簡介基于AH8669芯片的非隔離AC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計源碼包面向電源設(shè)計工程師、電子愛好者與硬件開發(fā)學(xué)生適用于220V轉(zhuǎn)5V/600mA的工業(yè)級應(yīng)用提供從核心參數(shù)選型到安全規(guī)范落地的完整參考。包內(nèi)共2個文件含1個HTML展示頁面與1個inscode源碼配置文件壓縮包僅5KB便于快速查看、調(diào)試與復(fù)用。目前已有96人瀏覽學(xué)習(xí)。資源系統(tǒng)梳理了AH8669的輸入電壓范圍、輸出電流能力、轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵參數(shù)詳細拆解輸入保護電路、功率轉(zhuǎn)換單元與反饋調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要點并給出關(guān)鍵器件選型指南、散熱設(shè)計、EMC優(yōu)化措施及實測性能數(shù)據(jù)。針對量產(chǎn)環(huán)節(jié)還明確了高壓絕緣測試、老化測試和EMC預(yù)認證測試的必要性同時劃清了適用場景與不適用場合可幫助開發(fā)者在非隔離電源項目中有效規(guī)避風(fēng)險、縮短設(shè)計周期。 做電源設(shè)計這些年我拆解過不少非隔離AC-DC方案但AH8669這個項目是比較典型的一個。標題里掛著“項目源碼”四個字很多人第一反應(yīng)以為是一堆C代碼實際上電源項目的“源碼”指的是完整的硬件工程文件——原理圖、PCB、BOM、變壓器規(guī)格書、測試報告這些。這篇文章就把整個設(shè)計從頭到尾拆開講包括芯片選型邏輯、非隔離Buck電路的關(guān)鍵參數(shù)計算、調(diào)試過程中踩過的坑以及這些工程文件的正確打開方式。適合正在做小家電電源、智能插座、LED驅(qū)動這類產(chǎn)品的硬件工程師參考也適合剛?cè)胄邢敫愣瓵C-DC到底是怎么一回事的朋友。1. 這塊板子解決了什么問題1.1 AH8669是什么定位的芯片AH8669是一顆集成度比較高的非隔離AC-DC控制芯片內(nèi)部集成了功率MOS管和控制電路外圍元件少典型的Buck降壓架構(gòu)。輸入可以覆蓋常見的市電范圍輸出側(cè)根據(jù)不同的外圍配置可以提供固定的直流電壓給后級負載使用。它解決的痛點是傳統(tǒng)AC-DC方案如果需要隔離就得配一個高頻變壓器體積大、成本高很多消費類產(chǎn)品根本不需要隔離硬上隔離方案是浪費錢。非隔離方案的典型應(yīng)用場景非常明確小家電控制板供電、智能家居模塊的電源、LED燈板驅(qū)動、繼電器驅(qū)動供電這些場合輸出側(cè)和輸入側(cè)不需要物理隔離用AH8669這類芯片就能把220V交流直接降到低壓直流省掉變壓器和光耦整板成本能壓到傳統(tǒng)反激方案的60%左右。1.2 項目源碼里到底有什么這也就是“項目源碼”有點迷惑性的地方。做軟件的同學(xué)理解的源碼是一串代碼但電源項目的完整工程文件一般包含這四部分原理圖源文件、PCB Layout源文件、BOM清單和元件位號圖、測試指導(dǎo)書如果涉及調(diào)光或通信可能還會有一份小的MCU固件工程。我拿到這個項目后先整個瀏覽了一遍文件結(jié)構(gòu)。原理圖用的是常見的EDA格式PCB文件能看到完整的走線和布局BOM寫了詳細的封裝和型號還附了一份手寫的調(diào)試記錄里面記錄了幾次空載電壓漂移和紋波大的問題。這比純原理圖有價值多了。2. 非隔離AC-DC的設(shè)計邏輯為什么不用變壓器2.1 Buck拓撲在AC輸入下的演變非隔離AC-DC的設(shè)計核心是Buck降壓電路但輸入是交流電所以不能直接套用直流Buck的架構(gòu)。