【开关电源的容差分析报告】开关电源有啥用
GERM4815T 容差分析报告
项目负责人：梁立敏
1. 输出过压保护
输出过压保护原理图如图1。通过输出电压OUT+反馈取样电压到单片机U16的24脚，判断输出过压，22脚PWM-OFF 始终输出低电平使电源过压锁死。
图1 输出过压保护、过温、副边限流保护原理图
U16设定过压保护值为59.5V ，无容差时24脚理论电平为：
59.5÷（33000+33000+4700）×4700=3.955V
贴片电阻R50、R51、R54的容差为1%。当R50偏小1%，R51、R54偏大1%时，为过压保护点的上限值，该值为：
3. 955
⨯[47000(1-1%)+2⨯33000(1+1%)]=60. 6V
47000(1-1%)
当R50偏大1%，R51、R54偏小1%时，为过压保护点的下限值，该值为：
3. 955
⨯[47000(1+1%)+2⨯33000(1-1%)]=58. 4V
47000(1+1%)
由于电阻容差，输出过压保护点的理论范围为：58. 4V ～60.6V 。技术要求范围：
58.5V ～60.5V 。所有电阻同时偏小或偏大到最大值1%的可能性接近零，所以实际测量值一定在范围内。
2. 输出过温保护
电源输出过温保护电路如图1，温度电阻RT1随温度的变化而变化。通过RT1和R49分压取样基准VDD 到U16的25脚，由RT1的阻值与温度的关系（如图2）设定过温保护点。RT1固定在输出整流管D35上，D35高温50℃满载工作温度为82℃。
软件为10位二进制模拟采样，即将VDD 5V分为1023份，即210-1=1023。程序
设定过温保护值为766，所以过温保护点无容差时25脚的电压为：
5÷1023×766=3.743V
25脚为3.743V 时，RT1的阻值为：
5×10000÷3.743-10000=3358Ω
对应图2中100℃，即当RT1的温度达到100℃时，U16检测到25脚电压为3.743V 时判定过温保护，PWM-OFF 发出低电平，关断电源输出。软件恢复设定为703，恢复点对应阻值为：
5÷1023×703=3.436V
5×10000÷3.436-10000=4552Ω
对应图2中90℃，PWM-OFF 发出高电平，电源重新开机。
图2 温度电阻RT1与温度的关系
VDD 由MCP1702稳压输出，精度为1%，RT1的精度为1%，R49的精度为1%。当R49、VDD 偏小1%，RT1偏大1%时，是过压保护点的上限值，该值为：
5(1-1%)3. 743
=
10000(1-1%)+RT 1(1+1%)10000(1-1%)
计算得RT1=3161Ω，对应图2中102℃。
当R49、VDD 偏大1%，RT1偏小1%时，是过压保护点的下限值，该值为：
5(1+1%)3. 743
=
10000(1+1%)+RT 1(1-1%)10000(1+1%)
计算得RT1=3562Ω，对应图2中98℃。所以过温保护范围是：98℃～102℃。
同样计算过温保护恢复点的上下限值：
5(1-1%)3. 436
=
10000(1-1%)+RT 1(1+1%)10000(1-1%)5(1+1%)3. 436
=
10000(1+1%)+RT 1(1-1%)10000(1+1%)
计算RT 1分别为4319Ω和4792Ω，对应温度范围88℃～93℃
上述计算RT1上的温度=环境温度+D35工作温度。 对于过温恢复点，规格书要求在环境温度不高于65℃是一定能恢复的。实际上过温保护后无论环境为多少，只要RT1上的温度降低于88℃，电源都会恢复输出。如果环境温度接近88℃，恢复后整流管D35工作发热将会快速过温保护。
3. 输出限流保护
输出的检流电阻RIS1、RIS2，取样点OCP ，如图3。OCP 经U8运算放大器放大为
软件检测23脚的电平比例为1A ：0.1V ，输出限流保护为17.0A ，即电压为1.70V 。VIO 的比例为1A 对应550mV ，检流电阻上电压为1A 对应1*5/2=2.5mV，即运放需放大220倍。RIS1、RIS2的精度1%，OCP 的精度为1%，运放U8的放大倍数精度为1%， R53、R52精度为1%。
当OCP 、U8、R52偏小1%，R53偏大1%时，是限流保护点的上限值，该值为：
I ⨯
0. 005
(1-1%)⨯220(1-1%)
1. 70=
2000(1-1%)+9100(1+1%)2000(1-1%)
计算得I=17.8A。
当OCP 、U8、R52偏大1%，R53偏大小%时，是限流保护点的下限值，该值为：
I ⨯
0. 005
(1+1%)⨯220(1+1%)
1. 70=
2000(1+1%)+9100(1-1%)2000(1+1%)
计算得I=16.5A
所以输出限流范围为：16.5A ～17.8A 。规格书要求：102%～120%，即15.3A ～18A ，满足要求。
4. 输入过欠压保护
输入L 、N 经EMC 电路后取样点AC1、AC2通过D14、D15整流后，经R81、R82、R83与R134并联R10取样电压到U10的6脚，如图5。
