf 200v的 X7R 0805封裝的,這裡建議用NPO或者C0G的高頻陶瓷,這個容量用高頻陶瓷更加穩定,不容易出現開關電源隨著溫飄,導致的EMC特性改變。

第十二個元器件是 C12 C13 470uf 6.3V 黑金剛的固態電容,這個電容非常牛逼8mΩ的超低esr,黑金剛不給我供貨。理由是我用不到。ok,我以第一次選了40mΩ左右的黑金剛固態電容,紋波一塌糊塗,最後我換了別家的電容,ok整個輸出紋波都太平了。超低esr電容長期供不應求,現代開關電源的設計降低紋波的主要手段就是靠超低esr固態電容實現的。只不過店大欺客我又一次嚐到了不好的滋味。還好現在國產這類電容也能做,只是沒有這麼極端吧,10mΩ的固態電容我還是能找到的,替代上去問題解決。同時需要說明一下的是黑金剛 紅寶石 尼吉康的固態電容依然在絕對參數上有優勢,比如極限esr和體積大小。但是價格上,供貨週期上一塌糊塗,小公司對他們而言議價能力太差。

PS:知道為什麼大多數開關電源選擇了100khz的開關頻率嗎?其實原因很簡單,大多數現代固態電容在100hkz的頻率下,正好達到了手冊標稱值的最低內阻。如果要超過100khz,就可能需要換其他方案了,成本效益曲線就不會太美麗了。

第十三個元器件 C14 1000pf 100v NPO 0603 高頻陶瓷,不懂為啥一定要用100v的,其實50v也是可以用的啦

第十四個元器件 C15 1uf 25v X5R 0805 其實這類電容都缺貨,這個電容不懂為啥突然降低了標準用了X5R而沒有統一用X7R 。雖然元器件缺貨,但是依然建議使用,因為PI的手冊上說了這個電容值,正好可以降低部分輸出紋波。手冊上真有寫

第十五個元器件 D1 600V 1A RS1J 國產能買到,在手冊上有具體說明不要用更高速的開關二極管,理由是太高速度的開關二極管會導致EMC變差,所以這裡千萬不要自作聰明選擇更快的產品型號,例如 US1M。SMA的封裝是為了RCD電路散熱選的。


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PS:最近詳細學習研究了RCD電路,發覺居然有人用了1N4007這樣的工頻整流二極管做RCD電路的鉗位二極管。原因是快恢復二極管的正向反應速度太快,導致一些不正常的尖峰。產生不良的emc惡化影響。許多設計都會選擇玻封那種老舊的二極管型號,原因就在此。

第十六個元器件D2 200v 1a 快恢復整流二極管 DFLR1200-7 我選了一個國產型號。Diodes這個牌子,採購說並不好買。同樣的這個二極管不建議太高速的型號,會導致emc惡化

第十七個元器件 F1 1A 慢熔保險絲,這個保險絲需要選用哪種盒裝的型號,在華德旗下稱之為2010封裝,之所以用這種封裝,主要原因還是為了符合安規,保險絲炸了之後,不會四處飛濺,導致其它元器件短路和損壞。貼片型不推薦。我為這個事情專門翻過充電頭網站,可以肯定幾乎所有的開關電源都選了這樣慢熔斷的盒裝保險絲。其實原因就是安規裡面也有這方面的要求,保險絲炸了不能冒煙,不能有明火。

至於保險絲的電流值如何選擇,這個很重要。我又一次要佩服PI的工程師了。因為如果這個保險絲容量太小,會影響做浪湧測試,簡單的說,保險絲先炸了。所以它的值不是隨隨便便選的。

第十八 十九個元器件是兩個接線端子,我不用的所以忽略

第二十個元器件是L1 150uh 共模電感。ok這是一個PI定製件,在PI的手冊上有製作方法。我一開始很傻很天真的認為我用大一點電感值比如1000uh的話濾波效果會更好一些。事實上完全不是這回事。濾波電感的值其實決定了濾波電感的材質150uh 就應該用鎳芯,如果是1000uh就是錳芯的磁環了。這完全就是兩種東西。補償的頻率完全不同。普通的開關電源都是用的錳芯的大電感值共模電感,一般10mh~20mh。但是innoswitch真的很特殊,它選用的是鎳芯。

說一句話,EMC其實是應該跟著電源走的,因為開關電源的高電壓開關作用,永遠都是最大的那個噪聲源,但是噪聲是集中在高頻還是集中在低頻,這是由芯片公司設計決定的,因為他們可以使用一種稱之為頻率抖動的技術,讓噪聲集中在高頻或者低頻,方便你濾波。所以大多數情況只要吧準磁芯的類型就不會錯。

至於共模電感是選擇,UU型的還是O型磁環。這裡我有一個小研究

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UU型共模電感

第一,價格便宜

第二,製造簡單,只需要簡單的機器就能繞制

第三,耐壓高

第四,體積相對於磁環要大

第五,電感的電流要比磁環小

第六,有底座安裝方便

第七,有漏感問題


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O型磁環共模電感

第一,價格貴

第二,體積小,可以在T6(外徑6mm)這個尺寸的體積下做出100uh的共模電感。

第三,需要適配底座,這樣價格就更貴了

第四,製作的時候需要飛梭,製造工藝複雜

第五,特性完美不存在漏感,磁飽和等問題

第六,通過電流大

第七,耐壓不易做高

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驚人的T6磁環,三層絕緣線和普通漆包線雙線並繞,牛逼啊,innoswitch系列的方案普遍使用了這類超小體積的共模電感。我由心底的佩服PI,因為正常的UU9.5的共模電感那個體積佔用不是一般的驚人。