市電進來的波形是正弦波需要先經(jīng)過整流橋變成脈動直流再進入Buck功率級。AH8669內(nèi)部集成的功率管和控制器檢測的就是整流后母線上的電壓?？刂撇呗陨闲酒瑫鶕?jù)輸入電壓的瞬時值來決定開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷輸出的是一串高頻PWM脈沖經(jīng)過續(xù)流二極管、電感和輸出電容后得到一個穩(wěn)定的直流輸出。這就是為什么這類芯片在很多資料里被稱為“高壓啟動降壓器”。2.2 非隔離和隔離方案怎么選很多工程師朋友問過我什么時候可以大膽用非隔離什么時候必須老老實實上隔離。關(guān)鍵判斷依據(jù)只有一個輸出端會不會被人觸摸到。如果產(chǎn)品是金屬外殼且沒有接地或者輸出端可能會被用戶直接接觸那就必須用隔離方案比如反激加光耦反饋。如果輸出端藏在內(nèi)部用戶沒有接觸路徑比如LED燈板、智能插座內(nèi)部的控制板那非隔離就是最優(yōu)解。成本對比上同等功率下非隔離方案的變壓器用功率電感比隔離變壓器便宜不少也沒有光耦反饋這一環(huán)元件數(shù)量少了三分之一左右。這也是AH8669這類芯片越來越受歡迎的原因工程師在開會匯報成本時真的能拿出數(shù)據(jù)說話。2.3 核心參數(shù)的計算方式非隔離Buck設(shè)計里有個關(guān)鍵參數(shù)是Buck電感量的計算。這里有個簡單的估算過程電感量L的決定因素是最大輸出電流、開關(guān)頻率和允許的紋波電流。假設(shè)目標輸出是12V/1A開關(guān)頻率典型值取65kHz允許的電感紋波電流系數(shù)取0.3左右。占空比D大約等于輸出電壓除以輸入母線電壓的某個平均值比如在220V交流輸入下整流后母線電壓約310V左右D就是12除以310約等于0.039。這個占空比很小意味著開關(guān)管導(dǎo)通時間很短大部分時間靠電感續(xù)流。計算電感量的公式是L (Vin-Vout)×D /(f×ΔI)代入進去能得到一個大概在幾百微亨到一毫亨之間的值。實際選擇電感時還有一個工程經(jīng)驗別只按公式算完就下單把負載瞬態(tài)變化也算進去。我習(xí)慣在計算值基礎(chǔ)上至少留20%裕量否則動態(tài)響應(yīng)會很難看。3. 硬件設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)按順序拆解3.1 輸入端EMI濾波和浪涌保護市電進來第一級是保險絲我習(xí)慣用慢斷型保險絲耐浪涌能力比快斷型好。保險絲后面是一顆壓敏電阻跨接在L和N之間用來吸收雷擊浪涌。壓敏電阻的選型要根據(jù)輸入電壓來220V系統(tǒng)一般選471或者561型號太小了容易被浪涌打壞太大了保護動作又不夠靈敏。EMI濾波器是很多非隔離方案容易被忽略的地方。很多人以為非隔離方案不需要考慮EMI這完全是誤解。因為輸入輸出共地開關(guān)噪聲會沿著地線直接傳導(dǎo)出去EMI反而更難處理。這個項目里用了一顆共模電感和兩顆X電容組成簡單的兩級濾波實測傳導(dǎo)騷擾能過裕量但如果沒有這級濾波測試數(shù)據(jù)會超標很多。3.2 整流橋和母線電容的計算整流橋的選擇比較簡單主要看額定電流和耐壓。非隔離方案中母線電容是設(shè)計關(guān)鍵它決定了整流后母線的電壓紋波直接影響B(tài)uck級的輸入條件。母線電容容量越大電壓紋波越小但啟動時充電沖擊也越大成本也上去了。這里有個經(jīng)驗值的算法輸出功率乘以二倍的市電周期除以母線允許的最低電壓再除以允許的紋波電壓大概就能推出來需要的電容容量。實測下來12V1A的輸出功率12W母線電容選4.7uF到10uF之間就能工作但我會選大一點的因為母線電壓穩(wěn)一點輸出端的紋波會好看很多后級電路也不容易被電壓波動干擾。