图5 输入过欠压检测控制电路
U10检测到的交流电压，按照2us/Vac，占空比为50%的方波信号由2脚输出AC-OUT 。通过图6电路传输给副边单片机U16的7脚AC-IN 。信号传输及检测的是频率F=1/T=1/（Vin*2us/Vac）, 所以图6电路无损传输，光耦起隔离作用。
图6 过欠压信号传递电路
软件设置输入过压保护点为300Vac ，经D14、D15后变成424.2V ，无容差时GP1
点的电压为：
424. 233000
⨯=4. 526V
3⨯510000+33000÷22
当R81、R82、R83偏大1%，R134并联R10偏小1%时，是过压保护点的上限值，该值为：
Vin ⨯1. 414
33000
(1-1%)+3⨯510000(1+1%)2
=
4. 526
33000
(1-1%)2
状态。VREF1是ISL6752出的基准为5V ，OCP 见图3检流电阻取样电压。短路无容差时：
5OCP
=
1800001800
计算得OCP=0.05V。 理论恒定电流为：
0. 0050. 05÷=20A
2
当R91、RIS1、RIS2偏小1%，R159偏大1%时，是恒流的上限值：
I =
50. 005(1-1%)
⨯1800(1+1%)÷=20. 6A
180000(1-1%)2
下限值为：
I =
50. 005(1+1%)
⨯1800(1-1%)÷=19. 4A
180000(1+1%)2
所以短路恒流范围为：19.4A ～20.6A
6. 光藕的最小传输比CTR 计算
光藕传 输比CTR=
I C
×100%，当CTR 、I F 取最小值时，I C 为最小值。 I F
（1）辅助电源反馈光藕，如图8。
图8 辅助电源反馈电路
反馈光藕U5使用PC817B ，光藕发光二极管压降为1.1V ，电流传输比如图9。
图9 PC817传输比
光藕副边电流的大小决定U21
的工作状态以及压降。由于光藕副边电流很小，
AZ431AZ 处在半导通状态，压降大于基准电压2.5V 。
图10 AZ431AZ 的电压与电流
当AZ431AZ 完全导通，I F 的值为：
I F =
12. 5-2. 5-1. 11. 1
-=8. 68mA
10005100
2. 5
I CMAX ==0. 25mA
100000. 25I C
100%=2. 9% ×100%=
8. 068I F
CTR=
根据PC817B 的传输比为130%---260%，与最小CTR 相比：2.9%÷
130%=2.2%，即约有1-2.2%=97.8%的余量
（2）原副边信号传输隔离光藕，如图11：
图11 交流输入检测信号传输 光藕U1使用CNY17F-2。AC-OUT 经原边单片机U10按照2us/Vac，占空比为50%的方波信号输出。U1传输给副边单片机U16的7脚AC-IN 。信号传输及检测的是频率F=1/T=1/（Vin*2us/Vac）。
U10的2脚电平为5V
5-1. 1I F ==4. 76mA
8205
I CMAX ==1. 39mA
3600
CTR =
I C 1. 39⨯100%=⨯100%=29. 2% I F 4. 76
CNY17F-2的传输比为63%-125%，因此，与最小CTR 相比：29.2%÷63%=46.3%，
即约有1-46.3%=53.7%的余量。
（3）通信485隔离光藕，如图12：
图中四个光藕都使用PC357N2， CTR 范围130%～260%。
图12 通信485隔离电路
U2的
I F =I CMAX
5-1. 1
=3. 9mA 10005==2. 3mA 2200
CTR =
I C 2. 3⨯100%=⨯100%=59. 0% I F 3. 9
与PC357N2最小CTR 相比：59.0%÷130%=45.4%，即约有1-45.4%=54.6%的余量。
U3的
I F =I CMAX
5-1. 1
=3. 9mA 10005==2. 3mA 2200
CTR =
I C 2. 3⨯100%=⨯100%=59. 0% I F 3. 9
与PC357N2最小CTR 相比：59.0%÷130%=45.4%，即约有1-45.4%=54.6%的余量。
U4的
I F =I CMAX
5-1. 1
=3. 9mA 10005==2. 3mA 2200
CTR =
I C 2. 3⨯100%=⨯100%=59. 0% I F 3. 9
与PC357N2最小CTR 相比：59.0%÷130%=45.4%，即约有1-45.4%=54.6%的余量。
(4)电源外部关机隔离光藕
如图12中的U6，当PS-OFF 与ALARM-GND 接5V 电源，光藕导通，单片机检测到低电平关闭电源。
5-1. 1I F ==3. 9mA
10005
I CMAX ==0. 25mA
20000
CTR =
I C 0. 25⨯100%=⨯100%=6. 4% I F 3. 9
与PC357N2最小CTR 相比：6.4%÷130%=5%，即约有1-5%=95%的余量。