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【原创:技术经验分享】高密度无散热片65W氮化镓PD快充设计经验分享

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z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-14 08:31:11
    随着手机,电脑,平板等智能设备的普及,充电速度成为了电源行业共同关注的话题,众多快充技术也渐渐风靡起来,手机的充电功率更是上升到了120W,目前有PD20W,PD33W,PD45W,PD65W,PD100W,PD140W,PD240W,同时PD充电器的体积也是越做越小,用户的体验要求也是越来越高,面对各类要求和各国当地相关的安规限制,这给我们工程师的设计带来了很大的困扰。
    当遇到设计上的困惑时,它就像一堵墙,被bug卡住了就不能进行下一步,导致很多无效的验证、修改和测试。结合目前设计的一款65W无散热片的PD充电器进行一个实战经验类的分享,将自己遇到的一些问题总结出来,避免以后踩同样的坑,以此来提升自己的工作进度。

    主要分享内容:
    1..原理图与PCB的设计注意事项---------------------4-10楼 (完结)
    2..传导与辐射的整改经验---------------------------31-53楼
(完结)   
    3..温升整改的一些技巧------------------------------54楼
(更新中)
    4..手机平板笔记本兼容性测试出现的问题---------60楼
(更新中)

    项目简介:
    输入:90-264Vac
    输出:2C1A
       C1: 5V/3A 9V/3A 12V/3A 15V/3A 20V/3.25A
       C2: 5V/3A 9V/3A 12V/3A 15V/3A 20V/3.25A
         A: 5V/3A 9V/2A 12V/1.5A
    安规标准:60950

关于PD快充电源想了解学习的朋友可以参考本人的其它贴子:
https://bbs.21dianyuan.com/thread-305143-1-1.html
DIY 18W 30W 45W 65W 87W PD单口快充,安规版,低成本







nc965
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版主
  • 2022-4-14 08:45:02
 
有没有人知道苹果手机充电器,那玩意儿比PD小几倍,充电速度不输PD,它是怎么做出来的?

2.png
z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-14 09:10:38
 
还有更小的,尺寸27.5*27.5*30mm,跟苹果的5V1A差不多大小
缺点是生产工艺复杂一点,左边是PD20W,右边是苹果5V1A
2022-04-14_174942.png


谢开源
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副总工程师
  • 2022-4-14 09:12:58
 
上图右边时PD22W,左图5W5V1A.苹果充电器充电速度并不快。VIVO,OPPO,xiaoMi 超级快充充电速度更快
z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-14 09:11:25
 
最开始选的方案:
主控芯片:  安森美NCP1342
氮化镓MOS:  纳微NV6125
同步芯片:  芯源MP6908A
协议芯片:  智融SW3516
变压器:RM8

下面是电源部分的原理图:
初始 原理图 AC-DC .png

下面是协议和MCU功率分配部分的原理图:
C口:
SMT-C1口.png

A+C口:
SMT-C2 A.png

kuner0806
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  • 2022-4-19 10:07:19
 
这个nv6125电路图~好熟悉啊!
z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-14 09:11:56
 
原理图先定一版,接下来看看PCB的一些设计问题,这里把在PCB Layout过程中遇到的问题总结一下:

传导在150K-0.3M差的走线:
桥后小板走线差.png

传导在150K-0.3M好的走线:
好的走线桥后小板.png

注意看AV值的变化,这个小细节会给后面的PCB画板带来一个好习惯

交流端背面大面积铺地,影响传导150-500K,这个是比较差的一个走线,桥的交流输入有大面积的铺地:
桥下走地 差.png

这个经过优化后,传导150-500K好很多:
桥下不走地 好.png
z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-15 20:34:16
 
SW3516走线小细节:
1..芯片VBUSA或VBUSC脚单点接到输出最末端,提高电压采样精度,要和电流采样线分开走
图片1.png

2..并在电流采样电阻的电容,放在同一层最好,提高电流精度,采样线走差分,采样电阻低部不能有大面积功率地
图片2.png

3..靠近芯片的外围电容,在地端打过孔,回路最短化
2022-04-18_193607.png

4..采样电阻下面不要走地线,功率回路线,影响采样精度
2022-04-18_193714.png

5..靠近芯片的中间层,留一整层完整的地线,使地线回路最短
2022-04-18_193821.png
z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-15 20:34:47
 
