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一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型

出处:小李半导体 发布于:2019-02-12 14:32:27 | 486 次阅读

  看了这么多的方案,最终我选了PI,原因很简单,追求性价比的小米选用,伺候和先进,集成同步整流,效率高,体积小,bom表元器件数量少。
  虽然已经选定了PI的innoswitch系列作为自己的设计方案。但是到了具体设计我又需要确定使用innoswitch下面的那个系列的具体那款型号。


  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型我当初做innoswitch的时候,还没有innoswitch3系列的芯片。但是就算这样innoswitch也有4个系列,具体什么差异怎么选型,其实是一个很痛苦的事情。具体情况我求助了PI的工程师,问了一下他们主力出货芯片的具体系列和具体型号。inn2125K 是我的供应商能提供给我的唯一的货期及时的芯片。也是PI innoswitch 对零售供应的最主力型号。我能有什么选择呢?那就只有接受事实上,innoswitch CH CE CP EP 4个系列对应了四种不同的产品。CH系列就是为了充电器设计了,拥有最小的bom表元器件数量。不需要过流采样电阻。CE是主力出货的零售产品系列,CP我不是很了解,但是EP拥有高压型号,算是正规的工业产品。其实他们之间除了CH以外其他几个型号的差异并不是很大。但是CH其实是被大量企业定制圈走了的。我拿到的Inn2125K并不是产量真是最大的那种,只是对于小客户而言,有货。
  当然我对这些并不是很在乎,毕竟他们之间的区别并不是很大。
  选定芯片就是选方案。FAE给了我一份参考设计DER-471

     注意这里的版本号,必须是1.3以上的,因为1.2以下的版本电路图有错。别问我为啥知道的,因为一开始fae给我的就是1.2版本

    

