由簡到難!大師教你一步一步設計開關電源

針對開關電源很多人覺得很難，其實不然。設計一款開關電源並不難，難就難在做精，等你真正入門了，積累一定的經驗，再採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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/327302.htm

　　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。

　　我只帶大家設計一款寬範圍輸入的，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。在這裡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.選擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路原理圖設計

　　當我們確定用flyback拓撲進行設計以後，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)。無論是選擇採用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對裡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集成在一個封裝裡，省去設計者很多的計算和調試分步，適合於剛入門或快速開發的環境。

　　3.做原理圖

　　確定所選擇的晶片以後，開始做原理圖(sch)，在這裡我選用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裡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

　　當我們將原理圖完成以後，需要確定相應的參數才能進入下一步PCBLayout。當然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應的流程，養成一個良好的設計習慣，這一步可能會有初步評估，原理圖確認，等等，籤核完畢後就可以進行計算了。

　　先附上相應的原理圖。

　5.確定開關頻率，選擇磁芯確定變壓器

　　這裡確定晶片工作頻率為70KHz，晶片的頻率可以通過外部的RC來設定，工作頻率就等於開關頻率，這個外設的功能有利於我們更好的設計開關電源，也可以採取外同步功能。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100kHz，主要是開關電源的頻率過高以後，不利於系統的穩定性，更不利於EMC的通過性。頻率太高，相應的di/dtdv/dt都會增加，除PI132kHz的工作頻率之外，大家可以多參考其它家的晶片，就會總結自己的經驗出來。

　　對於磁芯的選擇，是在開關頻率和功率的基礎，更多的是經驗選取。當然計算的話，你需要得到更多的磁芯參數，包括磁材，居裡溫度，頻率特性等等，這個是需要慢慢建立的。

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

　　關於變壓器磁芯的選擇

　　功率大小：

　　小於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

　　大於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%

　　最大佔空比：Dmax=0.45

　　磁感應強度變化：ΔB=0.2

　　有了這些參數以後，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

　　這裡的4是一個經驗值，當然也是我自己獨家的經驗。至於推導，不用那麼麻煩，看下面的圖，你就明白了，下面是DCM時的電流波形;至於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，對於漏感及氣隙，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（這裡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副邊反饋需低於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徑股數腳位耐壓等安規方面的要求提出，就可以發給變壓器廠去打樣了至於氣隙的計算，以及返回驗證Dmax這些都是一些教科書上的，不建議大家死搬硬套，自己靈活一些。

　　上面計算出匝數以後，可以直接確定漆包線的粗細，不需要去進行複雜的計算。

　　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。這裡，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"過了以後，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餘的，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係的。

　　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。

　　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

　　從理論上來說，這個值選的越大，對後級就越好；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

　　這裡電源就可以選兩顆470uF/16Vdc，加一個L，阻成CLC低通濾波器。

　　基本上到這裡，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。　　8.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裡定義好板邊然後加載相應的封裝庫以後，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重點不是怎麼連線，最重要的是如何布局；一般來說布局OK的話，畫板就輕鬆多了。

　　在布局與布板方面：

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

　　2)地線儘量的短和寬大，保證相應的零電平有利於基準的穩定；同時VIPER53DIP這顆DIP-8的晶片散熱的重要通道。

　　3)在di/dtdv/dt變化比較大的地方，儘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。

　　9.確定部分參數

　　我們前幾步已經計算了變壓器，PCBLayout完成以後，此時就可以確定變壓器的同名端,完整的定義變壓器，並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

　　對於輸出的腳位，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並剪腳

　　L1-3：0.77mH0.25V@1kHz漏感低於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

　　備註：這裡採用三文治繞法，目的是為了降低漏感。

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