----接上楼
SW3516走线小细节:

6...动点SW面积尽量最小,改善辐射
2022-04-18_194009.png

7..贴片的滤波电容,有大电流通过,这里的位置过孔太少
2022-04-18_194143.png

8..底部有多个衬底的MOS,放置的过孔数量不一样,过锡膏散热面积不均匀,易歪斜
2022-04-18_194236.png
jiekou514
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  • 2022-4-22 17:59:30
 
建哥,你这个板是4层板吗?是空间限制所以有很多过孔打在贴片焊盘上吗?贴片焊盘上打过孔,PCB工艺会使用树脂塞孔,然后再电镀表铜。这样的工艺要注意过孔的导流能力。孔铜的厚度,过孔直径。MCU的外围一端网络接地的贴片电容可以这样搞:将电容放置在MCU位置对应的另一层,统一将接地端使用铺铜连接后,再过孔接地。这样可以做到距离MCU的GND引脚走线最短。
z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-25 19:16:21
 
过孔放在双边有焊盘的地方进行中间塞油,我们PCB供应商回复工艺比较复杂就没那样搞了

这倒是个好方法
是4层板,现在高密度电源基本上4层板了,空间限制啊


z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-15 20:35:26
 
----接上楼
SW3516走线小细节:
9..输出走线要经过电容再到输出端口,改善纹波
2022-04-18_194419.png

10..四层板因为中间层有大面积地,插件固态电容负极引脚容易假焊,特别是在更换的时候,吸*都好难打开:
2022-04-18_194647.png 2022-04-18_195018.png 2022-04-18_194929.png


z443233785
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副总工程师
  • 2022-4-15 20:35:59
 
热焊盘的设置方法:
快捷键D-R,在设计规则里,可指定网络和元件位置进行热焊盘设置
2022-04-18_195348.png
hyoo
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  • 2022-4-15 21:02:38
 
65W,2C2A
1650027559(1).jpg
1650027589(1).jpg
1650027636(1).jpg
hyoo
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  • 2022-4-15 21:04:28
 
传导不好,需要加X 到0.47,怎么弄;大神
hyoo
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  • 2022-4-15 21:05:36
 
X加到0.47的效果

X 加到0.47

X 加到0.47
谢开源
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  • 2022-4-15 22:11:58
 
大电容用low ESR的,或用多个电容并替代
z443233785
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  • 2022-4-16 16:04:44
 
65W用0.47uF已经很大了,我上面的案子,X电容用的0.068uF
你发的图片中,差模成份比较大,注意以下几个点

1..USB那里距离输入端口太近,你尝试一下用个铜皮隔一下
2..整流桥后面有几个电解,接法是怎么样的
3..Y电压是多少V
4..整流桥是否用的软桥



hyoo
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  • 2022-4-16 16:52:59
 
就一个120大电解
Y压没测
整流桥是软桥
USB没用铜片隔离
z443233785
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  • 2022-4-18 19:59:28
 
可以试一下改成多个并的,中间串个几十uH的电感


hyoo
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  • 2022-4-18 20:28:08
 
明天去机构测试,多个小电容CLC方式应该不错
板子布局比较适合一个电容,要是实在搞不动了 可以考虑用
z443233785
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  • 2022-4-19 08:37:32
 
板子实在改不动的话,前面试试用这种扁平电感,它的漏感可以抵消部分差模干扰
2022-04-19_083412.png

hyoo
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  • 2022-4-21 10:42:37
 
微信图片_20220421104114.jpg
微信图片_20220421104012.png
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  • 2022-4-21 10:44:05
 
软桥+
0.33X,低压好差
ZHUYU630
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  • 2022-4-21 13:46:55
 
