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PCB布局該這么做!150W LED驅(qū)動(dòng)電源拆解學(xué)習(xí)

發(fā)布時(shí)間:2013-12-10 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】學(xué)習(xí)電源設(shè)計(jì)的朋友們對(duì)臺(tái)灣明緯的LED電源一定不陌生,它的設(shè)計(jì)思路和電源制造工藝及EMC設(shè)計(jì)整改策略都讓人受益匪淺。今天就帶來網(wǎng)友的一款明緯的150W LED驅(qū)動(dòng)電源拆解,順便分享一下網(wǎng)友總結(jié)的PCB布局的一些經(jīng)驗(yàn),學(xué)完這款電源,相信對(duì)工程師們獨(dú)立設(shè)計(jì)出有自己特色的電源產(chǎn)品一定會(huì)有所幫助。

今天打算犧牲350元人民幣,開始準(zhǔn)備為大家拆解一款臺(tái)灣明緯的150W LED驅(qū)動(dòng)電源,主要目的是讓大家一起探討一下大功率LED驅(qū)動(dòng)電源以及LLC電源的原理與設(shè)計(jì)。

該電源技術(shù)參數(shù)如下:輸入:AC100-260V,47~63Hz,PF〉0.95@220V,full load;輸出:DC43-53V可調(diào),1.9-3.2A可調(diào),最高效率大于0.93,IP65 ,已過CE認(rèn)證等。

該電源很結(jié)實(shí),花了一天時(shí)間,總算把灌封膠拆開,用的是灰黑色軟性電子硅膠,灌滿外殼容積的90%,有經(jīng)抽真空處理,完全灌滿整個(gè)電路板無氣泡,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是PFC+LLC結(jié)構(gòu)。先上一張圖。

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PFC部分使用安森美的NCP1608控制芯片,LLC部分使用集成變壓器設(shè)計(jì),控制部分使用ST的L6599,恒流恒壓部分使用LM224運(yùn)放設(shè)計(jì)。

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附件是電參量測試報(bào)告,使用的儀器是:電子負(fù)載:艾德克斯IT8700系列,AC source:遠(yuǎn)方TPS-500B,功率計(jì):遠(yuǎn)方PF9811 。

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這個(gè)電源規(guī)格書標(biāo)的效率最高可達(dá)0.94,實(shí)際上測出來只有0.93,因?yàn)闇y試方法和儀器誤差問題,不好說有沒有虛標(biāo)效率。關(guān)于效率問題,不用糾結(jié)太多,別人做得好的地方應(yīng)該要接納,不能一味的否定。我手頭還有一個(gè)茂瑣的150w電源,標(biāo)稱效率最大0.92,工作時(shí)外殼很燙手,實(shí)測效率最大只有0.88。

LLC的mos管使用st的13NM60N,TO-220 塑封。

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PCB尺寸為:187*61*27mm,PFC電感用的是PQ2620磁芯,LLC變壓器磁芯可能是明緯自己開的模,兩塊磁芯并在一起尺寸是41*33*14mm(長寬高),雙槽骨架,這個(gè)比ER和ETD的磁芯更適合做LLC變壓器。

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接下來跟大家討論一下開關(guān)電源PCB元件布局問題,好的布局應(yīng)該有利于散熱,有利于EMC,有利于生產(chǎn),有利于穩(wěn)定性。布局需要注意的事項(xiàng)有很多方面,但有時(shí)候需要綜合考慮和折中考慮,不可能面面俱到。
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PCB布局需要注意的有以下方面:

1:流過大電流的電解電容需要并聯(lián)使用是,應(yīng)該盡量使用相同規(guī)格電容,要相互靠近,不宜分開。并聯(lián)的電容需要均流,所以要保持相同的阻抗,不同電容阻抗不一樣,總阻抗還跟pcb走線長度,溫度環(huán)境相關(guān),分開使用后很難保證這兩方面參數(shù)保持一致。

2:電解電容和薄膜電容(包括安規(guī)電容)等溫度特性不怎么好,持續(xù)高溫情況下會(huì)影響穩(wěn)定性跟壽命,這類電容自身一般不怎么發(fā)熱,但是如果貼近或靠近發(fā)熱量大的元件,如功率電感,變壓器,功率MOS,橋堆,功率二極管,大功率電阻等將嚴(yán)重影響穩(wěn)定性和壽命。

