開關(guān)電源的設(shè)計(jì)(如何設(shè)計(jì)開關(guān)電源？)

很多人覺得開關(guān)電源很難，其實(shí)不然。設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)電源不難，難就難在精細(xì)化。等你真正上手了，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，再用一個(gè)離散的結(jié)構(gòu)去設(shè)計(jì)，就會(huì)容易很多。萬事開頭難，我在這里提供一些有價(jià)值的建議，一步步慢慢講解如何設(shè)計(jì)開關(guān)電源。

電源設(shè)計(jì)的第一步是看規(guī)格。很多人接觸過規(guī)范，也可以提出來供大家參考。我會(huì)幫你分析它們。

這里我們只設(shè)計(jì)一個(gè)12V2A的常規(guī)隔離開關(guān)電源，具有寬輸入范圍。

1、先確定功率。

根據(jù)具體要求選擇相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；這樣的開關(guān)電源多選擇反激基本可以滿足要求。這里我會(huì)選擇更多的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，需要分析的可以拿出來討論。

2.選擇相應(yīng)的PWMIC和MOS，設(shè)計(jì)初步的電路原理圖。

當(dāng)我們決定采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要為初步電路原理圖設(shè)計(jì)(sch)選擇相應(yīng)的PWMIC和MOS。選擇采用分立還是集成，可以自己考慮。我也會(huì)分解里面的計(jì)算。

分立:PWMIC與MOS分離。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功率可以自由搭配，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)調(diào)試周期會(huì)比較長(僅從設(shè)計(jì)角度)；集成:就是把PWMIC和MOS集成在一個(gè)包里，省去了設(shè)計(jì)人員很多計(jì)算和調(diào)試的步驟，適合初學(xué)者或者快速開發(fā)環(huán)境。

3.制作示意圖。

確定選定芯片后，我開始制作原理圖(sch)。在這里，我選擇了STVIPer53DIP(集成了MOS)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)之前，最好先看一下相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，確認(rèn)一下簡單的參數(shù)。無論是PI的集成還是384x、OBLD等分立的，都需要參考數(shù)據(jù)表。一般簡單的電路原理圖都會(huì)附在數(shù)據(jù)表上，這些原理圖是我們的設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.確定相應(yīng)的參數(shù)。

當(dāng)我們完成原理圖后，我們需要在進(jìn)入下一個(gè)PCBLayout之前確定相應(yīng)的參數(shù)。當(dāng)然，不同的公司有不同的流程。我們需要遵循相應(yīng)的流程，養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。這一步可能會(huì)有初步評(píng)估，原理圖確認(rèn)等等。簽收后，即可進(jìn)行計(jì)算。

先附上相應(yīng)的原理圖。

5.確定開關(guān)頻率，選擇磁芯確定變壓器。

這里確定芯片的工作頻率為70KHz。芯片的頻率可以通過外部RC設(shè)置，工作頻率等于開關(guān)頻率。這個(gè)外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計(jì)開關(guān)電源，還可以帶外同步功能。功能類似UC384X。

變壓器的磁芯為EER28/28L。

AC2DC變換器的工作頻率一般不要超過100kHz，主要是開關(guān)電源的頻率太高，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，更不利于EMC的通過性。如果頻率過高，相應(yīng)的di/dtdv/dt會(huì)增加。除了PI132kHz的工作頻率，可以參考其他家族的芯片，總結(jié)自己的經(jīng)驗(yàn)。

磁芯的選擇基于開關(guān)頻率和功率，更多的是基于經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，你需要得到更多的磁芯參數(shù)，包括磁性材料、居里溫度、頻率特性等。這個(gè)需要慢慢建立。

變壓器鐵芯的選擇

功率大小:

小于5w的可用磁芯:

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

5-10W可用磁芯:

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

10-20W可用磁芯:

ER25、EE20、EE25、RM6、GU18、EPC17、EF20

20-50W可用磁芯:

ER28，ETD28，EI28，EE28，EE30，EF25，RM8，GU22，PQ20，EPC19，EFD20

50-100瓦可用磁芯:

ER35，ETD34，EE35，EI35，EF30，RM10，GU30，PQ26，EPC25，EFD25

100-200W可用磁芯:

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

200-500W可用磁芯:

ER49、ETD49、EC53、EE42、EE55、EI50、RM14、GU42、PQ35、PQ40、UU66

可以使用大于500W的磁芯:

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

磁芯與傳輸功率對照表

6.設(shè)計(jì)用于計(jì)算的變壓器。

輸入:85 ~ 265伏交流電

輸出:12V2A

開關(guān)頻率FSW: 70千赫

核心:EER 28/28L

磁芯參數(shù):Ae82mm2

以上參數(shù)都是已知的，需要設(shè)置一些參數(shù)才能進(jìn)行下一步的計(jì)算。

設(shè)置參數(shù):

效率η=80%

空: Dmax的最大比值=0.45

磁場強(qiáng)度變化:δ b = 0.2

有了這些參數(shù)，我們就可以計(jì)算匝數(shù)和電感。

輸出功率Po=12V*2A=24W

輸入功率Pin=Po/η=24W/0.8=30W

最小輸入電壓vin(min)= vac(min)* sqr(2)= 85 vac * 1.414 = 120 VDC

最大輸入電壓vin(max)= vac(max)* sqr(2)= 265 vac * 1.414 = 375 VDC

平均輸入電流iav = pin/vin(min)= 30w/120 VDC = 0.25 a。

峰值輸入電流Ipeak=4*Iav=1A

一次繞組電感

LP = Vin(min)* Dmax/(Ipeak * Fsw)= 120 VDC * 0.45/(1A * 70K)= 770 uh

4這里是經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)然也是我自己的獨(dú)家經(jīng)驗(yàn)。至于推導(dǎo)，就不麻煩了?？纯聪聢D，你就明白了。這是DCM中的電流波形；至于CCM加a平臺(tái)，你可以自己推導(dǎo)。很簡單。

至此，初級(jí)電感已經(jīng)計(jì)算完畢。我不建議你去計(jì)算和驗(yàn)證漏電感和氣隙。

泄漏

上面已經(jīng)算出了變壓器的電感，現(xiàn)在我們還需要得到相應(yīng)的匝數(shù)來完成整個(gè)變壓器。

1)計(jì)算準(zhǔn)時(shí)Ton循環(huán)時(shí)間

T = ton+toff = 1/fswton = t * dmaxfsw，dmax都是70khz的已知量，將0.45代入上式，可以得到Ton=6.43us。

2)計(jì)算變壓器的初級(jí)匝數(shù)。

NP = vin(min)* ton/(δb×AE)= 120 VDC * 6.43 us/(0.2 * 82 mm2)= 47T(這里的數(shù)字必須四舍五入，而且是進(jìn)位四舍五入，所以我們的變壓器不能只做半匝或者其他非整數(shù)匝)

3)計(jì)算變壓器12V主輸出的匝數(shù)輸出電壓(Vo ):

12v直流整流器電壓降(VD): 0.7

直流繞組電壓降(VS): 0.5

Vdc(K)= Vi _ min/Np = 120 Vdc/47T = 2.55輸出匝數(shù)(Ns)=(輸出電壓(Vo)+整流器壓降(Vd)+繞組壓降(Vs))/初級(jí)匝數(shù)比(k) = (12vdc+0.7vdc+0.5vdc)

4)計(jì)算變壓器輔助繞組(auxturning)輸出的匝數(shù)。計(jì)算方法與12V主繞組輸出相同。因?yàn)镾TVIPer53DIP的二次反饋需要低于14.5Vdc，所以選擇12Vdc作為輔助電壓；Na=6T至此，我們基本得到了變壓器的主要參數(shù):一次繞組:47T一次電感:0.77mH漏電感。

上面算出匝數(shù)后，就可以直接確定漆包線的粗細(xì)，不需要復(fù)雜的計(jì)算。

像傳統(tǒng)電阻器一樣，導(dǎo)線直徑也有固定值。記住幾種常用的定值線徑。這里初級(jí)電流比較小，可以直接選擇φ0.25的電流。輔助繞組φ0.25一股。主繞組φ0.4或0.5有三股，不必選擇較粗的那一股，否則漆包線的硬度會(huì)使操作人員難以繞制。

在這個(gè)步驟中的許多“計(jì)算”之后，計(jì)算將被返回以驗(yàn)證變壓器的窗口區(qū)域。我個(gè)人認(rèn)為退回驗(yàn)證是多余的，因?yàn)槿绻@不動(dòng)，打樣變壓器廠也會(huì)給你反饋，驗(yàn)證通過了，實(shí)際操作中也不一定能通過。畢竟和實(shí)際繞線過程中的熟練和稀疏有很大關(guān)系。

下一步我們需要確定輸入輸出的電容，然后就可以布局布線了。

7.輸入輸出電解電容的計(jì)算

輸入濾波器電解電容器

Cin=(1.5~3)*Pin

輸出濾波器電解電容器

Cout=(200~300)*Io

我們算了一下上面30W的輸入功率。

所以CIN = 45 ~ 90uf

理論上，這個(gè)值越大，對后期越有利?？紤]到成本，我們不會(huì)無限期選擇大容量。47uF/400Vdc85℃或105℃的選擇值根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境確定；電容不需要高頻，普通低阻抗的就行。