BOM表元器件选型这是DER-471的电路图,我之后的介绍就都会围绕这张电路图的BOM表展开一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型这张博大精深的BOM表其实蕴含的功底之高,让人深感佩服。PI的可靠其实就是PI的AE工程师真本事做出来的,每次当我发现我错了,那一定就是我没有注意到这张BOM表上的细节。一次又一次证明了PI工程师的强大。其它人家的方案,其他人家的设计,可能真的不是设计不行,但是他们的工程师绝对拿不出这么精致的一份BOM表。
  第一个是元器件是桥堆BR1,DF206T-G 这个元器件我并没有选用,我选用的是ABS210,原因很简单,充电头网上大量的充电器用的是ABS210,这个器件相对好买到。规格上并无出入。但是2A电流的桥堆为什么要用这么大,理由也很简单,一个是耗散功耗,一个是瞬态电流,一开始我不懂,后期我用pspice仿真下来真的有接近2A的尖峰电流。这是真的。同时记得,如果没有压敏电阻的话,浪涌的级别也和桥堆大小有关。
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型第二个元器件是C1 33nf的 x2安规电容,正常的开关电源都是0.1uf的x2安规电容的,33nf的电容体积小了很多。整个innoswitch2系列都是用的这种小容里的安规电容。我选择的是 RIFA电容,因为RIFA的安规电容,在这个规格上有4mm厚度的,比常规产品要薄1mm一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型其实如果你仔细研究这些安规器件,你会知道,引脚的间距都是有要求的,在高度大多数情况下不重要的前提下,厚度就是它们之间最主要的差别了。同时不要忘记它也是重要的安规器件,一分价钱一分货,如果质量差了会对emc有显着影响的。顺带提一句,如果你不是固定负载始终连接着的话,这颗x2电容两个引脚之间最好加上放电电阻,因为安规里面有要求,在撤掉电源情况下,电容的电压需要快速跌落,避免造成安全事故。
  第三个元器件是C2 C3 15uf 400V的滤波电容,这个比较常见Nichicon开关电源滤波电容,这类电容其实分为四类,一类是LED照明灯用,一类是开关电源专用,一类是常用型号,一类是闪光灯用。这里用LED适配型,和开关电源专用型号都是ok的。他们主要区别其实就是纹波电流。
  PS,知道为什么开关电源使用的电解电容都是直插电容吗?因为相比贴片电解电容而言,直插电容拥有更小的pcb板面积,所以对于一款紧凑型的开关电源而言,直插电解电容式不二之选。
  第四个元器件是C4 瓷片电容,注意材质是x7r。这个电容用来在启动的时候检测设定的innoswitch工作的电流大小模式。
  当10uf的时候innoswitch初级工作电流最小
  当1uf的时候innoswitch初级工作电流最大
  当0.1uf的时候innoswitch初级工作电流正常
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型注意,加电压会导致瓷片电容的容量下降,尤其是当你选择10uf的大容量瓷片的时候,压电效应尤为明显,所以当你在选择10uf大容量的电容的时候,请注意选大一号封装第五个元器件是C5 22uf 25v 这个电容是辅助绕组整流滤波电容,建议使用普通固态电容,是低esr的,但是不用那种特别的超低esr电容。几十个豪欧的esr电阻就够了,但是温度建议选择-40~125度的类型。因为它在pcb板子布设的时候会比较容易靠近变压器第六个元器件是C6 100pf 50v NPO高频陶瓷 0603电容,常见元器件第七个元器件是C7 1.5uf 25v X7R 0805 电容 这个容量值比较妖孽,折磨的我死去活来的。简而言之就是不好买,但是这个值又是必须的。建议wurth申请样品。封装可以改大一号选1206的也不是问题。但是不能改小。在innoswitch的手册上有对这个电容的具体介绍,必须要用x5r或者是x7r的类型,否则如果温飘过大会导致系统的不稳定。
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型这是wurth上相同容量不同封装的两颗电容在不同电压下的实际容量曲线图,可以看到小封装的电容,在高压下容量缩水严重。这就是说PI的说法又一次被验证了。是正确的第八个元器件C8 330p 50v x7r 0603 普通的瓷片电容比较好买的,50v耐压的都是常规备料。
  第九个元器件2.2nf 200v x7r 0805 这是RCD电路中的高压电容。建议选择2.2nf 630v的型号,嘉里创上面有卖。我当初是按照他的建议选了200v的型号,pi应该是算过的,够用的。但是我依然不放心。
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型第十个元器件是100pf Y1安规电容,一般普通开关电源使用的Y电容都是2200pf的。innoswitch 2系列用的都是100pf的小容量安规电容,这个电容是跨接在初级与次级之间的。如果它的容量小对emc不利,但是对于用户使用漏电流减小了,可是实实在在的福利,不容易麻手了,使用更安全了。这是innoswitch先进的地方。一开始选innoswitch的时候我并不知道。