3:大功率電阻有條件的話最好豎起來放增加空氣對(duì)流,如要橫放,千萬不要讓電阻管體貼著pcb,這樣會(huì)影響電阻散熱還可能會(huì)烤黃pcb板材。

4:可調(diào)電阻等微調(diào)元件不要貼近或靠近發(fā)熱量大的元件(如功率變壓器),一方面因?yàn)闇囟葧?huì)電阻的阻值和壽命,進(jìn)而影響可調(diào)電路部分精確度,另一方面可調(diào)電阻等一般帶有機(jī)械部分和塑料部分,這些都是不能耐高溫的,容易老化損害。

5:工作在低溫場合的pcb,特別是面積比較大的時(shí)候,必須要在板材無各處盡量均勻的打洞和割槽,不然經(jīng)過強(qiáng)烈熱脹冷縮之后,pcb會(huì)變形甚至銅箔翹起。

6:光耦和控制IC不宜放在變壓器磁芯結(jié)合處切線正下方(臥式變壓器尤為嚴(yán)重),因?yàn)檫@個(gè)地方散磁通和漏磁通很大,影響到光耦所在的反饋回路,容易使電源不穩(wěn)定。

7:貼片電容很容易在生產(chǎn)過程中被壓壞,所以pcb的貼片面盡量貼一下比最高貼片電容要高一點(diǎn)的貼片元件,這是為了保護(hù)貼片電容。

8:插件面盡量讓散熱器高度略高于最高的電解電容和磁性元件,并使pcb插件面朝下,貼片面朝上的方式擺放時(shí)保持平衡,這樣有利于在生產(chǎn)中保護(hù)磁芯不被碰裂,電解電容不被擠扁,并有利于調(diào)試和維修焊接。

9:保修管也有壽命,溫度越高,內(nèi)部金屬絲蒸發(fā)越快,壽命越短,所以保險(xiǎn)管也不應(yīng)靠近發(fā)熱量大的元件上,盡量避免用低端的玻璃保險(xiǎn)管,如果要用,必須用熱縮管套住管體。

10:相近的兩個(gè)磁性元件應(yīng)該讓磁路方向相互垂直的方向放置。

明緯這個(gè)板子在以上10個(gè)方面都基本注意得很好,除了pfc部分的cbb電容靠近橋堆的散熱器這一點(diǎn)沒做到。
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這個(gè)PFC部分的電路如下:實(shí)測輸入從75~270VAC能正常工作,輸出430V,mos管工作頻率為60Khz@100V,140KHz@220V ,附件給出的PFC的拓?fù)洳糠蛛娐贰?

明緯這個(gè)板子在我上面寫的10個(gè)方面都基本注意得很好,除了pfc部分的cbb電容靠近橋堆的散熱器這一點(diǎn)沒做到。

控制部分可以參考NCP1608 規(guī)格書。

首先來跟大家探討一下輸出電壓為什么取430V而不是400V。

原因一:對(duì)提高LLC拓?fù)湫蕘碚f,希望輸入電壓高一點(diǎn)。
原因二:PFC輸出電壓越高,開關(guān)頻率的變化范圍將縮小,有利于EMC控制,有利于選擇更高的最小開關(guān)頻率,提高功率密度。

為什么開關(guān)頻率的變化范圍將縮小,由CrM-PFC開關(guān)頻率的公式就可以知道。
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但是當(dāng)電壓取430V的時(shí)候有個(gè)問題需要嚴(yán)重考慮,就是輸出電壓峰值會(huì)不會(huì)超過450V的電解電容的額定電壓的問題。

明緯的解決方案是:1,使用有PFC輸出過壓保護(hù)的控制芯片(可參考NCP1608 datasheet);2,然后就是使用品質(zhì)很好的電容品牌(黑金剛),大品牌的產(chǎn)品在額定電壓上一般留有5-10%以上的余量,450V額定電壓的電容最高可工作到475-500V之間。3。加快環(huán)路響應(yīng)時(shí)間(后面會(huì)在這個(gè)話題上展開),減少過沖和下沖。

