【開關電源(yuan)設計】開關電源(yuan)如何設計 開關電源(yuan)設計入(ru)門

開關電源設計入門

今天小編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(yi)滿足要求。在這里我會更多的(de)選擇是經驗公式來(lai)(lai)計算，有需要分(fen)析的(de)，可以(yi)拿(na)出來(lai)(lai)再討論(lun)。

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(jin)行設計以后(hou)，我們需要選擇(ze)相應的PWMIC和MOS來進行(xing)初步的電路原理圖設計（sch）。無論是選擇采用(yong)分立式(shi)的還是集成的都可以自己考慮。對里(li)面的計(ji)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(you)搭(da)配(pei)，缺(que)點是設(she)計(ji)和(he)調(diao)試的周(zhou)期會變長(chang)（僅從(cong)設(she)計(ji)角度來說）；集(ji)成式(shi)：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(diao)試(shi)分(fen)步，適合于剛(gang)入門(men)或快速(su)開發(fa)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(zai)這里我選用STVIPer53DIP（集成了(le)MOS）進行設計。

設計前最好都先看一下相應的datasheet，確認一(yi)下簡單的參數。無論是選用PI的集成(cheng)，或384x或OBLD等分立(li)的都需要參考(kao)一下datasheet。一般datasheet里都(dou)會附(fu)有(you)簡(jian)單的電路(lu)原(yuan)理圖，這(zhe)些原(yuan)理圖是我們的設計依(yi)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入下一步PCBLayout。當然(ran)不(bu)同的公司(si)不(bu)同的流程，我們(men)需要(yao)遵守相應的流程，養成(cheng)一個良好的設計(ji)習(xi)慣，這(zhe)一步可能會有初步評估，原理圖確認(ren)，等(deng)(deng)等(deng)(deng)，簽核(he)完畢(bi)后就可以進行計(ji)算了。

先(xian)附(fu)上(shang)相應的原(yuan)理圖(tu)。

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(bu)的RC來設定，工作頻率就等于(yu)開關頻率，這個(ge)外(wai)設的功能有利于(yu)我們(men)更好(hao)的設計(ji)開關電源，也可以(yi)采取外(wai)同(tong)步功能。與UC384X功能相近(jin)。

變壓器磁芯為EER28/28L。

一般AC2DC的變換器(qi)，工作頻(pin)率不宜設超(chao)過100kHz，主要是(shi)開關(guan)電(dian)源的頻(pin)率(lv)過(guo)高以后，不(bu)利于(yu)系統的穩定性(xing)，更(geng)不(bu)利于(yu)EMC的通過性(xing)。頻率太(tai)高(gao)，相應的di/dtdv/dt都會(hui)增加，除(chu)PI132kHz的工作頻率之外，大家(jia)可以多參考其它家(jia)的芯(xin)片(pian)，就會(hui)總(zong)結自己的經驗出來。

對于磁芯的(de)(de)選擇，是在開關頻(pin)率和功率的(de)(de)基礎，更多的(de)(de)是經驗選取。當然計算的(de)(de)話，你需(xu)要(yao)(yao)得(de)到更多的(de)(de)磁芯參數，包括磁材，居里溫度，頻(pin)率特(te)性等等，這(zhe)個是需(xu)要(yao)(yao)慢慢建立的(de)(de)。

20W~40W范圍內EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30等均都可以。

關于(yu)變(bian)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(ci)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(shi)用的(de)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(shi)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(xin)與(yu)傳輸(shu)功(gong)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(shi)已知參數，我們還(huan)需要設定一(yi)些參數，就可以進(jin)入下(xia)一(yi)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(can)數(shu)以后，我們(men)就可(ke)以計算得到匝(za)數(shu)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(shi)一個經(jing)(jing)驗(yan)值，當然也(ye)是(shi)我自(zi)己獨家(jia)的經(jing)(jing)驗(yan)。至(zhi)于(yu)推導(dao)，不(bu)用那么麻煩(fan)，看下面(mian)(mian)的圖，你(ni)就明白了(le)，下面(mian)(mian)是(shi)DCM時的電流波形；至于CCM加(jia)一個平臺，自(zi)己(ji)可以推導，很(hen)簡單。