  第十一个元器件是 1.5nf 200v的 X7R 0805封装的,这里建议用NPO或者C0G的高频陶瓷,这个容量用高频陶瓷更加稳定,不容易出现开关电源随着温飘,导致的EMC特性改变。
  第十二个元器件是 C12 C13 470uf 6.3V 黑金刚的固态电容,这个电容非常牛逼8mΩ的超低esr,黑金刚不给我供货。理由是我用不到。ok,我以第一次选了40mΩ左右的黑金刚固态电容,纹波一塌糊涂,最后我换了别家的电容,ok整个输出纹波都太平了。超低esr电容长期供不应求,现代开关电源的设计降低纹波的主要手段就是靠超低esr固态电容实现的。只不过店大欺客我又一次尝到了不好的滋味。还好现在国产这类电容也能做,只是没有这么极端吧,10mΩ的固态电容我还是能找到的,替代上去问题解决。同时需要说明一下的是黑金刚 红宝石 尼吉康的固态电容依然在绝对参数上有优势,比如极限esr和体积大小。但是价格上,供货周期上一塌糊涂,小公司对他们而言议价能力太差。
  PS:知道为什么大多数开关电源选择了100khz的开关频率吗?其实原因很简单,大多数现代固态电容在100hkz的频率下,正好达到了手册标称值的最低内阻。如果要超过100khz,就可能需要换其他方案了,成本效益曲线就不会太美丽了。
  第十三个元器件 C14 1000pf 100v NPO 0603 高频陶瓷,不懂为啥一定要用100v的,其实50v也是可以用的啦第十四个元器件 C15 1uf 25v X5R 0805 其实这类电容都缺货,这个电容不懂为啥突然降低了标准用了X5R而没有统一用X7R 。虽然元器件缺货,但是依然建议使用,因为PI的手册上说了这个电容值,正好可以降低部分输出纹波。手册上真有写第十五个元器件 D1 600V 1A RS1J 国产能买到,在手册上有具体说明不要用更高速的开关二极管,理由是太高速度的开关二极管会导致EMC变差,所以这里千万不要自作聪明选择更快的产品型号,例如 US1M。SMA的封装是为了RCD电路散热选的。
  PS:最近详细学习研究了RCD电路,发觉居然有人用了1N4007这样的工频整流二极管做RCD电路的钳位二极管。原因是快恢复二极管的正向反应速度太快,导致一些不正常的尖峰。产生不良的emc恶化影响。许多设计都会选择玻封那种老旧的二极管型号,原因就在此。
  第十六个元器件D2 200v 1a 快恢复整流二极管 DFLR1200-7 我选了一个国产型号。Diodes这个牌子,采购说并不好买。同样的这个二极管不建议太高速的型号,会导致emc恶化第十七个元器件 F1 1A 慢熔保险丝,这个保险丝需要选用哪种盒装的型号,在华德旗下称之为2010封装,之所以用这种封装,主要原因还是为了符合安规,保险丝炸了之后,不会四处飞溅,导致其它元器件短路和损坏。贴片型不推荐。我为这个事情专门翻过充电头网站,可以肯定几乎所有的开关电源都选了这样慢熔断的盒装保险丝。其实原因就是安规里面也有这方面的要求,保险丝炸了不能冒烟,不能有明火。
  至于保险丝的电流值如何选择,这个很重要。我又一次要佩服PI的工程师了。因为如果这个保险丝容量太小,会影响做浪涌测试,简单的说,保险丝先炸了。所以它的值不是随随便便选的。
  第十八 十九个元器件是两个接线端子,我不用的所以忽略第二十个元器件是L1 150uh 共模电感。ok这是一个PI定制件,在PI的手册上有制作方法。我一开始很傻很天真的认为我用大一点电感值比如1000uh的话滤波效果会更好一些。事实上完全不是这回事。滤波电感的值其实决定了滤波电感的材质150uh 就应该用镍芯,如果是1000uh就是锰芯的磁环了。这完全就是两种东西。补偿的频率完全不同。普通的开关电源都是用的锰芯的大电感值共模电感,一般10mh~20mh。但是innoswitch真的很特殊,它选用的是镍芯。
  说一句话,EMC其实是应该跟着电源走的,因为开关电源的高电压开关作用,永远都是最大的那个噪声源,但是噪声是集中在高频还是集中在低频,这是由芯片公司设计决定的,因为他们可以使用一种称之为频率抖动的技术,让噪声集中在高频或者低频,方便你滤波。所以大多数情况只要吧准磁芯的类型就不会错。
  至于共模电感是选择,UU型的还是O型磁环。这里我有一个小研究一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型UU型共模电感
  第一,价格便宜
  第二,制造简单,只需要简单的机器就能绕制
  第三,耐压高
  第四,体积相对于磁环要大
  第五,电感的电流要比磁环小
  第六,有底座安装方便
  第七,有漏感问题
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型O型磁环共模电感
  第一,价格贵
  第二,体积小,可以在T6(外径6mm)这个尺寸的体积下做出100uh的共模电感。
  第三,需要适配底座,这样价格就更贵了
  第四,制作的时候需要飞梭,制造工艺复杂
