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【英飞凌DIY】19V4.5A笔记本电源适配器

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tanb006
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  • 2017-10-18 12:10:22
参加了活动,一直都想做个笔记本适配器。因为自己的两个本本都被黑心商家换成了山寨适配器。一是怕坏了没的用,二是担心质量问题搞坏笔记本。所以,这次申请了ICE2QS03G芯片和70S360的MOS。
先占楼,楼下继续上图发布制作过程。
各位老师看到不当之处请大力的斧正,一版不行再打样二版,再三版四版都行。学无止境,希望不吝指教。
tanb006
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实习版主
  • 2017-10-18 12:17:38
 
原理图按照ICE2QS03G的PDF中的框图画出。
按照设计要求,必须符合安规,必须有EMI部分。
对于EMI,我没能力去测试,仅仅是有其表而已。
安规部分也只是在PCB的正面尽量减少布线,保证与零件裸露部分的距离,特别是散热片部分。
刚做了第一版,PCB线径都经过计算,损耗都在可控范围,因此画的比较细,并没有大面积铺铜,我认为过大的面积会造成天线效应,会吸收或者释放更多的干扰。不利于电源的稳定。下图是背面贴片的布局。尽量集中在中部,减少应力影响。
maode
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本网技工
  • 2017-10-18 12:22:42
 
tanb006
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  • 2017-10-18 12:25:50
 
这是正面零件的布局。



功率虽然是100W不到,但初级电容用了220UF的。是为了适应宽电压范围下,依然能存储足够的能量。也占了不小的面积。
输入输出端子,暂时用现成的插接座。这个验证版实验通过的话,就修正布局,适应适配器的盒子。到时候就用焊接的电源线了。
输出用了两个二极管做整流。希望发热不会太大。4.5A的最大输出电流,用了三个50V680uf的高频电容。我一时也找不到再大容量的电容了。暂时用用吧。这个版本只验证电源的工作能力,暂时不考虑长期的工作寿命,后期还要再改正的。
liguanghui2588
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  • 2017-10-18 12:29:10
 
原理图可以上传,是反激式电源?
tanb006
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  • 2017-10-18 12:33:40
 
这是线路布局。



整体上,怎么简单怎么来。本想做单面板,但无奈走线功夫太差,有些线还是得从正面走的。
次级稳压采样部分,直接从第三个电容上取样,又想走线够短,所以会有一个在PCB的正面的走线。
考虑到母线和输出主线的电流,虽然加宽了PCB,但我也预留了在PCB走线上焊接铜丝扩流的设计。
tanb006
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  • 2017-10-18 12:35:17
 
是反激电源。
原理框图现在上传上来

tanb006
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  • 2017-10-18 12:37:36
 
板子打样中,零件已经采购了大半了。
骨架和磁芯都到货了。晚上绕变压器。空了再来写写。
liguanghui2588
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  • 2017-10-18 14:00:23
 
你这速度挺快的啊,
tanb006
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  • 2017-10-18 14:34:46
 
嗯,第一批通过样品审批的。
当日就开始着手看PDF文件。构思如何制作。
前后花了大约10天的业余时间去排列元件、走线。
期间听取了朋友的意见,经过N次小修改,做成现在这样。
其实今天已经距离看PDF的那天,大约有半个月了。
tanb006
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  • 2017-10-18 14:48:40
 
变压器的计算,按最低输入95VAC,最低频率39K,满载90W计算。
磁芯用PQ3230.中柱直径实测13.30毫米。
占空比选0.45,磁芯的三角B值(字符不会打)选0.22。
计算出初级47匝,次级9匝(19V),VCC辅助7匝(14.7V)。
之所以选择了47匝的原因,是因为我计划使用0.67毫米的线做初级和次级的线圈。
(暂时不考虑高频下的趋肤效应,影响很微小。这个版本主要是验证电路的工作状态。
后续会用更合适的铜线,更合理的匝数和层数安排来做。)骨架的宽度是18毫米,刚好一层可以绕24匝(0.67铜线外径0.75毫米),初级完整的绕两层,是我认为最少的,也刚好可以做成三明治绕法。
次级选用两根0.67的铜丝并绕,绕满中间一层,会比较平整。最外层用0.33的线绕VCC辅助绕组。

tanb006
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  • 2017-10-18 14:54:05
 
