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1、美的家用空调国内事业部设计规范 规范编号：QMN-J33.229-2009开关电源电路设计指引（发布日期：2009-02-02）1 范围本标准描述了家用变频空调室外开关电源电路硬件控制的实现方法，一般开关电源电路设计者在使用不同型号的开关电源控制IC及不同的开关电源电路方案时可以此为参考，更快、更好地完成特定功能的硬件设计。希望本标准能对硬件可靠性的提升有所帮助。本标准适用于美的家用空调国内事业部空调器开关电源电路的设计。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标
2、准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T 7725 房间空气调节器GB/T 15184 按能力批准评定质量的电子设备用开关电源变压器分规范GB/T 14714 微小型计算机系统设备用开关电源通用技术条件IEC 61000-4-2 电磁兼容性.第4-2部分:试验和测量方法.静电放电抗扰试验IEC 61000-4-3 电磁兼容性(EMC).第4-3部分:试验和测量方法.辐射、射频和电磁场抗扰试验IEC 61000-4-4 电磁兼容性.第4-4部分:试验和测量技术.电快速瞬时/突发抗扰试验IEC 61000-4-5 电磁兼容性.第4-
3、5部分:试验和测量方法.电涌抗扰试验3 硬件接口定义及相关原理图3.1 控制芯片型号 TOPSwitch-FX系列单片机(TOP233Y)；3.2 管脚定义 涉及五个端口，相关说明如下： 芯片C脚：电压反馈控制脚兼电源脚，为IC正常工作提供电源，同时电压反馈误差信号引入内部误差放大电路的输入口，进而调整PWM的输出占空比，使得输出电压稳定；芯片M脚：多功能控制脚，可用作过压/欠压保护功能，也可以做远程控制开关用；芯片S脚：内置功率MOSEFT的源极（S极），同时也是开关电源电路初级的公共参考地；芯片F脚：载频控制脚，在F脚接C脚时载波为66kHz，在F脚接S脚时载波为132 kHz，芯片D脚：
4、启动时偏置电源脚，同时也是内部功率MOSEFT的漏极（D极），还是IC的电流过流保护功能脚；3.2.1 原理图 本应用电路为三路输出的电路，其中+15V输出与初级侧共参考地，外加初级侧IC的电源为第四路，+5V/+12V为次级侧，与初级侧安全隔离。在实际的使用中，一般初级侧IC的电源根据IC的不同有多种形式，可以由IC内部直接供电而不需要此路输出，也有与实际工作输出电压共用一路输出（比如本原理图可以取消IC电源而直接共用+15V输出）；输出的电源可以是单路，也可以是两路或者多路，输出电源可以与初级侧共地，也可以与初级侧绝缘，该绝缘的安全等级可以是基本绝缘、加强绝缘，由实际需要确定。在多路输出中
5、，其中有一路是稳压取样回路，比如图中的+5V输出电源，该路的电源电压稳定度最高，可以达到1.5%以内，其他各路次之，同时其他各路输出的电压稳定度与各路的负载变化有直接关系；有时候为了使其中的两路输出相对比较稳定，取样回路同时从该两路输出中取样，经加权叠加后反馈给控制脚。4 各元器件在电路中的作用4.1 美的家用变频空调最早使用的是TOPSwitch-FX系列单片机电源集成电路，可广泛应用于各种通用及专用开关电源、待机电源、开关电源模块中；4.2具有3路输出的10W开关电源电路如上图所示。这3路电压分别为：Uo1(+12V,400mA)，Uo2(+15V,300mA)，Uo3(+5V，300mA
6、)。其中，+5V作为主输出，其余各路均为辅输出。当交流输入宽范围电压输入（u=85265V AC）,总输出功率10W。该电源采用3片IC：TOP233Y（IC6），光耦合器TCP521（IC5）,也可以是TLP521、PC817、TLP421、PS2501等等性能相近或更优，绝缘耐压在3750Vac以上，电流传输比在100%或以上的光偶；精密参考电压源TL431C（IC7）。由R13和C21构成的吸收回路可降低TOP233Y内部的EFT管的开关噪声。必要时还可将开关频率选择端（F）改接控制端（C），选择半频方式，以进一步降低开关电源产生的高频噪声。R11和R8构成电压取样电路，将5V电源的电压
7、变化反馈给控制端C，该取样电路直接决定输出电压的电压值，IC7的R端固定为参考电压：2.495 V ，输出电压：V+5V=2.495*（R8+R11）/R11若主回路使用+12V或其他的电压值Vo,其R8、R11参数的选取规则为：首先任意选取R8的值为210k的阻值，然后下列根据公式确定R11的值：Vo=2.495*（R8+R11）/R11若选取多路输出的电压叠加后作取样输出，则根据电路的叠加原理作对应分析，同样使用上述的计算公式，计算要根据实际电路的作调整，其核心是R11的两端电压始终是2.495V。C11构成TL431C的频率补偿电路。C26为软启动电容（该电容对开关电源的调节灵敏度有严重
