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电梯直达
【报名阶段需要填写的内容】 1. 参赛者姓名（必填项）：孙喆 2. 单位或学校名称（选填项）：上海挚达 3. 当前职务或职称（选填项）：硬件工程师 4. 参赛作品的名字（必填项）：4x6厘米超小体积 40w flyback 开关电源 5. 简要陈述您的idea和作品（必填项）：现代电子产品不断缩小体积，于是对于电源等产品也提出更加苛刻的体积和性能要求，为此，我推了一把40w开关电源设计的极限小体积 6. 拟用到的立创商城在售物料（必填项）：贴片电阻电容，二极管，mos管，pcb 7. 拟用到的非立创商城物料或其它补充（必填项）：inn3268c 定制的rm10变压器 L1 744821120 20mH/锰芯/XS尺寸 生产厂家：wurth 8. 拟用到的EDA工具软件名称（必填项）：AD15，立创EDA，PIXls Designer 10设计变压器 【作品正式发表（报名成功后进入设计阶段）需要填写的内容】 一、作品简介 例如，可以包括但不局限于以下内容： 1.作品的整机外观图片或焊接组装好的PCBA图片；
2.作品的研究背景、目的和功能、市场应用前景； 现代开关电源市场一直在以小型化为目标设计着最新的产品，尤其是以手机QC快充 苹果PD快充为首，对电源适配器的功率和体积都提出了全新的要求，如何能在有限的空间里实现尽可能大的输出功率，就成为了许多工程师日以继夜的奋斗目标。 3.作品在创新性、趣味性、实用性甚至公益性方面，有哪些亮点可体现？ 我制作的这款开关电源，为小型化，高性能化而存在。利用PI最新的控制器。实现了4x6里面的超小空间尺寸，为产品尺寸腾挪出了空间，为产品整体小型化制造了可能，同时通过对准谐振控制器的使用，避免了独立开关管的离散性稳定问题。使产品的可靠性进一步得到了提升。全系列使用了宽温的磁芯，这保证了电路在-20度到85度的环境温度下都可以保证可靠的稳定工作。 二、系统构架图 用流程图或思维导图等形式，描述您的作品的组成构架，即方案图。
通过PI最新的innswitch3系列芯片，尽可能的降低产品功耗，简化产品设计，采用最新型的RM结构变压器节省线路板空间，实现高性能小体积电源的可能性。 三、硬件部分的描述 1.附上原理图&PCB实物图的图片或者源文件（官方建议大家尽量用源文件上传），如果是图片，请确保图片是清晰可辨的；
工程文件链接 https://lceda.cn/kokoro/inn3268c-40w-12v-3-34a 变压器设计输出文件 InnoSwitch3-CP INN3268C最终定稿版.pdf
2.用文字把该作品的实现原理、系统的工作过程大致讲解一下。 本作品使用PI最新flyback开关电源控制器innswitch3，采用了先进的磁耦合通讯技术，节约了光耦的空间，同时充分利用了变压器初次级之间的大部分浪费空间，使得PCB电路的体积可以大幅度缩小。 同时由于QR准谐振调制的使用，使得开关电源控制器的发热大幅下降。这就避免了额外散热片所占用的空间。次级的同步整流，同样避免了肖特基二极管在大电流下不可避免的发热问题。整个开关电源的总转换效率高于94% 3.注明所用到的EDA工具软件名称并附上设计链接。 AD15绘制电路，PIXls Designer 10设计变压器，立创EDA实现Bom制作与无缝导入采购 https://lceda.cn/kokoro/inn3268c-40w-12v-3-34a 四、材料清单（BOM列表) 列出您这个作品所用到的主要器件（关键器件即可），比如单片机&ARM芯片、专用集成芯片(ASIC)、传感器、功能模块等。 如果所列出的芯片是来自我们立创商城上的，最好能写出该器件的商品编号或附上对应购买链接。 BR1 MSB30M 1000V/3A/贴片 商品编号：C137243
R41 RS-06K68R0FT 68R/1%/1206R 商品编号：C137243