  第五,特性完美不存在漏感,磁饱和等问题
  第六,通过电流大
  第七,耐压不易做高
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型惊人的T6磁环,三层绝缘线和普通漆包线双线并绕,牛逼啊,innoswitch系列的方案普遍使用了这类超小体积的共模电感。我由心底的佩服PI,因为正常的UU9.5的共模电感那个体积占用不是一般的惊人。
  第二十一个元器件 L2 220Ω 0.3A 1206 贴片电感,这个是wurth的标准件,主要作用是为了和电源负极100uh L3电感 做对应补偿的。
  第二十二个元器件 L3 100uh 0.49A 这个电感是传统的工字形电感,这个电感值不能选的太大,如果选的太大就会导致在低电压85V输入的时候,无法通过足够大的电流,因为电感对大电流的抑制能力很强。85VAC低电压下正好是开关电源工作电流最大的情况。同时这个π型滤波电路中的电感,用在了电源的负极,原因手册上也有说,那就是为了让正极的安规电容放电让路。ok PI够严谨C2 L3 C3这三个元器件事实上组成了一个三阶滤波器,主要是用来滤除差模信号的。如果你为了节约PCB板子面积,完全可以用一个大容量的电容替代这三个元器件。但是相对应的就是差模信号的变糟糕。
  第二十三个元器件60V 11A Nmos Si7460DP Vishay 这货不好买啊,我的采购买的很辛苦,而且供货价格也不好,被换国产型号了。但是注意PI的手册上又说了,这个同步整流的mos管,不建议导通电阻太小,因为如果导通电阻太小,反而会导致EMC性能的变差。ok我又被教育了。
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型注意这个mos管有用两种封装形式的,一种是传统的soic-8,另外就是新型的PAK封装了。这两种封装的主要区别是soic-8封装芯片下面能走线,但是散热不如PAK PAK散热好,但是不可以芯片下面走线,所以有许多电源适配器厂家选用就是soic-8封装的mos管,因为他们需要额外的QC快充协议芯片第二十四~第三十六。这些都是贴片电阻,按照规格买就是了,只不过百分之一的电阻交货周期不太好。要注意了,封装决定一个电阻的耐压与功耗,所以PI推荐的电阻封装千万不要改小,只能改大,切记切记第三十六个元器件 NTC 5Ω 1A 我选的是5D9 国产型号。这也是安规器件,和浪涌有关,不要选体积太小的型号第三十八个元器件 变压器,我定做的是rm6磁芯的变压器.这个我会专门分一期详细讲解第三十九~第四十一 测试点,我不需要的
  第四十二个元器件,U1 我用的是 INN2125K innoSwitch CE系列中瓦数最大的哪一款。实际使用中发现这个神一般的ReSOP -16B封装绝对是精心设计过的。
  第一,元器件的管脚间距是有安规要求的,这个ReSOP -16B完全符合第二,芯片是不能贴PCB的,这个ReSOP -16B完全符合第三,芯片的正反面都不允许有金属裸露,否则初次极的安规要求就无法满足。
  PI整个设计都是掐着安规走的。
  第四十三个元器件 VR1 15v 5% 150mW 松下产品,鬼畜般的ssmini-2封装,这货基本就没法量产购买到。选了个国产sot523封装的贴片稳压管顺利替换了。这个二极管的作用是起到保护作用的,平时是不工作的,所以可以选用sot523这样的超小耗散封装。PI的人又一次用心选了器件。
  正张bom表理清楚以后,我充分的意识到了。一款开关电源的好坏,其实并不仅仅是你选了一个好方案,或者好的电路,而是你对整个供应链的把控。我来说说那些不好买的一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型在我设计这款开关电源的时候,正恰逢,整个电子行业元器件慌。0.1uf~10uf的瓷片电容全部缺货。10mΩ ESR电阻的固态电容大公司根本不供货。T6的磁环的共模电感就是个定制货。难倒了我好几个供应商伙伴。宽温工作范围的磁芯,拿货都困难。定制的变压器安规骨架,都不是好搞得东西,但是没有这些东西。就没有优质的开关电源。
  PS:你仔细观察那张bom清单上的贴片电阻电容,大量都是非常用规格,有的是耐压不对了,是超过50V标称的高耐压瓷片电容,有的是封装大一号,有的是阻值容值比较妖孽,不是常规阻值容值。所以这对采购其实提出了很高的要求。
  一个开关电源工程师的设计笔记(二)BOM表元器件选型如果你把之前电路中的emc 还有那些小容量的补偿电容电阻去掉,换用普通的常温磁芯变压器,还有独立电容输入滤波,输出也用普通的低esr电容滤波,结果就是便宜了几块钱,然后要花几十块钱去救,得不偿失,PI的可靠就是每一个你没有想到的,别的厂家不注意的地方,他们都给你想到了,他们都给你算好了。这就是为什么这么多白电厂家为了产品稳定可靠,都一致选择了PI的原因。随手翻翻别人家的datasheet手册,或者是参考设计,你基本就明白了。不比不知道,一比吓一跳。

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