计算出来初级电感量是443微亨。漏感预估15微亨。估计绕的好的话,能在10微亨左右。
按自己的方法,算出来变压器的铜损大约在0.8W,铁损不大于3W。
我一直在想如何减少变压器的损耗。但以往设计的电源总是“感觉”变压器的损耗比我计算的大。因为总是很烫,温度通常在55--85度。
各位有没有独家方法或者见解的,如果可以,请告知一二,我们也学习学习。
killaws
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  • 2017-10-20 08:30:21
 
请教下,你变压器是怎么设计的?谢谢!
何仙公
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  • 2017-10-20 10:47:34
 
铁损都3 W了 ,能不烫吗?
增加铜损减小磁损先
tanb006
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  • 2017-10-20 19:03:31
 
变压器按反激变压器设计,选最低输入电压,最低工作频率,满载功率来计算参数。
tanb006
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  • 2017-10-20 19:04:35
 
嗯,这两天忙的没空绕变压器,下周绕好,板子也应该到了。到时候装机测试一下。希望不要很热。

liguanghui2588
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  • 2017-10-20 20:12:05
 
这种计算可以的
killaws
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  • 2017-10-23 08:14:57
 
可以详细点吗?谢谢!
tanb006
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  • 2017-10-23 13:10:38
 
变压器是按照我多年的经验来计算的。
自己为了方便,编制了一个表格文件,输入各种参数后,既可得到合适的变压器参数。
虽然都是参照教科书中公式所算,但个别细节之处按我自己的经验值,或稍大,或稍小,都略做修改。因此或许与各位算出的结果不同。

tanb006
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  • 2017-10-23 13:13:43
 
打样回来了。可是,这做PCB的也太不用心了。
托时间没事,擅自给我改了层属性。底层的线跑顶层来了。
哭也没用。再等几天吧。这次加急了。
上图:




FHXWT
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  • 2017-10-24 07:55:16
 
不急不急    慢慢来吧   
tanb006
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  • 2017-10-25 22:32:50
 
变压器做好了。
初级用0.67单根绕了24匝+23匝。刚好都是满层。
次级用0.67*2绕了9匝。也是满层。
我有强迫症,就喜欢满层的。这样在理论上,可以提高变压器的效率。
VCC绕组用0.33单根 均匀绕制7匝。
虽然我有磨床可以磨气隙,但很讨厌磨出来的黑色磁粉,飘的到处都是。
磨床周围2米内都黑乎乎的。
喷水都没用。磨床速度太高了。连水带磁粉的甩出去墙上都是黑点。
所以我更喜欢用环保又方便的办法。
用704硅橡胶,固定两根铜丝,从两边垫气隙。前提是铜丝的直径符合计算结果。
下面上图。计算电感量443毫亨,实际绕出来,在100K档位,是444毫亨。对于这个结果,我很满意了。

先绕了初级的1/2。  24匝。头留在上面,最后收头。

接着绕次级,另外1/2初级的23匝。

均匀绕制VCC绕制的7匝。

收头,粘好胶带。

用704硅橡胶来固定铜丝,这样垫气隙的铜丝就不会意外掉落了。

垫好后的样子,两头减掉。再来几圈胶带固定。

成品,咋感觉像医院出来的。。。。。。。。。

电感量444微亨,漏感在100K档位只有5微亨。很满意!
liguanghui2588
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  • 2017-10-26 12:26:50
 
匝数这么少啊,线那么粗
tanb006
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  • 2017-10-29 12:58:22
 