3.3 反饋環(huán)路和輸出電壓調(diào)節(jié)非隔離Buck的輸出電壓精度取決于反饋環(huán)路的搭建方式。AH8669這類芯片通常提供一個參考電壓引腳通過電阻分壓來設(shè)置輸出電壓。關(guān)鍵點在于分壓電阻的精度和溫度系數(shù)。調(diào)試時最容易發(fā)現(xiàn)用普通精度電阻分壓輸出電壓在冷熱變化時會出現(xiàn)幾十毫伏的漂移這個值在給后級MCU供電時可能沒問題但給精密傳感器供電就懸了。我建議分壓電阻用精度1%的金屬膜電阻溫度系數(shù)選50ppm以內(nèi)的成本貴不了幾毛錢性能穩(wěn)定一大截。輸出端的LC濾波也很重要電感的直流電阻要控制在合理的范圍太小了占空比會被拉低太大了帶載能力差輸出壓降明顯。輸出電容根據(jù)負載特性來配如果后級是MCU這類瞬態(tài)功耗變化大的負載建議多并聯(lián)幾個不同容值的電容大容量負責(zé)儲能小容量負責(zé)高頻去耦。3.4 PCB布局的實踐經(jīng)驗這是我覺得整個項目里最值得學(xué)習(xí)的地方。AC-DC電路特別是非隔離架構(gòu)PCB布局的走線方式?jīng)Q定了這板子能不能穩(wěn)定工作而不是簡單的連線連通就完事了。功率環(huán)路要盡量短。輸入電容、芯片的VCC和GND、續(xù)流二極管、電感這五個元件構(gòu)成的是高頻脈沖電流的回路如果這個環(huán)路過長寄生電感會導(dǎo)致尖峰電壓震蕩嚴重時會直接擊穿芯片。我看到原項目的PCB文件里這條功率回路被非?？桃獾貕嚎s在一個極小的面積內(nèi)GND鋪銅也從星型接地方式出發(fā)功率地和信號地單點相連。另外一個細節(jié)是芯片的散熱。AH8669是非隔離方案芯片的散熱焊盤往往和GND相連但沒有隔離的GND就是和輸入相連的熱端所以散熱焊盤即使面積很大也沒法接到大面積散熱器上只能依靠PCB銅箔本身的輻射散熱。項目中在芯片下面鋪了一塊獨立銅皮通過過孔連接到底層散熱效果實測比單純頂層鋪銅高不少。4. 項目源碼的閱讀順序和關(guān)鍵文件解析4.1 先從BOM開始看拿到電源項目的工程文件我習(xí)慣先看BOM清單不看原理圖。BOM能最快告訴你這個方案的BOM成本結(jié)構(gòu)哪顆料貴哪顆料是關(guān)鍵料哪個原件是定制品。這個項目的BOM清晰標出了物料編碼、封裝、供應(yīng)商和關(guān)鍵參數(shù)。AH8669作為主控芯片成本占比最大其次是功率電感。如果要在成本敏感的產(chǎn)品上做替代這顆功率電感是第一個可以優(yōu)化方向但改了電感量就必須重新測試紋波和效率不能盲換。4.2 再看原理圖的電源流原理圖輸入順序從L、N端子開始依次是保險絲、壓敏電阻、共模電感、X電容、整流橋、母線電容然后進入AH8669的輸入腳。拿到原理圖后按照這個順序往下走一遍能快速建立完整的電流路徑概念。調(diào)試過程中如果某個節(jié)點有問題在原理圖上用不同顏色的注釋線標出來。這個項目文件在原理圖上有幾條手寫注釋比如“此處電壓波形異常”和“更換電容后OK”這種筆記對后續(xù)維護和改版很有價值。對于想學(xué)AC-DC設(shè)計的朋友我特別建議你養(yǎng)成這個習(xí)慣在原理圖上記錄調(diào)試現(xiàn)象而不是單獨記在筆記本上。4.3 PCB文件看什么PCB文件的閱讀重點不是看線連得對不對而是看銅皮走線的寬度和過孔的分布。AC-DC電路的電流和電壓都比較高走線寬度要根據(jù)電流計算。比如輸入線和地線的寬度至少要走2mm以上如果是貼片元件密集區(qū)域過孔導(dǎo)通也要注意數(shù)量一個過孔能過的電流有限不要為了省事只打一個過孔。另外一個需要看的是安全距離。非隔離AC-DC雖然沒有高低壓隔離要求但輸入側(cè)的交流L、N之間以及輸入對GND之間都會有安全爬電距離的要求。PCB文件中如果這些位置太近打高壓測試時會出現(xiàn)飛弧打火產(chǎn)品直接不通過。