上面發(fā)的PFC拓?fù)洳糠值碾娐穲D中,功率mos管的驅(qū)動(dòng)電路使用了PNP加速關(guān)斷電路。 

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好處主要有:
1,加快功率mos關(guān)斷速度,從而減少mos跨越線性區(qū)的時(shí)間,減少關(guān)斷損耗;
2,具有單獨(dú)的地回路,減少IC所在地平面的擾動(dòng);
3,增加漏極的dv/di耐受能力。

缺點(diǎn)有:
1,增加成本;
2,更大的dv/dt和di/dt,更嚴(yán)重的EMC問題;
3,關(guān)斷的時(shí)候電壓不能到零,會(huì)有一個(gè)PN結(jié)壓降。

需要折中考慮的問題:mos開關(guān)損耗與EMC問題。mos開關(guān)的速度越快,損耗越小,但EMC問題越嚴(yán)重。通常驅(qū)動(dòng)回路阻抗大小都控制在幾個(gè)歐姆到幾十歐姆之間。再看MW這個(gè)電路,開啟阻抗10來歐姆,關(guān)斷幾個(gè)歐姆。由此看來折中點(diǎn)相當(dāng)偏向于小的損耗方面,意味著需要更多的EMC成本投入。

還有一個(gè)問題想跟大家討論一下:為什么很多的MOS管驅(qū)動(dòng)電路中多注重關(guān)閉電路少注重開啟電路呢,為什么不把開啟和關(guān)閉的阻抗設(shè)計(jì)成一樣呢?這樣一來,只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻就能任意調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)間了?

我個(gè)人覺得:1。開啟電路部分受限于IC驅(qū)動(dòng)的能力;2。開啟瞬間更容易引起回路振蕩,為了衰減振蕩,限制了選取更小的驅(qū)動(dòng)電阻;3。開啟電路無法獨(dú)立于IC的地平面,過小的驅(qū)動(dòng)電阻,會(huì)是ic所在的地平面擾動(dòng)加大。4。mos管Coss電容和漏極寄生電感存在,使得漏極電流Id,不能很快得跟上驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

把大家關(guān)注的LLC變壓器和諧振電容參數(shù)貼出來。

諧振電容:1000V39nF
集成變壓器:Lp:1450uH,Llk=(207+186)/2 uH,副邊采用全波整流,
匝數(shù)比:n=4.67

其中漏感是通過短路其中一副邊主輸出繞組測出,兩個(gè)副邊主輸出繞組對(duì)應(yīng)的漏感不太對(duì)稱。

可能有網(wǎng)友認(rèn)為,測量LLC集成變壓器的漏感的方法應(yīng)該是短路所有副邊繞組來測量。國內(nèi)外很多文獻(xiàn)當(dāng)中也對(duì)這個(gè)問題的解釋不是很清晰。我個(gè)人認(rèn)為從LLC工作狀態(tài)來分析,短路其中一副邊測出來的值接近實(shí)際情況。

LLC的Q值與k值都有討論過了,接下來想跟大家探討一下輸出端使用全波整流時(shí),兩二極管電流不對(duì)稱問題。

輸出二極管的兩路整流電流很少看到非常對(duì)稱的,導(dǎo)致此問題的原因是兩路所對(duì)應(yīng)的參數(shù)存在差異性導(dǎo)致的,如Mos的驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱,兩路整流所對(duì)應(yīng)的變壓器初級(jí)漏感不一致,兩路回路阻抗不一致等等,其中影響最大的可能是Mos驅(qū)動(dòng)脈沖不一致,而這個(gè)往往是由控制芯片決定而不容易調(diào)節(jié)的。還有一個(gè)容易忽視的原因是溫度,溫度具有兩面性,有利于二極管均流的一面,也有導(dǎo)致其他參數(shù)惡化從而影響均流的一面。
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上傳幾張測試波形圖,黃色波形為橋臂中點(diǎn)電位,藍(lán)色波形為諧振回路電流。三種圖分別是工作在三個(gè)不同工作區(qū)的波形。

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工作頻率和輸出電壓的關(guān)系如下:

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