到此最重要的一(yi)步原邊電感量已經求出，對于漏感及氣隙，我不建議各(ge)位再去計算和驗(yan)證。

漏感Lleakage<5%*Lp

上面計算了變壓器的(de)電感(gan)量，現在(zai)我們還需要(yao)得(de)到相應(ying)的(de)匝數才可以完(wan)成整(zheng)個變壓器的(de)工作。

1）計算導(dao)通時間(jian)Ton周(zhou)期時間T=Ton+Toff=1/FswTon=T*DmaxFsw，Dmax都(dou)是已(yi)知量70kHz，0.45代入(ru)上式可得(de)Ton=6.43us

2）計算變壓(ya)器(qi)初級匝數Np=Vin（min）*Ton/（ΔB×Ae）=120Vdc*6.43us/（0.2*82mm2）=47T（這(zhe)里的數是(shi)一定要取(qu)整的，而且是(shi)進(jin)位取(qu)整，我們變壓器不(bu)可能只繞(rao)半圈或其(qi)它非整數圈）

3）計算變(bian)壓(ya)器12V主(zhu)輸出的匝數輸出電(dian)壓（Vo）：

12Vdc整流管壓降（Vd）：0.7

Vdc繞組壓(ya)降(jiang)（Vs）：0.5

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

4）計算變壓(ya)器輔助繞組（auxturning）輸出的匝數計算方法與12V主(zhu)繞(rao)組輸出一樣因為STVIPer53DIP副邊反饋需低于(yu)14.5Vdc，故選取12Vdc作為輔助電壓(ya)；Na=6T到這一步，我們基本(ben)上就得出了變壓器的主要參數(shu)原(yuan)邊繞組(zu)：47T原邊電感量：0.77mH漏(lou)感<5%*0.77mH=39uH12V輸(shu)出：6T輔(fu)助繞組(zu)：6T下(xia)一(yi)步(bu)我們只(zhi)要將繞(rao)組(zu)的(de)線徑股數(shu)腳位耐壓等安規方面(mian)的(de)要求提出，就可以發給變壓器廠去打樣(yang)了至(zhi)于氣隙的(de)計算，以及返回驗證Dmax這些都是(shi)一些教(jiao)科(ke)書上的(de)，不(bu)建(jian)議大家(jia)死搬硬套，自己靈活一些。

上面計算(suan)出匝(za)數以后，可(ke)以直接確定漆包(bao)線的粗細，不需要去進(jin)行復雜(za)的計算(suan)。

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(zhu)繞(rao)組φ0.25一股。主輸出繞組φ0.4或0.5三(san)股，不用(yong)選擇更粗(cu)的，否則(ze)繞制起(qi)來(lai)，漆包線(xian)的硬度會使操作工人很難繞。

很(hen)(hen)多(duo)這一步“計算”過(guo)了以后，還會(hui)返(fan)回計算以驗證變(bian)(bian)壓器(qi)(qi)的(de)(de)窗口(kou)面積。個人認為返(fan)回驗證是多(duo)余的(de)(de)，因為繞(rao)制(zhi)不下的(de)(de)話，打樣的(de)(de)變(bian)(bian)壓器(qi)(qi)廠也會(hui)反(fan)饋給(gei)你(ni)，而你(ni)驗證通(tong)過(guo)的(de)(de)，在實(shi)際中(zhong)也不一定會(hui)通(tong)過(guo)；畢竟與實(shi)際繞(rao)制(zhi)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)熟練度，及稀疏還是有(you)很(hen)(hen)大關系的(de)(de)。

再下(xia)一(yi)步，需要確(que)定(ding)輸入輸出的電容的大小(xiao)，就(jiu)可以進行布(bu)局和布(bu)板了。

7、輸入輸出電解電容計算

輸入濾波電(dian)解(jie)電(dian)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(gen)據相(xiang)應的應用環境來決(jue)定；電(dian)容(rong)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(zu)成(cheng)CLC低通濾波器。

基本上到這里，PCB上需要外形確定的器件(jian)已經完成，即PCB封裝完成；下一步就(jiu)可通過前面的(de)原理圖（SCH）定義好器件封裝(zhuang)。

