高压非隔离开关电源的可靠设计

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基于网络的设计工具——PSW
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FSL3 基于网络的设计工具
• 通过点击自动完成， 一两分钟完成设计
磁性元件设计
• 逐步微调设计，实现 优化......
波特图
效率与损耗分析
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基于网络的设计工具 FSL3（续）
材料清单
仿真原理图
报告
• 通过点击自动完成 ，一两分钟完 成设计 • 逐步微调设计，实现优化......
IPP通常设为最大负载电流 (CCM) 的 25%-45%
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输出电容器考虑因素
• 当超过 100uF 时，输出电压纹波主要通过电容器 ESR 确定。 • 首选寿命较长的电容器。
Vcomp
VFB ILIMIT
D HV-DC INPUT D
VCC GND DC OUT
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设置输出电压
• DFB 用于 MOSFET 关闭期间取样和保持输出电压。
降压配置
两种配置：
• 成本驱动： 降压 • 性能驱动： 非隔离反激 • 保留偏压绕组选项 非隔离反激配置
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封装和降压开关组合
封装选项
DIP7
LSOP7
绿色模式降压开关选项
• 230VAC 时无偏压绕组（降压）下的无负载待机消耗 ＜ 120mW • 230VAC 时带偏压绕组（降压）下的无负载待机消耗 ＜ 25mW
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可靠的 FSL3
• FSL3 绿色模式降压开关在业内处于领先地位。
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基准
• FSL3 绿色模式降压开关在业内处于领先地位。
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评测板
演示板用户指南
图片——尺寸 64 x 33 [mm2]
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PCB 布 線 指南
• C2、C6 位于 IC 引脚旁边，以便更好地进行噪音去耦 • 补偿网络部件位于 IC 引脚附近，远离噪音源 • D3 位于 IC 附近以减少寄生走线电感
（固定重启时间）
C4 : Ids
650ms
AOCP 测试设置
输出短路
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wk.baidu.com
功能描述
*过压保护
• 将Vcc与内部VOVP参考进行对比
• 只要 Vcc＞ VOVP，栅极将被关闭 • 650ms 开关关闭时间，随后自动重启
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功能描述
• • • •
*反馈开路保护
如果反馈跟踪断路，VFB要低于 VFB_OLP FB_OLP 升高，并关闭栅极 650ms 无开关时间，随后自动重启 提高安全性/可靠性
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过载保护示波器波形
过载保护（85Vac 时）
650ms
（固定重启时间）
VDS Vcc C1： Vout
输出短路保护（85Vac 时）
Ids
C4 : Ids
过载保护（265Vac 时）
40ms
VDS Vcc Ids
固定 OLP 延迟时间
C1 : Vout
C4 : Ids
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功能描述
*异常过流保护 (AOCP)
• 对比 Rsense 电压和 VAOCP参考电压 • 在四次开关周期后触发 AOCP 保护 • 650ms 无开关时间，随后自动重启
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AOCP 基准数据
C1 : Vout
265Vac 时，AOCP 在以下情况下触发：
• 峰值漏极电流高于 AOCP 设置点 • OCP 期间，栅极持续导通时间为最低持续 导通时间
负载瞬态响应
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传导型 EMI
输出 = 15V / 0.45A
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器件可靠性测试结果
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可靠的FSL3
高雪崩能量 Eas：
• FSL306： 10.5mJ • FSL336： 230mJ
高 ESD 等级：
•人体放电模型： 4kV •器件充电模型： 2kV
高重复性额定脉冲电流：
• FSL306： 2.8A • FSL336： 12A
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控制框图和功能概要
超低工作电流 (250uA) HV 调压器 (10V)
轻负载下绿色 模式功能 固定频率 50KHz
可调 OCP (0.45A/1.64A)
雪崩耐用 650700VSenseFET
OLP、OVP（带自 动重启）
热关断
AOCP（带自 动重启）
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功能描述
*启动和高压调节器
• 启动用 10V 高压调节器 • 当 Vcc 连接至较高的外部電源时，内部调节器将关闭 • 可以不用偏压绕组
VREF
VCOMP 5
RSENSE
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功能描述
*绿色模式
• 小范围回滞满足低输出电压纹波 • 开关频率降低有助于提高轻负载效率，并 减小输出电压纹波。
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功能描述
*周期内限流
• Rsense (senseFET) 检测峰值电流，因此无需外部电流感测电阻 • 峰值电流受 PWM 比较器的反相输入端限制
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功能描述
*最短持续导通时间(Ton-min)
• Ton-min通过 PWM 比较器电路优化而实现 • 短 Ton-min改进了输出负载调整，尤其是低电压输出应用的 调整 最小持续导通时间 Ton-min = TCLD+TLEB - TCLD： 从感测到 FET 栅极的传播引起的限流延迟时间 -TLEB： 内置前沿消隐时间 - Ton-min 典型值为 200ns
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产品介绍手册
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FSL3 基于网络的设计工具— Power Supply WebDesigner (PSW) FSL306LR 应用指南 FSL306LR 基于 Excel 的设计工具 FSL336LR 应用指南 FSL336LR 基于 Excel 的设计工具 FSL336LR 设计示例
• 家用电器 • 风扇控制 （家用/商用）
• 智能电表 • 辅助电源……
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典型应用的关键技术要求
家用电器
• 高可靠性 • 低待机功率
智能电表
• 高可靠性
• 高功率密度
• 高可靠性
• 低元件数量 • 低成本
• 高功率密度 • 低待机功率 • 低成本
风扇控制（家用/商用）
• 高可靠性 • 全面保护
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高度集成的绿色模式降压开关
• 如果0.45A太高的话，使用 Rx 来设置低电流限制 (Ix)。
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FSL3 设计/生产 成功案例
• 家用空调，降压 FSL336 • 接线板，降压 FSL336, VIN=220V~240VAC, 输出 = 6V/250mA • 洗碗机，降压 FSL336, VIN=85V~115VAC, 输出 1 = 5V/350mA Outpout1 = 12V/400mA • 白色家用电器，降压 FSL336 12V / 0.3A 非隔离反激 15V/0.3A • 辅助电源，降压 FSL306 • 风扇控制辅助, 降压 FSL306 • 咖啡机，降压 FSL306 • ......
