由簡(jiǎn)到難！大師教你一步一步設計開(kāi)關(guān)電源

針對開(kāi)關(guān)電源很多人覺(jué)得很難，其實(shí)不然。設計一款開(kāi)關(guān)電源并不難，難就難在做精，等你真正入門(mén)了，積累一定的經(jīng)驗，再采用分立的結構進(jìn)行設計就簡(jiǎn)單多了。萬(wàn)事開(kāi)頭難，筆者在這就拋磚引玉，慢慢講解如何一步一步設計開(kāi)關(guān)電源。

　　開(kāi)關(guān)電源設計的第一步就是看規格，具體的很多人都有接觸過(guò)，也可以提出來(lái)供大家參考，我幫忙分析。

　　我只帶大家設計一款寬范圍輸入的，12V2A的常規隔離開(kāi)關(guān)電源。

　　1.首先確定功率，根據具體要求來(lái)選擇相應的拓撲結構；這樣的一個(gè)開(kāi)關(guān)電源多選擇反激式(flyback)基本上可以滿(mǎn)足要求。在這里我會(huì )更多的選擇是經(jīng)驗公式來(lái)計算，有需要分析的，可以拿出來(lái)再討論。

　　2.選擇相應的PWMIC和MOS來(lái)進(jìn)行初步的電路原理圖設計

　　當我們確定用flyback拓撲進(jìn)行設計以后，我們需要選擇相應的PWMIC和MOS來(lái)進(jìn)行初步的電路原理圖設計(sch)。無(wú)論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對里面的計算我還會(huì )進(jìn)行分解。

　　分立式：PWMIC與MOS是分開(kāi)的，這種優(yōu)點(diǎn)是功率可以自由搭配，缺點(diǎn)是設計和調試的周期會(huì )變長(cháng)（僅從設計角度來(lái)說(shuō)）；集成式：就是將PWMIC與MOS集成在一個(gè)封裝里，省去設計者很多的計算和調試分步，適合于剛入門(mén)或快速開(kāi)發(fā)的環(huán)境。

　　3.做原理圖

　　確定所選擇的芯片以后，開(kāi)始做原理圖(sch)，在這里我選用STVIPer53DIP(集成了MOS)進(jìn)行設計。

　　設計前最好都先看一下相應的datasheet，確認一下簡(jiǎn)單的參數。無(wú)論是選用PI的集成，或384x或OBLD等分立的都需要參考一下datasheet。一般datasheet里都會(huì )附有簡(jiǎn)單的電路原理圖，這些原理圖是我們的設計依據。

　　4.確定相應的參數

　　當我們將原理圖完成以后，需要確定相應的參數才能進(jìn)入下一步PCBLayout。當然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應的流程，養成一個(gè)良好的設計習慣，這一步可能會(huì )有初步評估，原理圖確認，等等，簽核完畢后就可以進(jìn)行計算了。

　　先附上相應的原理圖。

　5.確定開(kāi)關(guān)頻率，選擇磁芯確定變壓器

　　這里確定芯片工作頻率為70KHz，芯片的頻率可以通過(guò)外部的RC來(lái)設定，工作頻率就等于開(kāi)關(guān)頻率，這個(gè)外設的功能有利于我們更好的設計開(kāi)關(guān)電源，也可以采取外同步功能。與UC384X功能相近。

　　變壓器磁芯為EER28/28L。

　　一般AC2DC的變換器，工作頻率不宜設超過(guò)100kHz，主要是開(kāi)關(guān)電源的頻率過(guò)高以后，不利于系統的穩定性，更不利于EMC的通過(guò)性。頻率太高，相應的di/dtdv/dt都會(huì )增加，除PI132kHz的工作頻率之外，大家可以多參考其它家的芯片，就會(huì )總結自己的經(jīng)驗出來(lái)。

　　對于磁芯的選擇，是在開(kāi)關(guān)頻率和功率的基礎，更多的是經(jīng)驗選取。當然計算的話(huà)，你需要得到更多的磁芯參數，包括磁材，居里溫度，頻率特性等等，這個(gè)是需要慢慢建立的。

