8年电源设计过程碰到的问题及解决方法
品慧电子讯一直有想法写写这些年的技术中遇到的问题与解决方法以做积累，这些年都用到了很多的电源拓扑结构，设计产品，做认证，到量产，设计中和调试时种种意想不到的情况时有发生，算算还是挺有意思的。按照流水账方式做个记录，顺便自己也可以复习一下之前的知识点,有不对的地方还望大家批评指正。BUCK电路降压电路输出电压小于输入电压。
调试中碰到的问题，PWM占空比不稳定，大小波，负载切载时输出有抖动，起机过冲，满载起机抖动，批量生产有少量IC损坏。EMC的问题，辐射超标。1、PWM占空比不稳定，大小波。可以通过调节环路参数来处理，如图上的C2，R2，C1,R1。设计可以参考《开关电源设计第三版》第12章图12.12。对于改这2个参数无效果的那就要反推设计中的电感和电容是否合适，直接点就是看电感的电流波形，采用电感的串并联观察PWM波形变化。另外，IC的占空比如果在极限附近，如占空比90%，工作时达到88%同样也会影响PWM的大小波，这个时候要考虑是否更换占空比更大的IC。2、切载（满载切空载，空载切满载）时输出有抖动，如振荡2个周期以上，需要调节环路响应。3、起机过冲，更改软启动电容，IC没有软启动电容的情况可以在图纸中RS1上并联电容，或者参考参考书里面软启动方案。4、满载起机抖动，需调节软启动和反馈电阻电容。也有启动时电感啸叫的，要过电感波形看看是否饱和，需要限制电感电流，更改峰值电流电阻或者改电感。5、批量生产时，有少量的IC损坏，之前碰到过案例，将IC的BOOT电容端增加一个稳压管解决了。6、辐射问题也跟整改一般的辐射问题一样，MOSFET驱动电阻增大，MOSFET的DS并联瓷片电容，D极串磁珠，二极管增加RC吸收，串磁珠，输入输出的滤波电感电容。在第三方实验室整改辐射时可以采用套磁扣的方法找出是输入影响还是输出影响，或者找弄个探头测试是哪个元器件出来的干扰，再整改，提高效率。7、选型需要注意的部分，开关器件都有最大电压和电流的范围，要挂波形看管子的应力是否有余量，如果有-40℃的设计要降额，MOSFET的DS电压会下降，电容的容量下降，ESR增大，高温情况需看电感的参数，外购的电感温度范围一般在85℃，如果电感温度过高，环境温度过高会有匝间短路的风险。BOOST电路做的案子不多，碰到的问题比较少，有用模拟IC做的，也有用单片机做的，感觉这个环路比BUCK容易调整（之前的案子，功率小于60W）。碰到过很小的体积做LED60W电源，温度不好整，最后用了铁硅铝的磁环搞定了。FLYBACK这个是小功率电源应用很广泛的拓扑了，大家分析也是特别多的。我讲讲一款产品从设计到量产过程中的一个流程好了，以及其中碰到的问题和一些经验。
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借鉴下NXP的这个TEA1832图纸做个说明。分析里面的电路参数设计与优化并做到认证至量产。在所有的元器件中尽量选择公司仓库里面的元件，和量大的元件，方便后续降成本拿价格。贴片电阻采用0603的5%，0805的5%，1%，贴片电容容值越大价格越高，设计时需考虑。1、输入端，FUSE选择需要考虑到I2T参数。保险丝的分类，快断，慢断，电流，电压值，保险丝的认证是否齐全。保险丝前的安规距离2.5mm以上。设计时尽量放到3mm以上。需考虑打雷击时，保险丝I2T是否有余量，会不会打挂掉。2、这个图中可以增加个压敏电阻，一般采用14D471,也有采用561的，直径越大抗浪涌电流越大，也有增强版的10S471,14S471等，一般14D471打1KV,2KV雷击够用了，增加雷击电压就要换成MOV+GDT了。有必要时，压敏电阻外面包个热缩套管。