• CFB 用于 MOSFET 打开时保持输出电压。 • RA 及RB 是用以设置Vo • 假 负载通常用来帮助调节轻/无负载Vo。
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补偿器设计
• 调节 3 个参数来获得所需特性。 • 基于 RF、CF1和 CF2 ，在线设计工具动态显示波特图
f zc
1 2π R F C F1
调节 RF和CF1，向前/后移动补偿部 分零点
调节 CF1和/或 CF2 ，调整环 路增益大小
f pc1
f pc2
2π (R A
gm R B R B ) (CF1 C F2 )
补偿器传递函数
1 1 1 ( ) 2π R F C F1 C F2
调节 RF、 CF1和 CF2，来前/后调节 补偿极点
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限流点调节
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总结
• • • • • 双配置选择（降压和反激）可以满足不同应用需求。 先进的工艺技术和全面保护提高了电源的可靠性和安全性。 高度集成减小了整体解决方案的尺寸（高功率密度）并降低了成本。 超低待机功耗 基于网络的设计工具和产品介绍手册简化并加速了电源从设计到量产的 进程。
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谢谢
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设计流程
1. 功率级：
– – – – – –
基于输入规格计算输入电容器值 选择续流二极管 指定电感纹波电流 根据电流要求选择 FSL3 计算电感值 确定输出电容值
2. 控制设计： – 计算反馈分压电阻 – 计算补偿元件 – 计算电流限制电阻
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输入电容器选择
输入电容器电容估算经验法则：
• 首选寿命较长的电容器。
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功能描述
*跨导误差放大器
• 高增益跨导误差放大器 • 增益(gm)在出现较大VFB误差时增加，从而加 速了瞬态响应
VOUT VFB 4 VREF D1 D2 Error Amplifier Greenmode Controller IPK 3R R PWM LEB Gate driver OSC
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续流二极管设计
• 电压额定值 • 额定电流
– 至少比 VDC-max 高出 ~30% – 比设计/热裕量的 IO高出 ~150% – 低反向恢复电荷 – 低开关损耗
HV-DC INPUT Vcomp
• 使用快速恢复类型
VFB ILIMIT
D D
VCC GND DC OUT
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电感选型
电感越小，纹波电流越高 • 小电感的利与弊 + 更小的电感器外形尺寸 + 绕组 (DC) 损耗较小 + 瞬态响应较快 - MOSFET 中的开关损耗更多
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FSL3的基准测试
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FSL306LR 演示板原理图
* 带 20kΩ 模拟负载电阻的 12V 输出
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待机功耗
• 有偏压绕组时, 功耗约为20mW多 • 最高輸入电压時通常为最糟糕的情况
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效率与器件温度
• ~80% 带偏压绕组 • 在 25°C 室温下测试
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纹波和负载瞬态响应
输出纹波
顶部丝印
底部覆铜
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非隔离反激配置
无需Vcc绕组
反馈电路仅需两个电阻器
待机功率
间歇模式临界功率
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FSL3 设计步骤
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设计步骤： 设计规格
FSL3 设计的典型规格：
• • • • • • 输入电压类型： 交流或直流 输入是交流时的整流类型： 半桥或全桥 VIN范围 VOUT IOUT 输出电压纹波
The Power to Amaze.
如何设计可靠的高压非隔离开关电源?
高压非隔离开关电源的可靠设计
2014 年 11 月 25 日
议程
• • • • • •
高压非隔离开关电源的典型应用 新型绿色模式功率开关 FSL3 基准测试 FSL3 设计步骤 基于网络的设计工具 — PSW 总结
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典型应用