PCB布局该这么做！150W明纬电源拆解学习

杭138

PCB布局该这么做！150W明纬电源拆解学习

学习电源设计的朋友们对台湾明纬的LED电源一定不陌生，它的设计思路和电源制造工艺及EMC设计整改策略都让人受益匪浅。今天就带来网友的一款明纬的150W LED驱动电源拆解，顺便分享一下网友总结的PCB布局的一些经验，学完这款电源，相信对工程师们独立设计出有自己特色的电源产品一定会有所帮助。

今天打算牺牲些人民币，开始准备为大家拆解一款台湾明纬的150W LED驱动电源，主要目的是让大家一起探讨一下大功率LED驱动电源以及LLC电源的原理与设计。
该电源技术参数如下：输入：AC100-260V，47~63Hz，PF〉0.95@220V，full load；输出：DC43-53V可调，1.9-3.2A可调，最高效率大于0.93，IP65 ，已过CE认证等。

该电源很结实，花了一天时间，总算把灌封胶拆开，用的是灰黑色软性电子硅胶，灌满外壳容积的90%，有经抽真空处理，完全灌满整个电路板无气泡，拓扑结构是PFC+LLC结构。先上一张图。

PFC部分使用安森美的NCP1608控制芯片，LLC部分使用集成变压器设计，控制部分使用ST的L6599，恒流恒压部分使用LM224运放设计。


附件是电参量测试报告，使用的仪器是：电子负载：艾德克斯IT8700系列，AC source：远方TPS-500B，功率计：远方PF9811 。



这个电源规格书标的效率最高可达0.94，实际上测出来只有0.93，因为测试方法和仪器误差问题，不好说有没有虚标效率。关于效率问题，不用纠结太多，别人做得好的地方应该要接纳，不能一味的否定。我手头还有一个茂琐的150w电源，标称效率最大0.92，工作时外壳很烫手，实测效率最大只有0.88。
LLC的mos管使用st的13NM60N，TO-220 塑封。

PCB尺寸为：187*61*27mm，PFC电感用的是PQ2620磁芯，LLC变压器磁芯可能是明纬自己开的模，两块磁芯并在一起尺寸是41*33*14mm（长宽高），双槽骨架，这个比ER和ETD的磁芯更适合做LLC变压器。




接下来跟大家讨论一下开关电源PCB元件布局问题，好的布局应该有利于散热，有利于EMC，有利于生产，有利于稳定性。布局需要注意的事项有很多方面，但有时候需要综合考虑和折中考虑，不可能面面俱到。
PCB布局需要注意的有以下方面：
1：流过大电流的电解电容需要并联使用是，应该尽量使用相同规格电容，要相互靠近，不宜分开。并联的电容需要均流，所以要保持相同的阻抗，不同电容阻抗不一样，总阻抗还跟pcb走线长度，温度环境相关，分开使用后很难保证这两方面参数保持一致。
2：电解电容和薄膜电容（包括安规电容）等温度特性不怎么好，持续高温情况下会影响稳定性跟寿命，这类电容自身一般不怎么发热，但是如果贴近或靠近发热量大的元件，如功率电感，变压器，功率MOS，桥堆，功率二极管，大功率电阻等将严重影响稳定性和寿命。
3：大功率电阻有条件的话最好竖起来放增加空气对流，如要横放，千万不要让电阻管体贴着pcb，这样会影响电阻散热还可能会烤黄pcb板材。
4：可调电阻等微调元件不要贴近或靠近发热量大的元件（如功率变压器），一方面因为温度会电阻的阻值和寿命，进而影响可调电路部分精确度，另一方面可调电阻等一般带有机械部分和塑料部分，这些都是不能耐高温的，容易老化损害。
5：工作在低温场合的pcb，特别是面积比较大的时候，必须要在板材无各处尽量均匀的打洞和割槽，不然经过强烈热胀冷缩之后，pcb会变形甚至铜箔翘起。
6：光耦和控制IC不宜放在变压器磁芯结合处切线正下方（卧式变压器尤为严重），因为这个地方散磁通和漏磁通很大，影响到光耦所在的反馈回路，容易使电源不稳定。
7：贴片电容很容易在生产过程中被压坏，所以pcb的贴片面尽量贴一下比最高贴片电容要高一点的贴片元件，这是为了保护贴片电容。
8：插件面尽量让散热器高度略高于最高的电解电容和磁性元件，并使pcb插件面朝下，贴片面朝上的方式摆放时保持平衡，这样有利于在生产中保护磁芯不被碰裂，电解电容不被挤扁，并有利于调试和维修焊接。
9：保修管也有寿命，温度越高，内部金属丝蒸发越快，寿命越短，所以保险管也不应靠近发热量大的元件上，尽量避免用低端的玻璃保险管，如果要用，必须用热缩管套住管体。
10：相近的两个磁性元件应该让磁路方向相互垂直的方向放置。
明纬这个板子在以上10个方面都基本注意得很好，除了pfc部分的cbb电容靠近桥堆的散热器这一点没做到。
这个PFC部分的电路如下：实测输入从75~270VAC能正常工作，输出430V，mos管工作频率为60Khz@100V，140KHz@220V ，附件给出的PFC的拓扑部分电路。