3、NTC，这个图中可以增加个NTC,有的客户有限制冷启动浪涌电流不超过60A,30A，NTC的另一个目的还可以在雷击时扛部分电压，减下MOSFET的压力。选型时注意NTC的电压，电流，温度等参数。4、共模电感，传导与辐射很重要的一个滤波元件，共模电感有环形的高导材料5K,7K,0K,12K,15K，常用绕法有分槽绕，并绕，蝶形绕法等，还有UU型，分4个槽的ET型。这个如果能共用老机种的最好，成本考虑，传导辐射测试完成后才能定型。5、X电容的选择，这个需要与共模电感配合测试传导与辐射才能定容值，一般情况为功率越大X电容越大。6、如果做认证时有输入L,N的放电时间要求，需要在X电容下放2并2串的电阻给电容放电。7、桥堆的选择一般需要考虑桥堆能过得浪涌电流，耐压和散热，防止雷击时挂掉。8、VCC的启动电阻，注意启动电阻的功耗，主要是耐压值，1206的一般耐压200V,0805一般耐压150V，能多留余量比较好。9、输入滤波电解电容，一般看成本的考虑，输出保持时间的10mS，按照电解电容容值的最小情况80%容值设计，不同厂家和不同的设计经验有点出入，有一点要注意普通的电解电容和扛雷击的电解电容，电解电容的纹波电流关系到电容寿命，这个看品牌和具体的系列了。10、输入电解电容上有并联一个小瓷片电容，这个平时体现不出来用处，在做传导抗扰度时有效果。11、RCD吸收部分，R的取值对应MOSFET上的尖峰电压值，如果采用贴片电阻需注意电压降额与功耗。C一般取102/103 1KV的高压瓷片，整改辐射时也有可能会改为薄膜电容效果好。D一般用FR107,FR207，整改辐射时也有改为1N4007的情况或者其他的慢管，或者在D上套磁珠（K5A,K5C等材质）。小功率电源，RC可以采用TVS管替代，如P6KE160等。12、MOSFET的选择，起机和短路情况需要注意SOA。高温时的电流降额，低温时的电压降额。一般600V 2-12A足够用与100W以内的反激，根据成本来权衡选型。整改辐射时很多方法没有效果的时候，换个MOSFET就过了的情况经常有。13、MOSFET的驱动电阻一般采用10R+20R，阻值大小对应开关速度，效率，温升。这个参数需要整改辐射时调整。14、MOSFET的GATE到SOURCE端需要增加一个10K-100K的电阻放电。15、MOSFET的SOURCE到GND之间有个Isense电阻，功率尽量选大，尽量采用绕线无感电阻。功率小，或者有感电阻短路时有遇到过炸机现象。16、Isense电阻到IC的Isense增加1个RC，取值1K,331，调试时可能有作用，如果采用这个TEA1832电路为参考，增加一个C并联到GND。17、不同的IC外围引脚参考设计手册即可，根据自己的经验在IC引脚处放滤波电容。18、更改前：变压器的设计，反激变压器设计论坛里面讨论很多，不多说。还是考虑成本，尽量不在变压器里面加屏蔽层，顶多在变压器外面加个十字屏蔽。变压器一定要验算delta B值，delta B=L*Ipk/（N*Ae），L(uH),Ipk（A),N为初级砸数（T）,Ae（mm2）有兴趣验证这个公式可以在最低电压输入，输出负载不断增加，看到变压器饱和波形，饱和时计算结果应该是500mT左右。变压器的VCC辅助绕组尽量用2根以上的线并绕，之前很大批量时有碰到过有几个辅助绕组轻载电压不够或者重载时VCC过压的情况，2跟以上的VCC辅助绕线能尽量耦合更好解决电压差异大这个问题。19、更改后：变压器的设计，反激变压器设计论坛里面讨论很多，不多说。还是考虑成本，尽量不在变压器里面加屏蔽层，顶多在变压器外面加个十字屏蔽。变压器一定要验算delta B值，防止高温时磁芯饱和。delta B=L*Ipk/（N*Ae），L(uH),Ipk（A),N为初级砸数（T）,Ae（mm2）。