整流桥是软桥   ,软桥是啥意思
hyoo
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  • 2022-4-23 13:39:40
 
整流波形相对平滑,省掉X电容
yutian378
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  • 2022-4-22 10:35:34
 
继续继续,听课正上瘾
hyoo
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  • 2022-4-23 13:42:25
 
传导改成这样才行

传导改成这样才行,唉

传导改成这样才行,唉
z443233785
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  • 2022-4-25 19:09:55
 
是呀,改不动只能改板咯

renshengfukua
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  • 2022-4-25 10:11:38
 

z443233785
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  • 2022-4-25 19:22:39
 
第二部分:
传导整改直播
2.1..直接上电预扫传导:

2022-04-25_191029.png

发现接地后超了很多。

2.2..输入的X电容再并上一个0.47uF,没有效果(一样的)
既然不是差模干扰,那就增加共模电感,共模由1mH加大到6mH,有效果,如下图,压下来很多
2022-04-25_191701.png 2022-04-25_191712.png

2.3..目前输入的EMI线路配置:
2022-04-25_191951.png

尝试过CY4,CY5接到共模电感前面,效果更差
去掉CY3(101P),基本上没有什么变化,说明它在这个0.15-30M频点没有任何贡献,后面直接取消该电容
2022-05-04_103036.png

z443233785
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  • 2022-4-29 17:51:21
 
2.4...改小CY4,CY5由102P改小到151P,0.15-1M的频段变差了,不能改小
2022-05-04_103325.png
2.5..加大L/N对大地的Y电容,CY4,CY5由151P改大到222P ,下来非常多
2022-04-29_174636.png

由于有漏电流要求,不能用那么大,改小:
2022-04-29_174834.png
改小发现余量又不够了,恼火啊。。。,无解,150-200K,压不动

另外一根线:
2022-05-04_103633.png


z443233785
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  • 2022-4-29 17:59:18
 
上电子研习社上面看了下相关的EMI教程,找到一个研究了一下,注:以下内容来源任杰老师
2022-04-29_175211.png

2022-04-29_175230.png
路径一说的是动点面积对大地的寄生电容,仔细观察自己的PCB,动点面积不是很大,应该影响不大。

2022-04-29_175427.png
路径2,输入线和开关节点近,偿试过L,N线距离开关节点远一些,有点改善,但不实用

2022-04-29_175534.png
路径3指的是变压器对共模噪声影响最大,接下来要测试一下变压器的Y电压


z443233785
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  • 2022-5-3 13:33:51
 
2.6...依据以上思路,测量了一下Y电压,发现居然有21.9V,欠补偿
微信截图_20220503133235.png
需要增加变压器屏蔽圈数,马上对变压器进行共模电压做平衡处理:

现在变压器结构和屏蔽圈数是:
N1  初级
N2  屏蔽 0.15*2*25Ts
N3  次级
N4  VCC
N5  初级

变压器#2
N1  初级
N2  屏蔽 0.18*1*41Ts  (加大屏蔽圈数)
N3  次级
N4  VCC
N5  初级
Y电压21V,负向,过补偿


绕第三个变压器:
变压器#3
N1  初级
N2  屏蔽 0.13*2*28Ts  (加大屏蔽圈数)
N3  次级
N4  VCC 0.15*1*5Ts
             0.15*1*5Ts  屏蔽与VCC并绕
N5  初级

Y电压11.5V,负向,过补偿


绕变压器是最费神和时间的,吃个面包补充能量:
2022-05-04_104130.png
z443233785
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副总工程师
  • 2022-5-3 13:58:42
 
休息了一下,接着来:

变压器#4
N1  初级
N2  屏蔽 0.15*2*25Ts
N3  次级
N4  VCC 0.15*1*5Ts
              0.15*1*5Ts  屏蔽与VCC并绕
N5  初级
Y电压2.3V,负向,过补偿
2022-05-04_104404.png

变压器#5
N1  初级
N2  屏蔽 0.15*2*24Ts
N3  次级
N4  VCC 0.15*1*5Ts
              0.15*1*5Ts  屏蔽与VCC并绕
N5  初级
Y电压3.2V,负向,过补偿