无法从嘉立创采购到的元器件 L1 744821120 20mH/锰芯/XS尺寸 生产厂家：wurth U1 INN3268C InSOP-24D/50W Power Integrations提供 研发初期，由于搞不到高性能的固态电容，事实上固态电容到现在一直是被热炒的状态。我也是后来才知道嘉立创上面可以直接买到高性能固态电容现货样品的。 其实正常工作整流桥是用不到3A这么大的功率功率的，但是考虑到如下几点所以我选用了MDD的这款贴片整流桥堆 需要注意的是大电流的贴片整流桥堆市场上并不常见，所以这里要感谢嘉立创，让我能够方便的采购到。（说这个是因为采购和我抱怨过，买不到了） Rs1J这个二极管是用在开关电源RCD吸收电路上的，它需要正向恢复快，反向恢复慢的型号，这样才能显著降低高压开关mos管的VDS耐压需求，和避免EMI问题。MDD的产品正好符合我要的需求 说完二极管再来说说开关电源里面的特殊瓷片电容 这里的C14就是RCD吸收电路里面的吸收电容 在传统的设计里面需要使用低温漂，可以被击穿后自动修复的CBB MPK这类的高压涤纶电容。 而由于现代紧凑型电源设计的需要，普遍都是用了瓷片电容替代。 这时候我们就需要注意两点了。 第一当然是电容的耐压，我们需要使用高耐压瓷片电容，这是很特殊的一类电容。并不是常规瓷片电容，并不容易申样到 考虑到陶瓷电容不能被击穿后自我修复，所以瓷片电容的耐压1000V起跳 再之后需要注意的第二个问题就是温漂，由于传统的大容量瓷片电容都是X7R或者其他型号的MLCC多层瓷片电容，对温度铭感，对电压也铭感，电压的变化，和温度的变化都会让电容的特性发生相应的剧烈变化。如果使用这样的电容在RCD电路上就会导致一系列的不稳定工作状态。所以，这里我选用的是1000V的NPO高频陶瓷电容。这样的电容其实并不容易买到。多亏了嘉立创，否则采购一定会要杀了我的心都有的。 很多人可能不太能理解，电压对瓷片电容容量的影响，其实瓷片电容也就相当于一个压电陶瓷片，试驾电压了，就会改变两个极板之间的间距，导致电容发生变化。原理其实很简单。但是如果不注意的话。就会中招。高频瓷相对于多层瓷片电容而言，这种电压对他的影响会小很多。上图就是电压对瓷片电容容量影响的关系曲线图。 这里说一个特别为开关电源RCD电路设计的瓷片电容元件。禾伸堂的2.2nf 630V NP0瓷片电容。2.2nf是RCD电路最常见选用的规格，630V就是替代传统的涤纶电容需要的耐压而做出来的。毕竟高频瓷做到如此大容量还要如此高耐压是非常不寻常的一件事情。所有的解释，都指向一个，那就是这颗电容就是禾伸堂为了开关电源用的RCD电路设计的。 PQ和RM的区别 PQ磁芯其实是由传统的EE磁芯演变而来的，通过EE磁芯的不断优化，改进了EE磁芯不方便绕制，磁芯包裹少等一系列的缺点，当然也适当的增加了一些生产的成本。 RM磁芯是由瓷罐简化而来的，瓷罐的性能最好，但是价格贵，加工麻烦，引线不容易，所以RM的本质是瓷罐。 这两种磁芯一种是在便宜的EE磁芯上增加成本改进性能得来，而另一种是降低成本，提升制作便利得来的。殊途同归，最终就得到了类似的外形特征。 RM和PQ在一定范围内的选择是重叠的，就是你既可以用RM也可以用PQ。 但是实际的使用中，它们的功率正好是错开的，比如rm可以做10w，pq就可以做15w，rm再大一档就是20w的，pq就是25w。所以如果你有变压器计算工具例如PIXls Designer 就可以精确的在这两种变压器之间得到自己的选择。 还有一个重要的就别就是PQ可以覆盖超级大功率，RM磁芯在40w以上就很难买到了，到100w就基本是极限了。而PQ磁芯可以到1000w以上。这就是这两者的区别。 磁芯材料一般分为4种类型，高频，宽温，低成本，高磁通。 这个设计里面因为是为了高可靠性设计的，所以我选择的是宽温磁芯。 可以看到TDK的PC95磁芯可以在很宽的温度范围内都保证正常工作。 由于TDK的RM磁芯并没有PC95的材料，所以我选择了ACME的磁芯，他们的P47材料和PC95性能接近，而且重要的是有RM磁芯生产 在PIXls Designer中需要设置磁芯材料为PC95否则一系列的换算都会有问题，这是在变压器计算过程中需要注意的 小尺寸变压器为了符合安规，一般都需要飞线，但是飞线会增加成本，如果你希望降低成本的话，建议是使用特质的安规骨架。