8、PCBLayout

上面已經確定變壓器，原理圖(tu)，以及電(dian)解電(dian)容，其它的(de)基(ji)本上都是標準件了。

由sch生成網絡(luo)表，在(zai)PCBfile里(li)定(ding)義好板(ban)邊然后加載相(xiang)應(ying)的(de)封裝庫以(yi)后，可(ke)以(yi)直接(jie)導(dao)入網絡(luo)表(biao)，進行布局；因為這個(ge)板(ban)相(xiang)對比較簡(jian)單(dan)，也可(ke)以(yi)直接(jie)布板(ban)，導(dao)入網絡(luo)表(biao)是一個(ge)非常(chang)好的(de)設(she)計習(xi)慣(guan)。

PCBlayout重點不是(shi)(shi)怎么連(lian)線，最重要的是(shi)(shi)如何布(bu)局(ju)；一般來說(shuo)布(bu)局(ju)OK的(de)話，畫(hua)板就輕松多了。

在布局與(yu)布板方(fang)面：

1）RCD吸收部分與變壓器形成的環面積盡(jin)量小(xiao)；這樣可以減小(xiao)相應的輻射和傳(chuan)導。

2）地線盡量的短和寬大，保證相應的零(ling)電平有利于基(ji)準的穩定；同時VIPER53DIP這顆DIP-8的芯(xin)片散熱(re)的重要通道。

3）在(zai)di/dtdv/dt變化比(bi)較(jiao)大的地方，盡量減小環路和加寬走線(xian)，降低不必要(yao)的電感特性

附上相應的圖，N久之前的(de)版本，可以改進的(de)地方很多，各位自行(xing)參考：目前這(zhe)一(yi)塊板仍一(yi)直在(zai)生產。

9、確定部分參數

我們前幾步已經計算了變壓器，PCBLayout完(wan)成以后，此時就可以確定變壓器(qi)的(de)同名端，完(wan)整(zheng)的(de)定義變壓器(qi)，并發出去打樣(yang)或(huo)自己繞(rao)制。

EER28/28L骨(gu)架是6+6

原邊：1->3輔助(zhu)：6->5輸出(chu)：7，8，9->10，11，12

對于輸出(chu)的腳(jiao)位，我們可(ke)以用兩個(ge)，或者全用上，看(kan)各位自(zi)己的選(xuan)擇。

從原理圖及PCB圖上，1，6，7，8，9為同名端，自己(ji)繞制時，起線需從這幾個腳位(wei)起，同方向繞制。

變壓器正(zheng)式(shi)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(deng)同材(cai)質

高壓：

原邊vs副(fu)邊：3750Vac@1mA1min無擊穿無飛弧

副邊vs磁(ci)芯：1500Vac@1mA1min無擊穿無飛(fei)弧

阻抗：

原邊vs副邊/繞組vs磁芯：500Vdc阻抗(kang)>100M

備注：這里(li)采用三文治繞(rao)法，目的是為了降低(di)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(he)變壓器發出去打樣了，剩下就是確定更多的參(can)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(xuan)600V的(de)超(chao)快恢復也可以）：

這部分(fen)可以(yi)計(ji)算，也可以(yi)直(zhi)接(jie)選用(yong)經典的參數，在調試時，再(zai)進行繼續(xu)來檢驗

D201：MBR10100

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

D106：FR107（耐壓計(ji)算同(tong)上，選FR101亦(yi)可(ke)，盡快將電(dian)源(yuan)里器件整合(he)，故選FR107）

R102：是(shi)一個分壓電阻，主(zhu)要(yao)用(yong)來限制Vdd的電壓(ya)；0～100R范圍內選，調(diao)試(shi)時，根據具體情況調(diao)整

R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設(she)定開(kai)關頻(pin)率的(de)，70kHz可(ke)查datasheet中的頻率設定(ding)表(biao)，可知R103-10kC105-222

R103與C105組成(cheng)一(yi)個RC網絡，用于(yu)設定VIPer53的(de)工作頻(pin)率(lv)，它的(de)工作頻(pin)率(lv)可以(yi)高達300kHz，不過在AC-DC里(li)我不(bu)建議(yi)使用那么(me)高(gao)的頻率(lv)。在VIPer53 datasheet里有一(yi)個曲線，不過不是很方便(bian)，我將(jiang)常(chang)用的(de)頻率設(she)定表，整理一(yi)下，貼出來大家參考。