　　20W~40W范圍內EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以。

　　關(guān)于變壓器磁芯的選擇

　　功率大?。?/p>

　　小于5w可使用的磁芯：

　　ER9.5,ER11.5,EE8.3,EE10,EE13,RM4,GU11,EP7,EP10,UI9.8,URS7

　　5-10W可使用的磁芯：

　　ER20,EE19,RM5,GU14,EFD15,EI22,EPC13,EF16,EP13,UI11.5

　　10-20W可使用的磁芯：

　　ER25,EE20,EE25,RM6,GU18,EPC17,EF20

　　20-50W可使用的磁芯：

　　ER28,ETD28,EI28,EE28,EE30,EF25,RM8,GU22,

　　PQ20,EPC19,EFD20

　　50-100W可使用的磁芯：

　　ER35,ETD34,EE35,EI35,EF30,RM10,GU30,PQ26,

　　EPC25,EFD25

　　100-200W可使用的磁芯：

　　ER40,ER42,ETD39,EI40,RM12,GU36,PQ32,EFD30

　　200-500W可使用的磁芯：

　　ER49,ETD49,EC53,EE42,EE55,EI50,RM14,GU42,

　　PQ35,PQ40,UU66

　　大于500W可使用的磁芯：

　　ER70,ETD59,EE65,EE85,GU59,PQ50,UU80,UU93

　　磁芯與傳輸功率對照表

　　6.設計變壓器進(jìn)行計算

　　輸入input：85~265Vac

　　輸出output：12V2A

　　開(kāi)關(guān)頻率Fsw：70kHz

　　磁芯core：EER28/28L

　　磁芯參數：Ae82mm2

　　以上均是已知參數，我們還需要設定一些參數，就可以進(jìn)入下一步計算。

　　設定參數：

　　效率η=80%

　　最大占空比：Dmax=0.45

　　磁感應強度變化：ΔB=0.2

　　有了這些參數以后，我們就可以計算得到匝數和電感量。

　　輸出功率Po=12V*2A=24W

　　輸入功率Pin=Po/η=24W/0.8=30W

　　輸入最低電壓Vin(min)=Vac(min)*sqr(2)=85Vac*1.414=120Vdc

　　輸入最高電壓Vin(max)=Vac(max)*sqr(2)=265Vac*1.414=375Vdc

　　輸入平均電流Iav=Pin/Vin(min)=30W/120Vdc=0.25A

　　輸入峰值電流Ipeak=4*Iav=1A

　　原邊電感量Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipeak*Fsw)=120Vdc*0.45/(1A*70K)=770uH

　　這里的4是一個(gè)經(jīng)驗值，當然也是我自己獨家的經(jīng)驗。至于推導，不用那么麻煩，看下面的圖，你就明白了，下面是DCM時(shí)的電流波形;至于CCM加一個(gè)平臺，自己可以推導，很簡(jiǎn)單。

　　到此最重要的一步原邊電感量已經(jīng)求出，對于漏感及氣隙，我不建議各位再去計算和驗證。

　　漏感Lleakage<5%*Lp　　上面計算了變壓器的電感量，現在我們還需要得到相應的匝數才可以完成整個(gè)變壓器的工作。

　　1）計算導通時(shí)間Ton周期時(shí)間T=Ton+Toff=1/FswTon=T*DmaxFsw,Dmax都是已知量70kHz,0.45代入上式可得Ton=6.43us

　　2）計算變壓器初級匝數Np=Vin(min)*Ton/(ΔB×Ae)=120Vdc*6.43us/(0.2*82mm2)=47T（這里的數是一定要取整的，而且是進(jìn)位取整，我們變壓器不可能只繞半圈或其它非整數圈）

　　3）計算變壓器12V主輸出的匝數輸出電壓(Vo)：

　　12Vdc整流管壓降(Vd)：0.7

　　Vdc繞組壓降(Vs)：0.5

　　Vdc原邊匝伏比(K)=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55輸出匝數(Ns)=(輸出電壓(Vo)+整流管壓降(Vd)+繞組壓降(Vs))/原邊匝伏比(K)=(12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc)/2.55=6T(已取整)

　　4）計算變壓器輔助繞組(auxturning)輸出的匝數計算方法與12V主繞組輸出一樣因為STVIPer53DIP副邊反饋需低于14.5Vdc，故選取12Vdc作為輔助電壓；Na=6T到這一步，我們基本上就得出了變壓器的主要參數原邊繞組：47T原邊電感量：0.77mH漏感<5%*0.77mH=39uH12V輸出：6T輔助繞組：6T下一步我們只要將繞組的線(xiàn)徑股數腳位耐壓等安規方面的要求提出，就可以發(fā)給變壓器廠(chǎng)去打樣了至于氣隙的計算，以及返回驗證Dmax這些都是一些教科書(shū)上的，不建議大家死搬硬套，自己靈活一些。

　　上面計算出匝數以后，可以直接確定漆包線(xiàn)的粗細，不需要去進(jìn)行復雜的計算。

　　線(xiàn)徑與常規電阻一樣，都是有定值的，記住幾種常用的定值線(xiàn)徑。這里，原邊電流比較小，可以直接選用φ0.25一股。輔助繞組φ0.25一股。主輸出繞組φ0.4或0.5三股，不用選擇更粗的，否則繞制起來(lái)，漆包線(xiàn)的硬度會(huì )使操作工人很難繞。