匝数是反复计算的结果。
我是按优先满层的原则来选择线径的。
这样可以尽量的利用三明治绕法的优势,也能最大化的方便变压器的生产。
试想下,如果有个半层,工厂是不好加工的,均匀绕制对工厂来说比较花时间,时间就是钱啊。所以计算的时候也考虑到批量生产的时效、一致性。
killaws
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  • 2017-10-30 09:55:50
 
请教下,这里为什么要加两根铜丝?

tanb006
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  • 2017-10-30 12:00:25
 
因为我不大喜欢用磨床去磨磁芯的中柱。所以就直接从两边垫气隙。
也因为只是样品试制。这样垫起来的速度会比磨的快多了。
用磨床得反复磨,擦净,装配测电感,不合适再磨。搞的两手黑黑,差不多要耽误半个小时。
而直接用漆包线垫气隙,则方便多了。1分钟搞定。
这也只是验证一下电感量、变压器的工作状态而已。仅仅是样品。
批量还是给工厂开气隙吧。他们磨床流水作业,很快的。
tanb006
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  • 2017-10-30 12:05:13
 
第二版打样好了。细节部分修改了下。
见图:

在次级整流管增加了RC吸收电路,初级驱动MOS从直通改成了5.1欧电阻限流+旁路10K电阻到地放电。局部布局做了微调。由于购买的X电容还没到货。所以只装了一个。并不影响功能性的测试。

背面焊接好后用酒精洗过。还有松香的痕迹。很难清除干净。影响图片效果了。



整机高度控制在36毫米,长度100毫米,宽度67毫米。测试结果稍候更新。
tanb006
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  • 2017-10-30 12:22:07
 
次级整流后的滤波电容,本来是用了三个50V680uf的电容。
卖家说是正规大厂高频低阻的。买回来实际测量,在100K档位,等效电阻达到了0.062欧姆。
还不如我自己的一批国产电容。换上自己的35V1000uf电容,在100K档位,等效电阻只有0.033欧姆。发热应该会小很多了。
tanb006
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  • 2017-10-30 22:43:04
 
通电试机,瞬间有电压输出,然后就没有然后了。
测量VCC脚有10.5--17V的三角波。证明IC启动部分正常。
FB也有4.95V电压,反馈也应该也是正常的。
后来查到ZC脚的俩分压电阻用错了。按照PDF给的参数并不正确。
按资料里计算得出的是30K和5K1(都取近似值,我手头就这几种电阻)。
而PDF给的则是39K和10K。这个分压比例差的有点远。所以不正常工作。
更换成30K和5K1,电源一切正常。
之后就是带载测试了。
空载到1A会叫,2A也叫,到了3A不叫了。就固定在3A老化一下先。
一个小时后,测量的温度是:(环境温度31度。温州在10月底还能有这么热的天,很正常)
MOS 45度 。变压器 61度。整流二极管 58度。RCD吸收的电阻58度。
tanb006
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  • 2017-10-30 23:29:30
 
这个变频很有特点。在不同负载下会自己选择合适的频率,并不会使占空比达到设计的最大值。对于变压器来说是很安全的。
经测试,在各种负载情况下,最低所看到的频率是42K。最高则是100K。
看来PDF说明中的范围还比较保守。
IC并没有发热。最热的是整流二极管。55度,烫手,但在无风扇状态下这个温度很理想。
tanb006
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  • 2017-10-30 23:43:00
 
虽然选用的MOS是70s360,耐压可以达到700V。
我实际测试中,特意把RCD吸收电阻换为150K,测试在满载、交流输入265V下,最高峰值是255V(150K电阻两端)。
实际600V都不到。MOS很可靠。
在最终的上交样品中,实际使用47K电阻。
出于安全考虑,更小阻值的电阻,可以有效的降低MOS的电压应力。
而固定的漏感能量,最终都会消耗在这个电阻上,所以,无论电阻多大,功耗是一样的。就不纠结用多大阻值的电阻了。
实测这里的电阻功耗大约0.25--0.3W功率。在下一个版本中,将会用两只33K 0.25W的贴片电阻串联替换掉这个立式电阻。
xinbajiang
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  • 2017-10-31 09:12:41
 