变压器#6
N1  初级
N2  屏蔽 0.15*2*27Ts
N3  次级
N4  VCC 0.15*1*5Ts
              0.15*1*5Ts  屏蔽与VCC并绕
N5  初级
Y电压4.6V,负向,过补偿


绕到第6个变压器已经找到规律了,屏蔽圈数定在22-25之间
吃包小鱼仔冷静一下,提提神
2022-05-04_104708.png

变压器#7
N1  初级
N2  屏蔽 0.15*2*22Ts
N3  次级
N4  VCC 0.15*1*5Ts
              0.15*1*5Ts  屏蔽与VCC并绕
N5  初级
Y电压3.5V,正向,欠补偿
这就把共模电压平衡的差不多了,绕了7个变压器,绕变压器的工具是手摇的,拍个照留念一下:
2022-05-04_110349.png
z443233785
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  • 2022-5-3 13:59:29
 
2.7...使用Y电压3.5V,正向,欠补偿变压器(#7),CY4,CY5还原到102P
2022-05-04_110945.png
另一条线
2022-05-04_111010.png

模拟了一下辐射,感觉差不多,马上约了实验室去外面测试
2022-05-04_111044.png 2022-05-04_111055.png
z443233785
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副总工程师
  • 2022-5-6 20:09:22
 
2.8...第三方测试预扫10米辐射,整改了2个小时,43和77M位置超了,没有思路就没有继续整改了因为高昂的测试费用紧崩着自己的每一根神经,10米场地一小时1200,替老板心痛啊。。
输入:230Vac   10米垂直 高度1米

微信截图_20220508164906.png

回来后对公司的传导设备各种标准研究了一下做个对比,看哪种方式更接近外面场地的测试结果:
微信截图_20220508170203.png

微信截图_20220508170219.png

微信截图_20220508170233.png

微信截图_20220508170252.png

微信截图_20220508170405.png
发现使用普通法EN55013标准,测试结果比较接近。
z443233785
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副总工程师
  • 2022-5-6 20:10:27
 
2.9...用以上方法,使用普通法EN55013标准来模拟辐射,去除高压正极对Vou+的Y电容(101P),变压器包十字铜箔屏蔽接地,整体下来很多,但是包十字铜箔屏蔽影响成本,需要用找其它方法
微信截图_20220508170741.png

2.10...输入端增加T6*3*3小共模,随便找了个镍锌环并绕了4Ts,感量10uH,30-50M位置下来一点点,70M位置没有变化
微信截图_20220508170922.png

2.11...上电子研习社上面看了下相关的EMI教程,尝试修改输入端接法如下原理图,然后短路T6*3*3小共模电感
微信截图_20220508171146.png 微信截图_20220508171201.png

下来非常多
微信截图_20220508171411.png

另一根线
微信截图_20220508171503.png

低压110V  N线
微信截图_20220508171644.png
低压110V  L线
微信截图_20220508171655.png

发现低压的时候30M位置顶红线了。

z443233785
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LV8
副总工程师
  • 2022-5-8 17:35:04
 
接40楼:
2.12...30M位置可以在输入端增加小共模压下来,但是综合成本考虑,DS先加个33PF电容,已经压了下来
微信截图_20220508172046.png
另一条线
微信截图_20220508172059.png

再转高压230V,整改EMI就是这样,最怕低压调好了高压又差,又怕辐射调好了传导又差
微信截图_20220508172802.png
另一条线也很好,就没保存测试数据了

2.13...整改好模拟辐射后,再回过头来进行传导测试
230V L线

微信截图_20220508173114.png

230V N线
微信截图_20220508173045.png

110V N线
微信截图_20220508173247.png

110V L线
微信截图_20220508173302.png
低压传导不是很满意


jiekou514
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副总工程师
  • 2022-5-8 15:35:12
 
建哥,我也想请教一下Y电压具体的测试方法和优化EMI的原理,不知可否给小弟分享一下呢?
z443233785
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LV8
副总工程师
  • 2022-5-8 16:51:34
 