（参考TDG公司的磁芯特性（100℃）饱和磁通密度390mT，剩磁55mT，所以ΔB值一般取330mT以内，出现异常情况不饱和，一般取值小于300mT以内。我之前做反激变压器取值都是小于0.3的）附，学习zhangyiping的经验（所以一般的磁通密度选择1500高斯，变压器小的可以选大一些，变压器大的要选小一些，频彔高的减小频彔低的可以大一些吧。）变压器的VCC辅助绕组尽量用2根以上的线并绕，之前很大批量时有碰到过有几个辅助绕组轻载电压不够或者重载时VCC过压的情况，2跟以上的VCC辅助绕线能尽量耦合更好解决电压差异大这个问题。附注：有兴趣验证这个公式的话，可以在最低电压输入，输出负载不断增加，看到变压器饱和波形，饱和时计算结果应该是500mT左右（25℃时，饱和磁通密度510mT）。<上一页123456下一页> - 第一页：8年电源设计过程碰到的问题及解决方法(1)
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EFT,ESD,SURGE有A,B,C等级。一般要A等级：干扰对电源无影响。7、低温起机。一般便宜的电源，温度范围是0-45℃，贵的，工业类，或者LED什么的有要求-40℃-60℃，甚至到85℃。-40℃的时候输入NTC增大了N倍，输入电解电容明显不够用了，ESR很大，还有PFC如果用500V的MOSFET也是有点危险的（低温时MOSFET的耐压值变低）。之前碰到过90V输入的时候输出电压跳，或者是LED闪几次才正常起来。增加输入电容容量，改小NTC,增加VCC电容，软启动时间加长，初级限流（输入容量不够，导致电压很低，电流很大，触发保护）从1.2倍放大到1.5倍，IC的VCC绕组增加2T辅助电压抬高；查找保护线路是否太极限，低温被触发（如PFC过压易被触发）。基本性能和安规基本问题解决掉，剩下个传导和辐射问题。这个时候可以跟客户谈后续价格，自己优化下线路。跟安规工程师确认安规问题，跟产线的工程师确认后续PCB上元器件是否需要做位置的更改，产线是否方便操作等问题。或者有打AI，过回流焊波峰焊的问题，及时对元器件调整。传导和辐射测试大家看得比较多，论坛里面也讲的多，实际上这个是个砸钱的事情。砸钱砸多了，自然就会了，整改也就快了。能改的地方就那么几个。1、这个里面看不见的，特别重要的就算是PCB了，有厉害的可以找到PCB上的线，割断，换个走线方式就可以搞掉3个dB,余量就有了。2、一般看到笔记本电源适配器，接电脑的部分就有个很丑的砣，这个就是个EMI滤波器，从适配器出线的部分到笔记本电脑这么长的距离，可以看成是1条天线，增加一个滤波器，就可以滤除损耗。所以一般开关电源的输出端有一个滤波电感，效果也是一样的。<上一页123456下一页>
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上个传导的图，仅供参考，之前传导整改大致分了几个区去调整的，有些细节不用太纠结。每个人的整改经验都还有所不同的，想法也有差异。
上个辐射的垂直于水平测试图，仅供参考，之前的辐射整改大致分了几个区去调整的，有些细节不用太纠结。每个人的整改经验都还有所不同的，想法也有差异。<上一页123456下一页> - 第一页：8年电源设计过程碰到的问题及解决方法(1)
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电源的干扰一般在200MHz以后基本没有了，垂直比较难整改，水平方向一般问题不大，有DC/DC的情况水平方向干扰会大些。
辐射整改