控制部分可以参考NCP1608 规格书。
首先来跟大家探讨一下输出电压为什么取430V而不是400V。
原因一：对提高LLC拓扑效率来说，希望输入电压高一点。
原因二：PFC输出电压越高，开关频率的变化范围将缩小，有利于EMC控制，有利于选择更高的最小开关频率，提高功率密度。
为什么开关频率的变化范围将缩小，由CrM-PFC开关频率的公式就可以知道。

但是当电压取430V的时候有个问题需要严重考虑，就是输出电压峰值会不会超过450V的电解电容的额定电压的问题。
明纬的解决方案是：
1，使用有PFC输出过压保护的控制芯片（可参考NCP1608 datasheet）；
2，然后就是使用品质很好的电容品牌（黑金刚），大品牌的产品在额定电压上一般留有5-10%以上的余量，450V额定电压的电容最高可工作到475-500V之间。
3，加快环路响应时间（后面会在这个话题上展开），减少过冲和下冲。
上面发的PFC拓扑部分的电路图中，功率mos管的驱动电路使用了PNP加速关断电路。


好处主要有：
　　1，加快功率mos关断速度，从而减少mos跨越线性区的时间，减少关断损耗；
　　2，具有单独的地回路，减少IC所在地平面的扰动；
　　3，增加漏极的dv/di耐受能力。
　　缺点有：
　　1，增加成本；
　　2，更大的dv/dt和di/dt，更严重的EMC问题；
　　3，关断的时候电压不能到零，会有一个PN结压降。
　　需要折中考虑的问题：mos开关损耗与EMC问题。mos开关的速度越快，损耗越小，但EMC问题越严重。通常驱动回路阻抗大小都控制在几个欧姆到几十欧姆之间。再看MW这个电路，开启阻抗10来欧姆，关断几个欧姆。由此看来折中点相当偏向于小的损耗方面，意味着需要更多的EMC成本投入。
　　还有一个问题想跟大家讨论一下：为什么很多的MOS管驱动电路中多注重关闭电路少注重开启电路呢，为什么不把开启和关闭的阻抗设计成一样呢？这样一来，只需一个驱动电阻就能任意调节开关时间了？
　　我个人觉得：
1。开启电路部分受限于IC驱动的能力；
2。开启瞬间更容易引起回路振荡，为了衰减振荡，限制了选取更小的驱动电阻；
3。开启电路无法独立于IC的地平面，过小的驱动电阻，会是ic所在的地平面扰动加大。
4。mos管Coss电容和漏极寄生电感存在，使得漏极电流Id，不能很快得跟上驱动信号。
　　把大家关注的LLC变压器和谐振电容参数贴出来。
　　谐振电容：1000V39nF
　　集成变压器：Lp：1450uH，Llk=（207+186）/2 uH，副边采用全波整流，
　　匝数比：n=4.67
　　其中漏感是通过短路其中一副边主输出绕组测出，两个副边主输出绕组对应的漏感不太对称。
　　可能有网友认为，测量LLC集成变压器的漏感的方法应该是短路所有副边绕组来测量。国内外很多文献当中也对这个问题的解释不是很清晰。我个人认为从LLC工作状态来分析，短路其中一副边测出来的值接近实际情况。
　　LLC的Q值与k值都有讨论过了，接下来想跟大家探讨一下输出端使用全波整流时，两二极管电流不对称问题。
输出二极管的两路整流电流很少看到非常对称的，导致此问题的原因是两路所对应的参数存在差异性导致的，如Mos的驱动不对称，两路整流所对应的变压器初级漏感不一致，两路回路阻抗不一致等等，其中影响最大的可能是Mos驱动脉冲不一致，而这个往往是由控制芯片决定而不容易调节的。还有一个容易忽视的原因是温度，温度具有两面性，有利于二极管均流的一面，也有导致其他参数恶化从而影响均流的一面。
　　上传几张测试波形图，黄色波形为桥臂中点电位，蓝色波形为谐振回路电流。三种图分别是工作在三个不同工作区的波形。

工作频率和输出电压的关系如下：

明纬150W电源 LLC部分设计步骤 （Hugh 总结）