看45楼,不晓得我说明白没有
Zhongcb
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高级工程师
  • 2022-5-7 16:57:45
 
楼主,您好,请问下,Y电压这个是怎么测试的呢?有没有图片,示波器要怎么设置,谢谢
z443233785
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LV8
副总工程师
  • 2022-5-8 16:40:24
 
把板子上的Y电容拆下来,示波器探棒负极接初级地,探棒正极接次级地
输出不能接电子负载,只能接水泥电阻
抓出来的波形如果是跟初级的VDS一样是欠补偿,反过来就是过补偿
测量平台电压,调整屏蔽圈数就可以调整这个Y电压的大小
Zhongcb
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高级工程师
  • 2022-5-9 11:02:51
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感谢楼主的解答,我试一下
kevin-leee
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高级工程师
  • 2022-5-16 17:10:22
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感谢楼主分享,为什么选择负向3.2,负向2.3的不是更接近吗?
lihuanyang
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本网技师
  • 2022-5-3 14:27:48
 
过去氮化傢技术不成熟,因为工艺成本太高了,现在好了,氮化傢制备工艺成熟了,成本也降下来了,功率密度也就上去了!
z443233785
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副总工程师
  • 2022-5-6 20:08:41
 
嗯,现在跟COOLMOS的价格差不多了,要做小体积主要是生产工艺比较复杂

yyy3400462929
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高级工程师
  • 2022-5-14 09:43:04
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PD大功率快充市场,氮化镓-碳化硅二极管-碳化硅MOSFET,第三代半导体是首选 碳化硅MOS管.png 001.png
美特光电子
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本网技师
  • 2022-5-7 11:17:21
 
PD快充目前使用到的有EL1018 EL1019,LTV-1009 LTV-1008,需要可以交流
z443233785
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副总工程师
  • 2022-5-8 16:35:13
 
这不是光藕吗,价格怎么样
美特光电子
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本网技师
  • 2022-5-9 09:21:28
 
是的,是光耦,您这边加v:MTL031
z443233785
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副总工程师
  • 2022-5-8 17:35:55
 
----接47楼。
2.14..参考5楼的布线技巧改了一版PCB走线(改的是第三版),其它元件和参数不动,重新测试传导
传导110V L线
微信截图_20220515155934.png

传导110V N线
微信截图_20220515155946.png

传导230V N线
微信截图_20220515160042.png

传导230V L线
微信截图_20220515160052.png
传导没有问题之后,再来模拟测试一下辐射
模拟辐射110V L线
微信截图_20220515163931.png

模拟辐射110V N线
微信截图_20220515163939.png

模拟辐射230V L线
微信截图_20220515164231.png

模拟辐射230V N线
微信截图_20220515164223.png

感觉还行,这些都是在公司测试的,好在不用花钱,不然经不起我这样的折腾
准备又约了外面的十米场地去测试辐射,期待测试结果。。。



张钦茗
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  • 2022-5-13 11:24:30
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学习了,EMI经验分析很有实际意义
z443233785
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z443233785
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  • 2022-5-15 17:17:12
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3.1..辐射整改好后进行温升的整改测试    每个电压段都老化了两小时,温度数据基本上出来了
微信截图_20220515170248.png
90Vac输入的时候变压器线包超了5.7度,磁芯温度也超了,有点难搞呀,

因为没有散热片,氮化镓和同步整流MOS和变压器周围顶部多打了点散热胶,上面贴导热垫,通过外壳将温度导到空气中

微信截图_20220515170521.png 微信截图_20220515170539.png 微信截图_20220515170609.png

进行以上处理后又重新扫了一下温升,由于安规机构会将产品放置不同的方向进行测试温度,这里也模拟了一下每个方向的测试数据
微信截图_20220515171214.png
找到了最差的一个方向进行整改:
微信截图_20220515171504.png
还是超了2度,头大。。

kevin-leee
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持续关注,期待楼主早日结案。
z443233785
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