設計一款開關電源并不難，難就難在這里...大連捷曼科技來教您

2020-10-29

　　針對開關電源很多人覺得很難，其實不然。設計一款開關電源并不難，難就難在做精，等你真正入門了，積累一定的經驗，再采用分立的結構進行設計就簡單多了。萬事開頭難，筆者在這就拋磚引玉，慢慢講解如何一步一步設計開關電源。

　　開關電源設計的第一步就是看規格，具體的很多人都有接觸過，也可以提出來供大家參考，我幫忙分析。

　　在這里只帶大家設計一款寬范圍輸入的，12V2A的常規隔離開關電源。

　　1、首先確定功率

　　根據具體要求來選擇相應的拓撲結構；這樣的一個開關電源多選擇反激式(flyback)基本上可以滿足要求。在這里我會更多的選擇是經驗公式來計算，有需要分析的，可以拿出來再討論。

　　2、初步的電路原理圖設計

　　當我們確定用flyback拓撲進行設計以后，我們需要選擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路原理圖設計(sch)。無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進行分解。

　　分立式：PWMIC與MOS是分開的，這種優點是功率可以自由搭配，缺點是設計和調試的周期會變長（僅從設計角度來說）；集成式：就是將PWMIC與MOS集成在一個封裝里，省去設計者很多的計算和調試分步，適合于剛入門或快速開發的環境。

　　3、做原理圖

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

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

　　4、確定相應的參數



　　5、確定開關頻率，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外部的RC來設定，工作頻率就等于開關頻率，這個外設的功能有利于我們更好的設計開關電源，也可以采取外同步功能。與UC384X功能相近。

　　變壓器磁芯為EER28/28L。


　　6、關于變壓器磁芯的選擇

功率大小：

　　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


　　7、設計變壓器進行計算

　　輸入input：85~265Vac

　　輸出output：12V2A

　　開關頻率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是一個經驗值，當然也是我自己獨家的經驗。至于推導，不用那么麻煩，看下面的圖，你就明白了，下面是DCM時的電流波形;至于CCM加一個平臺，自己可以推導，很簡單。


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

　　漏感Lleakage<>

　　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變壓器的工作。

　　1）計算導通時間Ton周期時間

　　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<>

　　上面計算出匝數以后，可以直接確定漆包線的粗細，不需要去進行復雜的計算。

　　線徑與常規電阻一樣，都是有定值的，記住幾種常用的定值線徑。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，漆包線的硬度會使操作工人很難繞。

　　很多這一步計算過了以后，還會返回計算以驗證變壓器的窗口面積。個人認為返回驗證是多余的，因為繞制不下的話，打樣的變壓器廠也會反饋給你，而你驗證通過的，在實際中也不一定會通過；畢竟與實際繞制過程中的熟練度，及稀疏還是有很大關系的。

　　再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進行布局和布板了。

　　8、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

　　從理論上來說，這個值選的越大，對后級就越好；從成本上考慮，我們不會無限制的去選取大容量。此處選值47uF/400Vdc85℃或105℃根據相應的應用環境來決定；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，這個值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環內。因為是閉環精度控制，故取值470uF/16Vdc

　　這里電源就可以選兩顆470uF/16Vdc，加一個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完成，即PCB封裝完成；下一步就可通過前面的原理圖(SCH)定義好器件封裝。

　　9、PCBLayout

　　上面已經確定變壓器，原理圖，以及電解電容，其它的基本上都是標準件了。

　　由sch生成網絡表，在PCBfile里定義好板邊然后加載相應的封裝庫以后，可以直接導入網絡表，進行布局；因為這個板相對比較簡單，也可以直接布板，導入網絡表是一個非常好的設計習慣。

　　PCBlayout重點不是怎么連線，最重要的是如何布局；一般來說布局OK的話，畫板就輕松多了。

　　在布局與布板方面：

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

　　2)地線盡量的短和寬大，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，盡量減小環路和加寬走線，降低不必要的電感特性。

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

　　

　　10、確定部分參數

　　我們前幾步已經計算了變壓器，PCBLayout完成以后，此時就可以確定變壓器的同名端,完整的定義變壓器，并發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，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，起線需從這幾個腳位起，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