第二十一個元器件 L2 220Ω 0.3A 1206 貼片電感,這個是wurth的標準件,主要作用是為了和電源負極100uh L3電感 做對應補償的。

第二十二個元器件 L3 100uh 0.49A 這個電感是傳統的工字形電感,這個電感值不能選的太大,如果選的太大就會導致在低電壓85V輸入的時候,無法通過足夠大的電流,因為電感對大電流的抑制能力很強。85VAC低電壓下正好是開關電源工作電流最大的情況。同時這個π型濾波電路中的電感,用在了電源的負極,原因手冊上也有說,那就是為了讓正極的安規電容放電讓路。ok PI夠嚴謹

C2 L3 C3這三個元器件事實上組成了一個三階濾波器,主要是用來濾除差模信號的。如果你為了節約PCB板子面積,完全可以用一個大容量的電容替代這三個元器件。但是相對應的就是差模信號的變糟糕。

第二十三個元器件60V 11A Nmos Si7460DP Vishay 這貨不好買啊,我的採購買的很辛苦,而且供貨價格也不好,被換國產型號了。但是注意PI的手冊上又說了,這個同步整流的mos管,不建議導通電阻太小,因為如果導通電阻太小,反而會導致EMC性能的變差。ok我又被教育了。


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注意這個mos管有用兩種封裝形式的,一種是傳統的soic-8,另外就是新型的PAK封裝了。這兩種封裝的主要區別是soic-8封裝芯片下面能走線,但是散熱不如PAK PAK散熱好,但是不可以芯片下面走線,所以有許多電源適配器廠家選用就是soic-8封裝的mos管,因為他們需要額外的QC快充協議芯片

第二十四~第三十六。這些都是貼片電阻,按照規格買就是了,只不過百分之一的電阻交貨週期不太好。要注意了,封裝決定一個電阻的耐壓與功耗,所以PI推薦的電阻封裝千萬不要改小,只能改大,切記切記

第三十六個元器件 NTC 5Ω 1A 我選的是5D9 國產型號。這也是安規器件,和浪湧有關,不要選體積太小的型號

第三十八個元器件 變壓器,我定做的是rm6磁芯的變壓器.這個我會專門分一期詳細講解

第三十九~第四十一 測試點,我不需要的

第四十二個元器件,U1 我用的是 INN2125K innoSwitch CE系列中瓦數最大的哪一款。實際使用中發現這個神一般的ReSOP -16B封裝絕對是精心設計過的。

第一,元器件的管腳間距是有安規要求的,這個ReSOP -16B完全符合

第二,芯片是不能貼PCB的,這個ReSOP -16B完全符合

第三,芯片的正反面都不允許有金屬裸露,否則初次極的安規要求就無法滿足。

PI整個設計都是掐著安規走的。

第四十三個元器件 VR1 15v 5% 150mW 松下產品,鬼畜般的ssmini-2封裝,這貨基本就沒法量產購買到。選了個國產sot523封裝的貼片穩壓管順利替換了。這個二極管的作用是起到保護作用的,平時是不工作的,所以可以選用sot523這樣的超小耗散封裝。PI的人又一次用心選了器件。

正張bom表理清楚以後,我充分的意識到了。一款開關電源的好壞,其實並不僅僅是你選了一個好方案,或者好的電路,而是你對整個供應鏈的把控。我來說說那些不好買的


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在我設計這款開關電源的時候,正恰逢,整個電子行業元器件慌。0.1uf~10uf的瓷片電容全部缺貨。10mΩ ESR電阻的固態電容大公司根本不供貨。T6的磁環的共模電感就是個定製貨。難倒了我好幾個供應商夥伴。寬溫工作範圍的磁芯,拿貨都困難。定製的變壓器安規骨架,都不是好搞得東西,但是沒有這些東西。就沒有優質的開關電源。

PS:你仔細觀察那張bom清單上的貼片電阻電容,大量都是非常用規格,有的是耐壓不對了,是超過50V標稱的高耐壓瓷片電容,有的是封裝大一號,有的是阻值容值比較妖孽,不是常規阻值容值。所以這對採購其實提出了很高的要求。


一個開關電源工程師的設計筆記(二)BOM表元器件選型


如果你把之前電路中的emc 還有那些小容量的補償電容電阻去掉,換用普通的常溫磁芯變壓器,還有獨立電容輸入濾波,輸出也用普通的低esr電容濾波,結果就是便宜了幾塊錢,然後要花幾十塊錢去救,得不償失,PI的可靠就是每一個你沒有想到的,別的廠家不注意的地方,他們都給你想到了,他們都給你算好了。這就是為什麼這麼多白電廠家為了產品穩定可靠,都一致選擇了PI的原因。隨手翻翻別人家的datasheet手冊,或者是參考設計,你基本就明白了。不比不知道,一比嚇一跳。


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