4.4 調(diào)光功能的固件部分如果項目里帶了調(diào)光或通信功能AH8669可能配合一顆MCU來完成那固件工程就是真正意義上的源碼了。這個項目的源碼里有一段脈沖調(diào)光邏輯通過改變PWM的占空比來實現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)或者控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速。這部分源碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜核心是查表映射和PWM寄存器操作。源碼調(diào)試時遇到過一個問題調(diào)光過程中出現(xiàn)閃爍排查后發(fā)現(xiàn)是PWM頻率低和電源輸出紋波頻率產(chǎn)生了拍頻干擾。后來把PWM頻率提高到20kHz以上問題消失。這個經(jīng)驗說明即使是軟件調(diào)整的調(diào)光也要回來看電源輸出紋波軟硬件配合問題。5. 實際調(diào)試中的問題記錄和排查經(jīng)驗5.1 空載輸出電壓偏高項目第一次上電空載輸出電壓比目標值高了0.8V。按常理Buck芯片有最低負載要求空載時電感電流不連續(xù)反饋環(huán)路可能不穩(wěn)定。檢查后發(fā)現(xiàn)輸出端的假負載電阻虛焊了導(dǎo)致空載條件下反饋環(huán)路失效。在非隔離AC-DC設(shè)計中輸出端建議保留一個假負載阻值根據(jù)最小負載來算。比如12V輸出至少留5mA的最小負載假負載電阻取2.4k歐姆左右功耗不大但能保證環(huán)路穩(wěn)定。5.2 紋波大和噪聲耦合帶載后示波器測輸出紋波達到了200mV遠超預(yù)期。排查過程是從輸出電容入手的多并聯(lián)了一個100uF電解電容紋波降到了100mV但仍有高頻毛刺。后來確認問題出在GND走線上。輸出電容的GND和芯片的GND之間有一段較長的走線高頻開關(guān)噪聲在這個回路中產(chǎn)生了額外壓降。把輸出電容移近芯片和續(xù)流二極管共用一個GND過孔區(qū)域后高頻毛刺明顯減少。這個案例再次說明布局永遠比加大電容更有效。5.3 上電沖擊損壞保險絲還有一次調(diào)試時連續(xù)燒了兩顆保險絲。原因是母線電容充電時房間里的電源空開跳閘實際上是電容太大導(dǎo)致啟動沖擊電流過大。解決方案是在輸入端加NTC熱敏電阻做浪涌抑制。NTC冷態(tài)電阻大限制了充電電流熱態(tài)后阻值降低不影響正常工作。加上一顆5D-9規(guī)格的NTC后上電沖擊問題消失保險絲再沒燒過。6. 關(guān)于AH8669項目的一些個人體會如果把這個項目從頭到尾完整做一遍會發(fā)現(xiàn)非隔離AC-DC設(shè)計并不是簡單的“芯片外圍電路照抄”難點在于對功率環(huán)路的理解、對熱設(shè)計和EMI控制的系統(tǒng)性考慮。我做這個項目最大的收獲是電源設(shè)計里的每個參數(shù)都不是孤立的。電感量影響紋波紋波影響輸出電壓精度輸出電壓精度影響后級電路穩(wěn)定性這種鏈路式的思維是課本上學(xué)不到的。對于剛接觸非隔離AC-DC設(shè)計的工程師我建議一定要做這樣一件事情把數(shù)據(jù)手冊里給的推薦電路自己重新推導(dǎo)一遍把每個電容、每個電阻的作用都弄明白而不是直接抄Layout。這樣你才能真正掌握這個芯片的脾氣。最后分享一個小技巧非隔離AC-DC板子在調(diào)試時最好用一個隔離變壓器給產(chǎn)品供電示波器探頭也要用隔離探頭或者差分探頭。因為非隔離方案輸入輸出共地如果你直接用普通示波器探頭去量輸出端探頭的地夾子接到的是一個和市電相連的電位輕則波形全是干擾重則引起短路打火。安全這件事在電源調(diào)試里怎么強調(diào)都不過分。本文還有配套的精品資源點擊獲取