輸出電流為2a；

cout = 400～600 uf

這里電容需要適應(yīng)高頻低阻的特性，這個(gè)值也可以提高，但前提是在反饋回路中。因?yàn)槭情]環(huán)精度控制，所以值是470uF/16Vdc

這里可以選擇兩個(gè)470uF/16Vdc的電源，加一個(gè)L來阻隔它們進(jìn)入CLC低通濾波器。

基本上PCB上需要定型的器件已經(jīng)完成，也就是PCB封裝已經(jīng)完成；在下一步中，可以通過之前的原理圖(SCH)定義器件封裝。

8、PCB布局

上面已經(jīng)確定了變壓器，原理圖，電解電容，其他基本都是標(biāo)準(zhǔn)件。

網(wǎng)絡(luò)表由sch生成。在PCBfile中定義板邊并加載相應(yīng)的封裝庫后，可以直接導(dǎo)入到網(wǎng)絡(luò)表中進(jìn)行布局。因?yàn)檫@個(gè)板比較簡單，可以直接布局，所以導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

PCBlayout的重點(diǎn)不是如何連接，而是如何布局。一般來說，如果布局還可以的話，畫板會(huì)容易很多。

在版面和布局方面:

1)由1)RCD吸收部分和變壓器形成的環(huán)的面積盡可能?。贿@樣可以減少相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)。

2)接地線應(yīng)盡可能短而寬，以保證對應(yīng)的零級(jí)有利于基準(zhǔn)的穩(wěn)定；同時(shí)VIPER53DIP，DIP-8的芯片散熱的重要通道。

3)在di/dtdv/dt變化較大的地方，盡量減少環(huán)路和加寬走線，減少不必要的電感特性。

附對應(yīng)圖，n年前的版本，很多地方可以改進(jìn)。請自行參考:目前這塊板還在生產(chǎn)。

9.確定一些參數(shù)。

我們已經(jīng)在前面的步驟中計(jì)算了變壓器。PCBLayout完成后，我們就可以確定變壓器的同名，完整定義變壓器，自己送出去打樣或者繞線。

EER28/28L的框架是6+6。

原文:1->3輔助:6->5輸出:7，8，9-> 10，11，12

對于輸出引腳，我們可以使用兩個(gè)或全部，具體取決于您的選擇。

從原理圖和PCB圖來看，1、6、7、8、9是同名端。自動(dòng)纏繞時(shí)，纏繞應(yīng)從這些引腳開始，并以相同的方向纏繞。

變壓器的正式定義:

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然后切腳。

L1-3:泄漏電感小于5%的0.77mh0.25v @ 1kHz磁性材料:PC40或同等材料。

高壓:

初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè):3750Vac@1mA1min，無擊穿和閃絡(luò)

次級(jí)對磁芯:1500Vac@1mA1min，無擊穿和閃絡(luò)。

阻抗:

初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)/繞組與磁芯:500Vdc阻抗> 100M

備注:此處使用夾層法以減少泄漏。

為了不浪費(fèi)和降低輸出繞組的內(nèi)部阻抗，所有輸出引腳都得到充分利用。PCB和變壓器可以送出去打樣了，剩下的就是確定更多的參數(shù)和準(zhǔn)備材料了。

D10 ~ D104: IAV = 0.25A，選1N4007(1000V@1A)，當(dāng)然也要選600V。

緩沖電路(RCD吸收):R101-100k1WC101-103@1kV(高壓陶瓷電容器)

D10-FR 107 (600V超快速恢復(fù)也可接受):

這部分可以計(jì)算，也可以直接選取經(jīng)典參數(shù)。調(diào)試時(shí)，繼續(xù)檢查。

D201:MBR10100

耐受電壓:> VO+vin(最大值)* ns/NP = 12v+375vdc * 6/47 = 60v

D10: FR107(耐壓計(jì)算同上，也可以選擇FR101，電源中的器件會(huì)盡快集成，所以選擇FR107)

R102:是分壓電阻，主要用來限制Vdd的電壓；0 ~ 100 r范圍，調(diào)試時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

R103、C105:這部分是STVIPER53DIP設(shè)置的開關(guān)頻率。對于70kHz，請參考數(shù)據(jù)表中的頻率設(shè)置表，顯示為R103-10kC105-222。