就是会有一些地方长出来的 如果要使用飞线，也需要在PIXls Designer中设置清楚。 由于变压器的磁芯被认定为是初级，而且磁芯被认定为是导体，所以rm磁芯的常规骨架都是过不了安规的，rm的特殊安规骨架又特别少，所以rm变压器多以飞线来通过安规，变压器需要全包裹。这是rm变压器体积小的一种代价。 五、软件部分的描述（选填） 如果您的作品涉及到软件，请列出作品对应的软件工作流程图，及关键部分的例程、源码（如果您想开源的话请上传全部源码）。 六、作品演示 请上传您的作品的功能演示到腾讯视频，并编辑到本楼（或附上视频链接）。按要求上传视频可获得10分，具体详见活动规则。 优酷视频上传链接 https://v.youku.com/v_show/id_XMzY3Mzk3ODY0NA==.html 腾讯视频上传链接 https://v.qq.com/x/page/d0694tl3ahq.html
嵌入优酷的视频，腾讯视频实在是无能为力嵌入，只能提供视频链接，特此表示遗憾
七、总结 例如您在完成该作品过程中的一些体会、碰到的技术问题或调试经验、作品的未来规划，及对我们主办方的建议和意见等。 CE~EN55022 class B的传导测试通过 3000VAC 60s的耐压测试 瞬变脉冲群EFT-4000Kv，L、N、L_PE、N_PE、LN_PE
100mv以下的纹波 一开始的时候，变压器没有用变压器黄色胶带全部包裹，耐压测试过不了，由此也深刻理解了磁芯算作初级的开关电源设计原则。变压器全部包裹，耐压就通过了 传导测试的时候，我是比较担心的，因为参考设计上的共模电感比我选择的大一号。虽然电感值一样。但是滤波效果相对来说总归会差一些，幸运的是classB顺利通过。 纹波测试其实就是在拷问你采购固态电容的能力，是否有能力买到esr值足够低的固态电容。嘉立创很好的帮我解决了这方面的问题。 整个电路虽然简单，但是PCB布线博大精深，因为有安规要求的严格规范，所以元器件与走线之间的间距是被严格限定，必须大于规定值。所以要把一个电源做小其实是非常不容易的事情。 我有信心说，这次我做的电源是整个行业内屈指可数的mini程度。很大的功劳都要靠PI公司提供的最先进的PWM控制芯片innswitch3，如果没有这样的方案，我很难想象40w可以做到这么小，而且不需要散热片，不需要独立高压mos管。可以不用担心高压mos管的一致性不确定带来的系统不稳定。 继续说下，去我们聊聊生产。由于双面贴片+插件，所以需要工厂使用红胶工艺，这也是现代充电适配器普遍使用的一种工艺。这里说个小秘密，为什么小尺寸的开关电源都是用的插件电容呢？理由很简单，相比较而言，贴片的电容更占面积。直插件体积更小。这就是为什么现代开关电源选用的高性能电容大多买不到贴片型号的原因。 总之这次开关电源的设计，让我受益匪浅。我算是真正掌握了整个开关电源的设计技巧。而且同时掌握了现代最先进开关电源的整套设计方案。以后再做任何类型的开关电源，对我而言都不再是问题了。
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项目方案需求：AC-DC电源模块方案-24V/1A-24W 电源输入：AC 85V~265V. 50-60Hz、DC 100~370V； 电源输出：DC 24V/1A-24W； 结构尺寸：40*25*20mm (L*W*H)； 封装定义：如下图； 转换效率：>90%； 模块外壳：适配器-PC（自然冷却）； 工作环境：-25°C~85°C； PCB材质：Dual-Layer PCB/FR4-1.6mm； 目标成本：< ￥ 20.00 ； 模块特性：小型体积封装、高性能模块电源；高效率、高功率密度；全球通用范围交流 /直流输入；输出内置稳压滤波 、低纹波零噪音；保护种类：过载/短路/过热保护；内置防雷浪涌电路，内置差模、共模滤波， 同步整流和超低空载功耗；符合EMC和安规隔离要求，可通过安全认证测试； PS：有实际经验和评估方案可行或已有量产方案的工程师可详细联系。谢谢！ |
发表于2018-06-15 13:40:28
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