【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。
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)。
附件是電參量測(cè)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 。
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(cè)出來只有0.93，因?yàn)闇y(cè)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(cè)效率最大只有0.88。
LLC的mos管使用st的13NM60N，TO-220 塑封。
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(zhǎng)寬高），雙槽骨架，這個(gè)比ER和ETD的磁芯更適合做LLC變壓器。
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。
[page]
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(zhǎng)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(chǎng)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。
[page]
這個(gè)PFC部分的電路如下：實(shí)測(cè)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?
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。
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。
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(cè)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(cè)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(cè)量。國(guó)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(cè)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。
[page]
上傳幾張測(cè)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。
工作頻率和輸出電壓的關(guān)系如下：
相關(guān)閱讀：
無須反饋！一款簡(jiǎn)單高效的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
http://www.yttele.cn/power-art/80021943
工程師熱議：選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)的幾點(diǎn)關(guān)鍵
http://www.yttele.cn/opto-art/80021919
盤點(diǎn)：幾種LED驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比及LED驅(qū)動(dòng)電源的選擇
http://www.yttele.cn/power-art/80021913
