在电子设备的设计与制造中，电源是至关重要的组成部分，它为设备的正常运行提供稳定的电能。而电源原理图的设计以及各元件功能的合理配置，直接影响着电源的性能和稳定性。本文将以一个输出瓦数为 13.2W（3.3V/4A）的电源为例，深入解析电源原理图以及每个元件的功能。

变压器的设计与计算

变压器作为整个电源供应器的，其设计与计算至关重要。

1. 变压器材质及尺寸：根据输出瓦数和相关假设，确定变压器的材质为 PC - 40，尺寸为 EI - 28，有效截面积 Ae = 0.86cm2，可绕面积（槽宽）为 10mm。考虑到 Margin Tape 使用 2.8mm（每边），剩余可绕面积为 4.4mm。
2. 滤波电容选择：假设滤波电容使用 47uF/400V，Vin (min) 暂定 90V。滤波电容的大小会影响 Vin (min) 的值，电容越大，Vin (min) 越高，但价格也相对较高。
3. 线径及线数决定：依据 Bobbin 的槽宽，可决定变压器的线径及线数，同时计算出线径的电流密度。电流密度一般以 6A/mm2 为参考，但终应以温升记录为准。
4. 工作周期（Duty cycle）确定：Duty cycle 的设计一般以 50% 为基准，超过 50% 易导致振荡的发生。通过特定公式可计算得出。

1. Ip 值确定：这是变压器设计中的一个重要参数，对后续的计算和设计有重要影响。
2. 辅助电源圈数决定：依据变压器的圈比关系，可确定辅助电源的圈数及电压。
3. 应力计算：依据变压器的圈比关系，初步计算出变压器的应力（Stress）是否符合选用零件的规格，计算时以输入电压 264V（电容器上为 380V）为基准。