1、PCB的走线按照布线规则来做即可。当PCB有空间的时候可以放2个Y电容的位置：初级大电容的+到次级地；初级大电容-到次级地，整改辐射的时候可以调整。
2、对于2芯输入的，Y电容除了上述接法还可以在L,N输入端，保险丝之后接成Y型，再接次级的地，3芯输入时，Y电容可以从输入输出地接到输入大地来测试。
3、磁珠在辐射中间很重要，以前用过的材料是K5A,K5C，磁珠的阻抗曲线与磁芯大小和尺寸有关。如图所示，不同的磁珠对不同的频率阻抗曲线不同。但是都是把高频杂波损耗掉，成了热量（30MHz-500MHz）。一般MOSFET,输出二极管，RCD吸收的D，桥堆，Y电容都可以套磁珠来做测试。
4、输入共模电感：如果是2级滤波，第一级的滤波电感可以考虑用0.5-5mH左右的感量，蝶形绕法，5K-10K材质绕制，第一级对辐射压制效果好。如果是3芯输入，可以在输入端进线处用三层绝缘线在K5A等同材质绕3-10圈，效果巨好。
5、输出共模电感，一般采用高导磁芯5K-10K的材料，特殊情况辐射搞不定也可以改为K5A等同材质。
6、MOSFET，漏极上串入磁珠，输入电阻加大，DS直接并联22-220pF高压瓷片电容可以改善辐射能量，也可以换不同电流值的MOS，或者不同品牌的MOSFET测试。
7、输出二极管，二极管上套磁珠可以改善辐射能量。二极管上的RC吸收也对辐射有影响。也可以换不同电流值来测试，或者更换品牌。
8、RCD吸收，C更改容量，R改阻值，D可以用FR107，FR207改为慢管，但是需要注意慢管的温度。RCD里面的C可以串小阻值电阻。
9、VCC的绕组上也有二极管，这个二极管也对辐射影响大，一般采取套磁珠，或者将二极管改为1N4007或者其他的慢管。
10、最关键的变压器。能少加屏蔽就少加屏蔽，没办法的情况也只能改变压器了。变压器里面的铜箔屏蔽对辐射影响大，线屏蔽是最有效果的。一般改不动的时候才去改变压器。
11、辐射整改时的效率。套满磁珠的电源先做测试，PASS的情况，再逐个剪掉磁珠。fail的情况，在输入输出端来套磁环，判断辐射信号是从输入还是输出发射出来的。套了磁环还是fail的话，证明辐射能量是从板子上出来的。这个时候要找实验室的兄弟搞个探头来测试，看看是哪个元器件辐射的能量最大，哪个原件在超出限值的频率点能量最高，再对对应的元件整改。辐射的现象可以看成是功率器件在高速开关情况下，寄生参数引起的振荡在不同的天线上发射出去，被天线接收放大了显示出来，避免振荡信号出去就要避免高频振荡，改变振荡频率或者把高频振荡吸收掉，损耗掉，以至于显示出来值的时候不超标。磁珠的运用有个需要注意的地方，套住MOSFET的时候，MOSFET最好是要打K脚，套入磁珠后点胶固定，如果磁珠松动，可能导电引起MOSFET短路。有空间的情况下尽量采用带线磁珠。传导辐射整改完成后，PCB可以定型了，最好按照生产的工艺要求来做改善，更新一版PCB，避免生产时碰到问题。
1、验证电源的时刻到了，客户要求，规格书。电源样品拿给测试验证组做测试验证了。之前问题都解决了的话，验证组是没问题的，到时间拿报告就可以了。2、准备小批量试产，走流程，准备物料，整理BOM与提供样机给生产部同事。3、准备做认证的材料（保险丝，MOSFET等元器件）与样机以及做认证的关键元器件清单等文档性材料。关键元器件清单里面的元件一般写3个以上的供应商。认证号一定要对准，错了的话，后续审厂会有不必要的麻烦。剩下的都是一些基本的沟通问题了。做认证时碰到过做认证的时候温升超标了的，只能加导热胶导出去。或者提高效率，把传导与辐射的余量放小。这种问题一般是自己做测试时余量留得太少，很难碰到的。4、一般认证2个月左右能拿到的。2个月的时间足够把试产做好了。5、试产问题：基本上都是要改大焊盘，插件的孔大小更改，丝印位置的更改等。6、试产的测试按IPS和产线测试的规章制度完成。