这里说的小型SMPS是指一般应用于对功率没需求的数码应用,功率一般在5W以内。
这类产品对SMPS有一个共同的需求就是体积要小,那么如何在更小的体积下做出符合EMI标准要求的设计是一个难点。
因为项目的原因,这里只讨论一下在电力线载波环境下SMPS的设计。
1)前端
为了获得更好的EMI性能,在一般SMPS设计中,会在前端添加滤波器,各种共模或差模电感,X电容等,用于减小SMPS对电网的影响,但是,如果从这方面考虑的话,在我们讨论的环境中,会遇到二个问题:一是电力线载波通讯不允许前端有强的信号隔离器,因为会隔离掉PLC的信号;二是由于体积很小,所以添加那么丰富而全面的前端隔离是不可能的。
所以,在我的设计中,采用了二个电容+二个电感的搭配方式。由于体积限制,X电容是不可能应用的,所以采用了高耐压的MLCC,因为将直流环境下应用的元件应用到交流环境,所以必须保证MLCC的耐压在2KV以上。电感选用了472的 {MOD}环电感,尽可能选用内阻小的品牌。电感后再用一个2KV的MLCC,容量一般为103左右即可,太大容易造成PLC信号损失,太小又不容易通过EMI验证。
2)变压器
变压器的设计是一问很大的学问,这里我也不敢不懂乱说,只是就实际应用中的经验共享二点经验:一是变压器的漏感应尽可能设计得小;二是变压器的耐压很重要。
3)其他
在一般设计中,为了改善SMPS的输出纹波,一般会在输出添加比较大容量的电容。但是这样的方案在这里就不适用了,因为PLC电源的要求是滤波电容不能超过220uF,大了就会吸收PLC信号。所以必须从其他方向来改善SMPS的输出纹波。可以从以下三个方向来改进:一是选择合适的IC;二是合理设计变压器;三是调整合理的参数,在这同时可以放弃一些其他没有严格要求的参数,比如说功率,效率等。
在我的设计中,我选择了ONSemi的NCP1014,配合合适的变压器和合理的参数,输出纹波可以控制到20mV(SMPS输出12V,输出滤波电容30uF),满载400mA或是空载均可维持在这个范围内。效率大概在65%左右,不同状态工作下,电压波动范围较大11.~12.3V都有可能(PLC芯片要求工作电压10.8~15V即可)。
在这个设计中,放弃了高效率,输出电压精度等一些无严格要求的参数,使得在更小的体积内实现了较干净的电源供应,并且还能通过EMI验证。对产品的PLC通信无任何影响,能很好地适应PLC环境下的电源供应要求。
实际的设计和老化实验过程中,前端的高压MLCC的选择曾经发生了一些问题。主要是因为MLCC的耐压不够,而且因为市面上的以次充好,以水货充名牌的产品太多,导致几批SMPS最终因为MLCC耐压不够被击穿而出现了质量问题。一般大厂的2KV耐压MLCC产品都能胜任这些要求。