R103和C105形成RC網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)置VIPer53的工作頻率。它的工作頻率可以高達(dá)300kHz，但我不建議在AC-DC使用這么高的頻率。very數(shù)據(jù)表里有曲線，但是不是很方便。我把常用的頻率設(shè)置表整理出來貼出來，供大家參考。

8英尺TOVL是一個(gè)延時(shí)保護(hù)，在這里你可以直接選擇104個(gè)具體參數(shù)，并根據(jù)應(yīng)用調(diào)整這個(gè)值。

1-foot comp是一個(gè)補(bǔ)償反饋腳，給出一組經(jīng)過驗(yàn)證的參數(shù):R104-1k。

C14-47UF/50V(電解電容)C103-104這是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。在二次反饋狀態(tài)下，二次側(cè)反饋的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是主網(wǎng)絡(luò)，只有當(dāng)反饋丟失時(shí)，這個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才成為主網(wǎng)絡(luò)。

IC 102——選擇PC817C也可以，不需要太高的CTR值。

L201-10uH3A的I型電感，和E201E202一起構(gòu)成低通濾波器，可以更好的抑制紋波。可以算出來。這里不提倡計(jì)算，可以根據(jù)調(diào)試中遇到的問題進(jìn)行調(diào)整。

IC201-TL431TO92封裝，ref-2.5V

R205-1k > Vo-Vopdiode /Imin(光耦合器LED的最小擊穿電流)

確保R205在正常狀態(tài)下能有效擊穿光耦內(nèi)部的LED。

R204R202-18k4.7k可根據(jù)公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)計(jì)算。

C202-104這個(gè)也可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，所以不需要用公式進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

CY103-這是Y電容器，可以在222@400Vac下選擇?？筛鶕?jù)安全規(guī)定的耐受電壓進(jìn)行選擇，并可在后續(xù)工作中進(jìn)行調(diào)整。

10.調(diào)試過程

對以上部分，基本上是設(shè)計(jì)一個(gè)電源，接下來是焊片的調(diào)試過程。

調(diào)試所需的簡單設(shè)備(必備):調(diào)壓器、示波器、萬用表；輔助設(shè)備:功率表、LCR橋、電子負(fù)載

焊接板后，進(jìn)行靜態(tài)檢查。如果有LCR電橋，可以在焊接前測量變壓器的同名端子、電感等參數(shù)。

靜態(tài)檢查:主要看有無虛焊、虛焊等。靜態(tài)測試結(jié)束后，可以用萬用表測量輸入輸出是否處于短路狀態(tài)；其余的可以通電測試。

開關(guān)的交流輸入接穩(wěn)壓器，或者交流輸入接功率表再接穩(wěn)壓器，為0Vac；示波器也可以接在ds兩端或STVIPER53DIP的初級(jí)繞組上，交流耦合；萬用表測量輸出電壓并加載空。

打開穩(wěn)壓器電源，開始升壓，不用急，同時(shí)看示波器。

從0Vac開始，你會(huì)看到示波器上的波形會(huì)浮動(dòng)(換成DC耦合會(huì)明顯看到電壓在上升)。當(dāng)調(diào)壓器的電壓達(dá)到40 ~ 60Vac時(shí)，如果示波器的波形沒有變化，回到0Vac，重新檢查電源板。

在一般空負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)電壓在40-60 VAC之間時(shí)，開關(guān)電源會(huì)開始工作，STVIPER53DIP也會(huì)進(jìn)入工作模式，示波器上的Vds波形開始正常。

看輸出電壓是否達(dá)到預(yù)設(shè)值？如果不是，返回0Vac以檢查采樣、反饋和輸出電路。如果一切正常，考慮將輸入電壓增加到220Vac。如果按照以上步驟進(jìn)行調(diào)試，就不會(huì)出現(xiàn)爆膜、爆機(jī)的情況。

注意:示波器需要隔離，或者只允許LN輸入。如果沒有隔離，PE線就不能接，否則容易造成短路。

激動(dòng)人心的時(shí)刻到了，人生第一個(gè)電源就要誕生了！

建議一點(diǎn)一點(diǎn)的加膠帶，還要監(jiān)控示波器。這里省略了分步加載的過程，可以直接上手。

最后:

其實(shí)開關(guān)電源的介紹很簡單，最好的介紹就是選擇單片。畢竟消除了啟動(dòng)電阻、電流檢測電阻、MOS、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路等各種不確定因素的問題。等你真正上手了，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，再用單獨(dú)的結(jié)構(gòu)去設(shè)計(jì)，就會(huì)容易很多。萬事開頭難，這樣你才能進(jìn)步。