碰到过裸板耐压打不过的，原因竟然是把裸板放在绿色的静电皮上操作；也有是麦拉片折痕处贴的胶带磨损了。7、输入有大电容的电源，需要要求测试的工序里面增加一条，测试完毕给大电容放电的一个操作流程。8、试产完成后开个试产总结会，试产PASS，PCB可以开模了。量产基本上是不会找到研发工程师了，顶多就是替代料的事宜。9、做完一个产品，给自己写点总结什么的，其中的经验教训，或者是有点失败的地方，或者是不同IC的特点。项目做多了，自然就会了。整个开发过程中都是一个团队的协作，所以很厉害的工程师，沟通能力也是很强的，研发一个产品要跟很多部门打交道，技术类的书要看，技术问题也要探讨，同时沟通与礼仪方面的知识也要学习，有这些前提条件，开发起来也就容易多了。一个项目做完，接着做下一个，一个接着一个，一不小心就做了好几年了。就会开始迷茫了，开始会胡思乱想，什么时候是个头啊，什么的，想去探索着做自己没有做过的，以及新技术的应用等。同时也会发现刚入门2年3年的弟兄处理问题也不比自己差，又发现做的类似的项目越来越容易了，凭经验值可以得出什么样的电源用什么芯片方案，磁性器件，开关元器件等，成本什么的都可以了解到了，不同品牌的元器件的差异性，怎么去降成本，增加利润什么的。或者有开始转行，做业务，做管理，开始自己创业的想法等。迷茫过后，在我当时看来，这些技术的问题才刚刚开始，就像美剧一样，第一季往往只是个序幕。基础知识如高等数学、电路分析，模拟电路，数字电路，等专业基础东西大学都学过，不用讲了。但是出学校后，一旦开始设计就会看到datasheet，大部分的英文版，少部分的中文版。未来的中国场对IC公司来讲是个必争之地，所以现在中文版的IC资料也越来越多了。如何学习datasheet里面的参数，没有人教过，有个文档推荐看下，如附件。看不到附件的可以搜索： how to read a datasheet 的PDF档了解下。电路的设计是基于电子元器件，设计几年后，迷茫了，再回想想，电子元器件里面的参数都搞懂了？这些参数是怎么来的，测试？材料特性？尺寸？等等。这样的疑问会跟随很长时间。电阻，我们忽略了它部分特点，想想有几个人能全新设计完一款电源，不用改里面的电阻阻值、类别或者封装。电阻的老化，寿命，温飘，精度，时间阻值特性曲线，温度曲线等等。这些参数，我很久不看都忘了。但是查看datasheet后还是有所了解，datasheet里面的曲线也是对了解电阻很有帮助的。常用的NTC,PTC,MOV，GDT，这些特性和原理。还有这些元件的计算，就算不记得，也还是要了解，什么情况用什么样的元器件能满足要求，如果不能满足要求，又是什么方面的原因。这个时候datasheet里面就可以找到答案来对应。电容：有几个特性是需要注意的，做0-40℃的产品可能都还很顺利，但是做到-40℃—60℃的产品时就出问题了，起机不正常，跳了几次后才起来，LED电源最明显，输出带载抖动，PFC的MOSFET低温炸了，或者反激的MOSFET炸了。这个就是电容低温时的特性导致的。 电解电容在低温时ESR很大，容量很小，可以看成1个NTC与一个小电容串联，起机的前几个周期，电容峰值电压高，储能不够，无法满载起机，这种情况要加大电容容量，或者换更好的系列的电容。如输出抖动之类的情况基本就是反馈环路上的电容容值太临界，低温时容量的差异导致环路不稳定，热机后问题就没有重复出现了。 对于电容的材质、温度特性、以及datasheet里面图表和参数多少都必须要有了解，并且能用理论与自身经验来证明设计是对的。与电容在电路里面不同的作用必须弄清楚，才能选对电容。 电容的寿命也是需要关注的，瓷片电容，陶瓷电容虽然比电解电容寿命长，但是都是有寿命的，相关的问题都可以查找资料来参考。