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tanb006
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  • 2017-10-31 09:14:56
 
变压器的温度最高,不过这可以优化的。
从热成像里看温度主要由于次级的线圈引起。
看来2*0.67得改成4*0.67。
空了再绕变压器。
次级的20100整流管,两个并联发热依然厉害。
这是之前厂家送的几个样品,测量后发现导平均通压降是0.298V。
手头上还有另外几个厂家的20100和20120测量后发现导通压降分别是0.25V和0.195V。看来不同厂家的产品,差距还真不小。
果断换上最小压降的20120。
晚上更新测试结果。上班先,空了来继续整。
zrk787
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  • 2017-11-3 10:43:25
 
厉害了我的哥,可以开厂销售了!
tanb006
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  • 2017-11-5 17:04:21
 
是IC和MOS厉害。我只是按图设计,并没有多少难度。
在测试完成后,我又做了第二个电源。
在这个电源上,着重测试各种极端情况。期间搞坏了3个IC。
不过都是故意搞坏的,并非IC不好。
例如:限流电阻换成0.05欧,启动没问题,因为有软启动。但启动后,我短路次级,结果MOS击穿,烧了电流检测脚。
测试MOS耐压的时候,把RCD吸收电阻换成150K的,电压加到260V以上,MOS抗住了,不过在一次开关过程中,MOS还是挂了。
还有一次是故意更改了次级431的反馈网络的电容值。让它尖叫,测试IC的抗干扰和适应能力,依然是由MOS搞坏了IC。
种种测试,从侧面也说明这款IC的确耐用,只要不是意外情况,还是很好用的。
haijianwei2009
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  • 2017-11-6 14:59:08
 
好手艺
tanb006
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  • 2017-11-6 18:26:08
 
整机效率87--89%之间。
4.5A的输出,次级俩二极管虽然并联,而且精挑细选,选了手头上最好的管子,依然拉了效率的后腿。这是发热最厉害的部分了。变压器都没它热。
满载1小时后,分别测量温度为:
次级二极管整流:62度。
变压器线圈外层:58度。
变压器磁芯:60度。
其他两个热源就是RCD吸收,和交流输入部分的NTC热敏电阻了。

tanb006
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  • 2017-11-6 18:32:23
 
这个版本完成。体积原本可以更小,无奈私人定制不到小体积的电感和电容等零件。散热片也是用之前现成的。
缩小体积的任务,只能停留在图纸上了。
还剩下3个芯片,2个MOS。以后有时间了会去找找合适的零件,把这个任务完成。
tanb006
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  • 2017-11-7 14:33:12
 
最终完成的样子。
tanb006
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  • 2017-11-10 16:11:02
 
接下来有热成像图片来测试发热情况:
首先,接上电源和负载。




空载的时候电压很理想。



空载的时候,功耗的确很低,几乎测不到。数字在0.02---0.40W之间跳动。估计低于0.1W的连续功率。



满载4.50A,线损有一点。所以不到19V。



满载情况下的电流和电压。效率大约86%+。我的仪器也并不是标准的,而且也没有每年进行校正。姑且相信它是准的吧。



下图是RCD吸收电路中的电阻的温度。半小时后基本稳定了。不再上升了。



变压器的温度。很理想。环境温度25度。



这是次级整流二极管的温度。散热片反光,测不到真实温度,
所以在旁边贴上了胶带,通过测量胶带的温度,53.7度,估算出二极管也不会超过63度吧。
tanglidi
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高级工程师
  • 2017-11-13 08:50:18
 
看完整个帖子,感觉自己用可以,商业化没有竞争力,成本太高。并且EMI不一定过得了。
tanb006
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  • 2017-11-13 17:00:51
 