8腳TOVL是一(yi)個(ge)延時保護的，此處可以直接選(xuan)104具體參數，根據(ju)應用時，來調整這(zhe)個值(zhi)。

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(yi)個一(yi)階(jie)慣性環節，在(zai)副(fu)邊(bian)反(fan)饋狀態(tai)下(xia)，以副(fu)邊(bian)反(fan)饋的(de)補償網(wang)絡為主，在(zai)失反(fan)饋此補償網(wang)絡才變(bian)為主網(wang)絡。

IC102-選用PC817C就OK了(le)，不需(xu)要要求太高的CTR值。

L201-10uH3A的(de)工字電(dian)感，與E201E202形(xing)成一(yi)個(ge)低通濾波器，能(neng)更好地抑制紋波，可(ke)計算，在這(zhe)里我(wo)不提倡來計算，可(ke)以(yi)根據調(diao)試中所碰到的(de)問題再來調(diao)整(zheng)。

IC201-TL431TO92封裝，ref-2.5V

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

保證R205的(de)選擇能(neng)夠在正常狀態下，有效擊穿(chuan)光耦(ou)內部的(de)發光二極管(guan)。

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

C202-104這個也可以(yi)到時根據實際情(qing)況(kuang)來調(diao)整，不需要(yao)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(gen)據安規的(de)耐(nai)壓來選取(qu)，都(dou)可以(yi)在后續的(de)工作(zuo)中進行調整。

10、調試過程

到(dao)以上部分，基本(ben)上一個電源(yuan)算是(shi)設計完成，后面的就是(shi)焊(han)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(zi)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(ce)一下變壓器(qi)同名端，電感量(liang)等參數以后再焊接。

靜態檢(jian)查：主(zhu)要(yao)看有(you)沒有(you)虛焊，連錫等；靜態測試(shi)以后，可以用萬用表測一下輸入，輸出是否(fou)處于短路狀態；剩(sheng)下就可以進行加電測試(shi)了。

開關電源的AC輸(shu)入接(jie)入調壓器，或者(zhe)AC輸入接入功率計(ji)再接至調(diao)壓器(qi)，調(diao)壓器(qi)處(chu)于(yu)0Vac；示波器接在(zai)STVIPER53DIP的DS兩端或初(chu)級繞組兩端亦(yi)可，交(jiao)流耦合；萬(wan)用(yong)表電壓(ya)檔測(ce)輸出，并空載。

接(jie)通調壓(ya)(ya)器電源，開始升壓(ya)(ya)，不(bu)需要快(kuai)速，同(tong)時觀看(kan)示波器。

從0Vac開始升，會(hui)看(kan)到示(shi)波(bo)器(qi)上(shang)波(bo)形會(hui)有浮動(dong)（改(gai)成直流(liu)耦合會(hui)很清楚(chu)看(kan)到電壓在上(shang)升）。當調(diao)壓器(qi)的電壓至40～60Vac區(qu)間時(shi)，如(ru)果示波(bo)器波(bo)形還沒有變(bian)化的話，退回0Vac，重(zhong)新檢(jian)查電源板。

一般空載狀態，在40～60Vac區間時，開(kai)關電源會開(kai)始工作，STVIPER53DIP也會進入工作模式(shi)，示波器上(shang)Vds波形會開始正(zheng)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(guo)都OK的狀態下，再考慮將輸入電壓升至220Vac。遵(zun)循以上步(bu)驟調試(shi)的話(hua)，不會(hui)出現(xian)(xian)爆片(pian)或炸機現(xian)(xian)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(de)線(xian)不能接(jie)入，否則極易造成短路。

激動人心的一刻到了(le)，人生的第一塊(kuai)電源(yuan)就要誕生了(le)！

帶載(zai)還是建議一(yi)點一(yi)點地加，也監控(kong)著示波器，這里就省去一(yi)步(bu)(bu)一(yi)步(bu)(bu)加載(zai)過(guo)程，直(zhi)接(jie)上手了

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(ge)種不確定因素的問題。等你真正入門了(le)，積累一定的經驗，再采用(yong)分立的結構進(jin)行設(she)計就簡單多了(le)，凡事(shi)先易后難(nan)才有進(jin)步。