8、影响，不宜过大），取C17=47F可增加软启动时间，再加上本身已有10ms的软启动时间。其余各路输出未加反馈，输出电压均由高频变压器的匝数比来确定。+15V,+12V电源的输出允许误差6%，对其它供电电路没有影响。VR2和D10构成过冲吸收电路，对于小功率应用，该电路已经足够；但当电路的功率较大时，过冲能量很大，易损坏VR2，此时可以并联一个12W电阻，阻值在68200k的功率电阻及一个高压瓷片电容/薄膜电容（1kV/222）加强吸收效果；有时为了降低成本，在过冲电压抑制要求不高时还可以取消VR2而仅使用一颗电阻与一个电容并联的吸收电路。VR2的数值具体与开关电源（尤其是开关电源变压器的漏感）
9、的设计有关，一般取反射电压Vr与 过冲电压的和加20V的裕度，在150V200V范围内；TOP233Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。另外，再合理地选择安全电容C27和EMI滤波器的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射达到CISPR22（FCCB）国际标准。将C27的一端接U1的正极或U1的负极（具体如何接以实际的测试效果确定，同开关变压器的绕制方式有直接的关系），能把TOP233Y的共模干扰减至最小。须要指出，C27和C20都称作安全电容，区别只是C27接在高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰，在IEC950国际标准中称之为“Y电容。C20则接在交流或直流电源进线端
10、，专门滤波电网线之间的差模干扰，被称作“X电容”。为承受可能从电网线窜入的雷击电压，在交流输入端还并联只标称电压U1mA=680V的压敏电阻器VSR。U1mA表示当压敏电阻器上通过1mA的直流电流时，元件两端的电压值。5 开关电源PCB设计注意事项及规范5.1 在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:5.1.1 从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计复查-CAM输出。5.1.2 参数设置相邻导线间距必须能满足
11、电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。5.1.3 元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路：5.1.3.1 电源开关电流回路5.1.
12、3.2 输出整流电流回路5.1.3.3 输入信号源电流回路5.1.3.4 输出负载电流回路输入回路通过一个正向脉冲电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个滤除谐波及储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时滤除高频纹波。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源。电源开关交流回路和整流器的交流回路包含丰富谐波的正向脉冲电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍。在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、
13、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：a) 放置变压器b) 设计电源开关电流回路c) 设计输出整流器电流回路d) 连接到交流电源电路的控制电路5.2 设计输入电流源回路和输入滤波器 设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：5.2.1 首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于5mm。5.2.2 放置器件时要考虑
14、以后的焊接，不要太密集。5.2.3 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC。5.2.4 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。5.2.5 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。5.2.6 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。5.2.7 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干
15、扰。5.3 布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小，尽量加大电源线宽度，减少环路电阻。 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点：5.3.1 正确选择单点接地：通常滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分