嗯,成本上的确没有优势,但这个IC在降低反激功耗方面确实有特色。
首先外围很少,可以做很小体积的产品。
因为我手头只有这些零件,所以只能做这么大的,实际可以更小,功率密度更高些的。
作为自己玩玩,学习芯片的功能,还是很不错的,简单、易用。
zzzz篇羽zzzz飞
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初级工程师
  • 2017-11-13 17:02:04
 
气息不要用金属垫,会产生很大的额外损耗
tanb006
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  • 2017-11-14 00:20:51
 
嗯,如果是用导磁物体垫,比如铁片,那样会闭合磁路,完全做不到需要的电感量。
我用铜丝垫,这完全没问题。我曾经也用热电偶和热成像都测过变压器的温度,气隙处根本不会发热。发热的是气隙处的线圈。
因为气隙附近涡流效应会很明显。
用耐高温塑料,马拉胶带,铁佛龙绝缘片,我都试过。完全可以用。
这样做的好处是:可以减小气隙尺寸。同时也减小了涡流效应造成的损耗。
缺点就是辐射干扰会加大,这可以通过增加外包铜皮的方式可以解决。
tanb006
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实习版主
  • 2017-11-15 17:45:59
  • 倒数10
 
在测试的时候有个有意思的情况:
满载的时候频率最低,而空载和轻载的时候,频率则似乎是不固定的,或高,或低,或最高100K的时候也有。并不因负载的变化而相对变化。
tanb006
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实习版主
  • 2017-11-16 23:31:11
  • 倒数9
 
这芯片也有个缺点。
就是变压器得按最低频率来设计。
明明可以更小,更少匝数的变压器,得按40K最低频率来跑。
来回的范围挺大,从40K到105K这是我测到的范围。
零件的选用得按频率上限去选,变压器又那么大。
总感觉成本降不下来。
如果是普通反激,变压器设计到100K,还是这些零件,光变压器的铜损都能少掉好多。
希望英飞凌能有可调频率的准谐振反激芯片推出。
tanb006
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实习版主
  • 2017-11-21 12:50:15
  • 倒数8
 
再来两张波形图。因为示波器显示屏颜色的问题,导致照片上彩色混杂,看不清,
所以转换成黑白图片,提高了对比度,看的更清楚些。

上图是50%负载的波形,可以看到MOS关断点正在谷底。

上图是75%负载的波形。
在0--110%输出的情况下,关断点都能准确的在谷底,
带来的优点就是MOS的开关损耗更小了。几乎可以不要散热片。
lifang05
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  • 2017-12-9 09:29:20
  • 倒数7
 
怎么看是在谷底?
lifang05
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本网技师
  • 2017-12-9 09:32:19
  • 倒数6
 
4.5A的电流,用0.67的线太细了。
你的线径电流怎么算的?
lifang05
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本网技师
  • 2017-12-9 09:33:35
  • 倒数5
 
输出电解用25V的也够用,这样可以同体积大容量
tanb006
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实习版主
  • 2017-12-10 09:58:58
  • 倒数4
 
在实际用的时候,的确有这样冒险的用法。12V的电源用16V电容。
这样去压榨电容的性能,对产品的整体寿命有不利的影响。
虽然短期内不容易出问题,但从长远看,最好是留1倍的电压余量。
tanb006
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实习版主
  • 2017-12-10 10:00:03
  • 倒数3
 
看关断的时间。每个关断的时候,都会在振荡波下降到最低处的时候。
tanb006
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实习版主
  • 2017-12-10 10:08:26
  • 倒数2
 
这里得考虑趋肤效应,以及邻近效应造成的损耗。
这里用0.67*2根,刚好绕满一层,避免更多层引起的邻近效应。

lifang05
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本网技师
最新回复
  • 2017-12-16 10:34:41
  • 倒数1
 
0.67*2根再绕一层,不会有邻近效应
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