　　高壓：

　　原邊vs副邊：3750Vac@1mA1min無擊穿無飛弧

　　副邊vs磁芯：1500Vac@1mA1min無擊穿無飛弧

　　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。

　　輸出所有腳位全用上，目的是不浪費，同時降低輸出繞組的內部阻抗。可以將PCB和變壓器發出去打樣了，剩下就是確定更多的參數并備料。

　　D101～D104：Iav=0.25A選1N4007（1000V@1A）當然選600V的也沒有問題

snubbercircuit(RCD吸收)：R101-100k1WC101-103@1kV（高壓瓷片電容）

D105-FR107(選600V的超快恢復也可以)：

　　這部分可以計算，也可以直接選用經典的參數，在調試時，再進行繼續來檢驗。

D201：MBR10100

　　耐壓：>Vo+Vin(max)*Ns/Np=12V+375Vdc*6/47=60V

D106：FR107（耐壓計算同上，選FR101亦可，盡快將電源里器件整合，故選FR107）

R102：是一個分壓電阻，主要用來限制Vdd的電壓；0～100R范圍內選，調試時，根據具體情況調整

R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設定開關頻率的，70kHz可查datasheet中的頻率設定表，可知R103-10kC105-222

　　R103與C105組成一個RC網絡，用于設定VIPer53的工作頻率，它的工作頻率可以高達300kHz，不過在AC-DC里我不建議使用那么高的頻率。在VIPer53datasheet里有一個曲線，不過不是很方便，我將常用的頻率設定表，整理一下，貼出來大家參考。


　　8腳TOVL是一個延時保護的，此處可以直接選104具體參數，根據應用時，來調整這個值。

　　1腳comp是一個補償反饋腳，給出一組驗證過的參數：R104-1k

　　C104-47uF/50V(電解電容)C103-104這是一個一階慣性環節，在副邊反饋狀態下，以副邊反饋的補償網絡為主，在失反饋此補償網絡才變為主網絡。

　　IC102-選用PC817C就OK了，不需要要求太高的CTR值。

　　L201-10uH3A的工字電感，與E201E202形成一個低通濾波器，能更好地抑制紋波，可計算，在這里我不提倡來計算，可以根據調試中所碰到的問題再來調整。

　　IC201-TL431TO92封裝，ref-2.5V

　　R205-1k這個值的計算>Vo-Vopdiode(光耦內發光二極管的壓降)/Imin(光耦發光二極管最小擊穿電流)

　　保證R205的選擇能夠在正常狀態下，有效擊穿光耦內部的發光二極管。

　　R204R202-18k4.7k根據公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)可計算。

　　C202-104這個也可以到時根據實際情況來調整，不需要去用公式進行復雜的計算。

　　CY103-這個是Y電容可以選222@400Vac，具體根據安規的耐壓來選取,都可以在后續的工作中進行調整。

11、調試過程

　　到以上部分，基本上一個電源算是設計完成，后面的就是焊板調試過程。

調試所需要的簡單設備（必需的）：調壓器，示波器，萬用表；輔助設備：功率計，LCR電橋，電子負載

　　焊完板以后，進行靜態檢查，如果有LCR電橋的話，可以先測一下變壓器同名端，電感量等參數以后再焊接。

靜態檢查：主要看有沒有虛焊，連錫等；靜態測試以后，可以用萬用表測一下輸入，輸出是否處于短路狀態；剩下就可以進行加電測試了。



　　開關電源的AC輸入接入調壓器，或者AC輸入接入功率計再接至調壓器，調壓器處于0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS兩端或初級繞組兩端亦可，交流耦合；萬用表電壓檔測輸出，并空載。

　　接通調壓器電源，開始升壓，不需要快速，同時觀看示波器。

　　從0Vac開始升，會看到示波器上波形會有浮動（改成直流耦合會很清楚看到電壓在上升）。當調壓器的電壓至40～60Vac區間時，如果示波器波形還沒有變化的話，退回0Vac，重新檢查電源板。

　　一般空載狀態，在40～60Vac區間時，開關電源會開始工作，STVIPER53DIP也會進入工作模式，示波器上Vds波形會開始正常。

　　看輸出電壓是否達到預設值？未達到，退回0Vac檢查采樣，反饋及輸出回路。如果都OK的狀態下，再考慮將輸入電壓升至220Vac。遵循以上步驟調試的話，不會出現爆片或炸機現象。

備注：示波器需要隔離，或只允許LN輸入，未隔離條件下PE的線不能接入，否則極易造成短路。

　　激動人心的一刻到了，人生的第一塊電源就要誕生了！



　　帶載還是建議一點一點地加，也監控著示波器，這里就省去一步一步加載過程，直接上手了。

　　12、最后總結

　　其實開關電源入門很簡單，最好的入門是選用單片的，畢竟省去了啟動電阻，電流檢測電阻，MOS及驅動，保護電路等各種不確定因素的問題。等你真正入門了，積累一定的經驗，再采用分立的結構進行設計就簡單多了，凡事先易后難才有進步。

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