各元件的功能及选择

1. FS1（保险丝）：由变压器计算得到 Iin 值（0.42A），可知使用公司共享料 2A/250V。设计时需考虑 Pin (max) 时的 Iin 是否会超过保险丝的额定值。
2. TR1（热敏电阻）：在电源激活瞬间，由于 C1（侧滤波电容）短路，Iin 电流很大，可能对电源造成伤害。因此，在滤波电容之前加装热敏电阻，以限制开机瞬间 Iin 在规定范围内（115V/30A，230V/60A）。但热敏电阻会消耗功率，不可使用太大阻值，一般使用 SCK053（3A/5Ω）。若 C1 电容使用较大值，则需考虑增大热敏电阻的阻值。
3. VDR1（突波吸收器）：当雷击发生时，可能损坏零件，影响电源正常工作。因此，在靠 AC 输入端（Fuse 之后）加上突波吸收器（一般常用 07D471K）来保护电源。若有价格考量，可先忽略不装。
4. CY1，CY2（Y - Cap）：Y - Cap 一般分为 Y1 及 Y2 电容。若 AC Input 有 FG（3 Pin），一般使用 Y2 - Cap；若为 2Pin（只有 L，N），一般使用 Y1 - Cap。Y1 较昂贵，绝缘等级及耐压约为 Y2 的两倍。此电路因有 FG 所以使用 Y2 - Cap。Y - Cap 会影响 EMI 特性，一般越大越好，但需考虑漏电及价格问题，漏电（Leakage Current）必须符合安规要求（3Pin 公司标准为 750uA max）。
5. CX1（X - Cap）、RX1：X - Cap 是防制 EMI 零件，对低频段（150K ~ 数 M 之间）的 EMI 防制有效。一般 X - Cap 越大，EMI 防制效果越好，但价格越高。若 X - Cap 在 0.22uf 以上（包含 0.22uf），安规规定必须要有泄放电阻（RX1，一般为 1.2MΩ 1/4W）。
6. LF1（Common Choke）：作为 EMI 防制零件，主要影响 Conduction 的中、低频段。设计时需同时考虑 EMI 特性及温升，同样尺寸的 Common Choke，线圈数越多（相对线径越细），EMI 防制效果越好，但温升可能较高。
7. BD1（整流二极管）：将 AC 电源以全波整流的方式转换为 DC。由变压器计算出的 Iin 值可知，使用 1A/600V 的整流二极管即可，因为是全波整流，耐压只要 600V。
8. C1（滤波电容）：其大小可决定变压器计算中的 Vin (min) 值，电容量越大，Vin (min) 越高，但价格也越高。若 AC Input 范围在 90V ~ 132V（Vc1 电压约 190V），可使用耐压 200V 的电容；若在 90V ~ 264V（或 180V ~ 264V），因 Vc1 电压约 380V，必须使用耐压 400V 的电容。
9. D2（辅助电源二极管）：常用 FR105（1A/600V）或 BYT42M（1A/1000V），两者主要差异在于耐压和 VF 值不同。在此处使用差异不大。
10. R10（辅助电源电阻）：主要用于调整 PWM IC 的 VCC 电压。以 3843 为例，设计时 VCC 必须大于 8.4V（Min. Load 时），但为考虑输出短路情况，VCC 电压不可设计太高，以免输出短路时不保护或输入瓦数过大。
11. C7（滤波电容）：作为辅助电源的滤波电容，提供 PWM IC 较稳定的直流电压，一般使用 100uf/25V 电容。
12. Z1（Zener 二极管）：当回授失效时，输出电压冲高，辅助电源电压相对提高。若没有保护电路，可能造成零件损坏。在 3843 VCC 与 3843 Pin3 脚之间加一个 Zener Diode，当回授失效时 Zener Diode 会崩溃，使 Pin3 脚提前到达 1V，限制输出电压，达到保护零件的目的。Z1 值的大小取决于辅助电源的高低，同时需考虑是否超过 Q1 的 VGS 耐压值，原则上使用公司现有料（一般使用 1/2W 即可）。
13. R2（激活电阻）：提供 3843 次激活的路径，次激活时透过 R2 对 C7 充电，以提供 3843 VCC 所需的电压。R2 阻值较大时，turn on 的时间较长，但短路时 Pin 瓦数较小；阻值较小时，turn on 的时间较短，短路时 Pin 瓦数较大，一般使用 220KΩ/2W M.O。
14. R4（Line Compensation）：用于高、低压补偿，使 3843 Pin3 脚在 90V/47Hz 及 264V/63Hz 接近一致，一般使用 750KΩ ~ 1.5MΩ 1/4W 之间。
15. R3，C6，D1（Snubber）：这三个零件组成 Snubber，其作用一是确保 Q1 off 瞬间产生的 Spike 不会超过 Q1 的耐压值，二是改善 EMI。一般 D1 使用 1N4007（1A/1000V）时 EMI 特性较好，R3 使用 2W M.O. 电阻，C6 的耐压值以两端实际压差为准（一般使用耐压 500V 的陶质电容）。
16. Q1（N - MOS）：目前常使用 3A/600V 及 6A/600V 两种。6A/600V 的 RDS (ON) 较 3A/600V 小，温升较低。若 IDS 电流未超过 3A，应先考虑 3A/600V，并以温升记录验证。同时，需考虑 VDS 是否超过额定值。
17. R8：其作用是保护 Q1，避免 Q1 呈现浮接状态。
18. R7（Rs 电阻）：3843 Pin3 脚电压为 1V，R7 的大小须与 R4 配合，以达到高低压平衡的目的。一般使用 2W M.O. 电阻，设计时先决定 R7 后再加上 R4 补偿，一般将 3843 Pin3 脚电压设计在 0.85V ~ 0.95V 之间（视瓦数而定，若瓦数较小则不能太接近 1V，以免因零件误差而顶到 1V）。
19. R5，C3（RC filter）：滤除 3843 Pin3 脚的噪声。R5 一般使用 1KΩ 1/8W，C3 一般使用 102P/50V 的陶质电容。C3 若使用电容值较小者，重载可能不开机；若使用电容值较大者，也许会有轻载不开机及短路 Pin 过大的问题。