　　很多這一步"計算"過(guò)了以后，還會(huì )返回計算以驗證變壓器的窗口面積。個(gè)人認為返回驗證是多余的，因為繞制不下的話(huà)，打樣的變壓器廠(chǎng)也會(huì )反饋給你，而你驗證通過(guò)的，在實(shí)際中也不一定會(huì )通過(guò)；畢竟與實(shí)際繞制過(guò)程中的熟練度，及稀疏還是有很大關(guān)系的。

　　再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進(jìn)行布局和布板了。

　　7.輸入輸出電解電容計算

　　輸入濾波電解電容

　　Cin=(1.5~3)*Pin

　　輸出濾波電解電容

　　Cout=(200~300)*Io

　　上面我們計算出輸入功率30W

　　所以Cin=45～90uF

　　從理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)值選的越大，對后級就越好；從成本上考慮，我們不會(huì )無(wú)限制的去選取大容量。此處選值47uF/400Vdc85℃或105℃根據相應的應用環(huán)境來(lái)決定；電容不需要高頻，普通低阻抗的就可以了。

　　輸出電流是2A；

　　Cout=400～600uF

　　此處電容需要適應高頻低阻的特性，這個(gè)值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內。因為是閉環(huán)精度控制，故取值470uF/16Vdc

　　這里電源就可以選兩顆470uF/16Vdc，加一個(gè)L，阻成CLC低通濾波器。

　　基本上到這里，PCB上需要外形確定的器件已經(jīng)完成，即PCB封裝完成；下一步就可通過(guò)前面的原理圖(SCH)定義好器件封裝。　　8.PCBLayout

　　上面已經(jīng)確定變壓器，原理圖，以及電解電容，其它的基本上都是標準件了。

　　由sch生成網(wǎng)絡(luò )表，在PCBfile里定義好板邊然后加載相應的封裝庫以后，可以直接導入網(wǎng)絡(luò )表，進(jìn)行布局；因為這個(gè)板相對比較簡(jiǎn)單，也可以直接布板，導入網(wǎng)絡(luò )表是一個(gè)非常好的設計習慣。

　　PCBlayout重點(diǎn)不是怎么連線(xiàn)，最重要的是如何布局；一般來(lái)說(shuō)布局OK的話(huà)，畫(huà)板就輕松多了。

　　在布局與布板方面：

　　1)RCD吸收部分與變壓器形成的環(huán)面積盡量??；這樣可以減小相應的輻射和傳導。

　　2)地線(xiàn)盡量的短和寬大，保證相應的零電平有利于基準的穩定；同時(shí)VIPER53DIP這顆DIP-8的芯片散熱的重要通道。

　　3)在di/dtdv/dt變化比較大的地方，盡量減小環(huán)路和加寬走線(xiàn)，降低不必要的電感特性

　　附上相應的圖，N久之前的版本，可以改進(jìn)的地方很多，各位自行參考：目前這一塊板仍一直在生產(chǎn)。

　　9.確定部分參數

　　我們前幾步已經(jīng)計算了變壓器，PCBLayout完成以后，此時(shí)就可以確定變壓器的同名端,完整的定義變壓器，并發(fā)出去打樣或自己繞制。

　　EER28/28L骨架是6+6

　　原邊：1->3輔助：6->5輸出：7，8，9->10，11，12

　　對于輸出的腳位，我們可以用兩個(gè)，或者全用上，看各位自己的選擇。

　　從原理圖及PCB圖上，1，6，7，8，9為同名端，自己繞制時(shí)，起線(xiàn)需從這幾個(gè)腳位起，同方向繞制。

　　變壓器正式定義：

　　1->2：φ0.25x1x24T

　　7->10：φ0.50x2x6T

　　8->11：φ0.50x2x6T

　　9->12：φ0.50x2x6T

　　2->3：φ0.25x1x23T

　　6->5：φ0.25x1x6T

　　2,4并剪腳

　　L1-3：0.77mH0.25V@1kHz漏感低于5%磁材：PC40或等同材質(zhì)

　　高壓：

　　原邊vs副邊：3750Vac@1mA1min無(wú)擊穿無(wú)飛弧

　　副邊vs磁芯：1500Vac@1mA1min無(wú)擊穿無(wú)飛弧

　　阻抗：

　　原邊vs副邊/繞組vs磁芯：500Vdc阻抗>100M

　　備注：這里采用三文治繞法，目的是為了降低漏感。

輸出所有