20. R9（Q1 Gate 电阻）：其阻值大小会影响 EMI 及温升特性。阻值大，Q1 turn on /turn off 的速度较慢，EMI 特性较好，但 Q1 的温升较高、效率较低；阻值较小，Q1 turn on /turn off 的速度较快，Q1 温升较低、效率较高，但 EMI 较差，一般使用 51Ω - 150Ω 1/8W。
21. R6，C4（控制振荡频率）：决定 3843 的工作频率，可由 Data Sheet 得到 R、C 组成的工作频率。C4 一般为 10nf 的电容（误差为 5%），R6 使用精密电阻。以 DA - 14B33 为例，C4 使用 103P/50V PE 电容，R6 为 3.74KΩ 1/8W 精密电阻，振荡频率约为 45 KHz。
22. C5：功能类似 RC filter，主要功用是使高压轻载较不易振荡，一般使用 101P/50V 陶质电容。
23. U1（PWM IC）：3843 是 PWM IC 的一种，由 Photo Coupler (U2) 回授信号控制 Duty Cycle 的大小，Pin3 脚具有限流的作用（电压 1V）。目前所用的 3843 中有 KA3843（SAMSUNG）及 UC3843BN（S.T.）两种，两者脚位相同，但产生的振荡频率略有差异，UC3843BN 较 KA3843 快了约 2KHz，fT 的增加会衍生出一些问题（如 EMI 问题、短路问题）。因 KA3843 较难买，新机种设计时尽量使用 UC3843BN。
24. R1、R11、R12、C2（侧回路增益控制）：3843 内部有一个 Error AMP（误差放大器），R1、R11、R12、C2 及 Error AMP 组成一个负回授电路，用于调整回路增益的稳定度。回路增益调整不恰当可能会造成振荡或输出电压不正确，一般 C2 使用立式积层电容（温度特性较好）。
25. U2（Photo coupler）：光耦合器主要将二次侧的信号转换到侧（以电流的方式）。当二次侧的 TL431 导通后，U2 会将二次侧的电流依比例转换到侧，此时 3843 由 Pin6 (output) 输出 off 的信号（Low）来关闭 Q1。使用 Photo coupler 是为了符合安规需求（primacy to secondary 的距离至少需 5.6mm）。
26. R13（二次侧回路增益控制）：控制流过 Photo coupler 的电流。R13 阻值较小时，流过 Photo coupler 的电流较大，U2 转换电流较大，回路增益较快，但需确认是否会造成振荡；阻值较大时，流过 Photo coupler 的电流较小，U2 转换电流较小，回路增益较慢，但需注意输出电压是否正常。
27. U3（TL431）、R15、R16、R18：用于调整输出电压的大小。输出电压不可超过 38V（因为 TL431 VKA 为 36V，若再加 Photo coupler 的 VF 值，则 Vo 应在 38V 以下较安全）。TL431 的 Vref 为 2.5V，R15 及 R16 并联的目的是使输出电压能微调，且并联后的值不可太大（尽量在 2KΩ 以下），以免造成输出不准。
28. R14，C9（二次侧回路增益控制）：控制二次侧的回路增益。一般而言，电容放大会使增益变慢，电容放小会使增益变快；电阻的特性则相反，电阻放大增益变快，电阻放小增益变慢。通过 Dynamic load 量测可取得增益调整值。
29. D4（整流二极管）：因为输出电压为 3.3V，而输出电压调整器使用 TL431（Vref = 2.5V）而非 TL432（Vref = 1.25V），所以必须多增加一组绕组提供 Photo coupler 及 TL431 所需的电源。由于 U2 及 U3 所需的电流不大（约 10mA 左右），二极管耐压值 100V 即可，所以只需使用 1N4148（0.15A/100V）。
30. C8（滤波电容）：由于 U2 及 U3 所需的电流不大，所以只要使用 1u/50V 即可。
31. D5（整流二极管）：输出整流二极管的使用需考虑电流值和二极管的耐压值。此例中，输出电流 4A，开始使用 10A 的二极管（Schottky），但经温升验证后发现 D5 温度偏高，所以换为 15A 的二极管，因为 10A 的 VF 较 15A 的 VF 值大。耐压部分 40V 经验证后符合，因此使用 15A/40V Schottky。
32. C10，R17（二次侧 snubber）：D5 在截止的瞬间会有 spike 产生，若 spike 超过二极管（D5）的耐压值，二极管会有被击穿的危险。调整 snubber 可适当减少 spike 的电压值，除保护二极管外亦可改善 EMI。R17 一般使用 1/2W 的电阻，C10 一般使用耐压 500V 的陶质电容。snubber 调整过程（264V/63Hz）需注意 R17、C10 是否会过热，应避免此种情况发生。
33. C11，C13（滤波电容）：作为二次侧级滤波电容，应使用内阻较小的电容（LXZ，YXA…）。电容选择是否恰当可依据输出 Ripple 电压是否符合规格、电容温度是否超过额定值、电容值两端电压是否超过额定值这三点来判定。
34. R19（假负载）：适当使用假负载可使线路更稳定，但假负载的阻值不可太小，否则会影响效率。使用时需注意是否超过电阻的额定值（一般设计只使用额定瓦数的一半）。
35. L3，C12（LC 滤波电路）：作为第二级滤波，在不影响线路稳定的情况下，一般会将 L3 放大（电感量较大），如此 C12 可使用较小的电容值。

通过以上对电源原理图和各元件功能的详细解析，我们可以更深入地了解电源的工作原理和设计要点。在实际的电源设计过程中，需要综合考虑各种因素，合理选择元件，以确保电源的性能和稳定性。