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。

 

在這裏隻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。在這裏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)。無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對裏麵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集成在一個封裝裏，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

 

確定所選擇的芯片以後，開始做原理圖(sch)
，在這裏我選用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裏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dang然ran不bu同tong的de公gong司si不bu同tong的de流liu程cheng，我wo們men需xu要yao遵zun守shou相xiang應ying的de流liu程cheng，養yang成cheng一yi個ge良liang好hao的de設she計ji習xi慣guan，這zhe一yi步bu可ke能neng會hui有you初chu步bu評ping估gu，原yuan理li圖tu確que認ren，等deng等deng，簽qian核he完wan畢bi後hou就jiu可ke以yi進jin行xing計ji算suan了le。

 

 

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

 

這裏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100kHz
，主要是開關電源的頻率過高以後
，不利於係統的穩定性
，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芯片


，就會總結自己的經驗出來。

 

對dui於yu磁ci芯xin的de選xuan擇ze，是shi在zai開kai關guan頻pin率lv和he功gong率lv的de基ji礎chu，更geng多duo的de是shi經jing驗yan選xuan取qu。當dang然ran計ji算suan的de話hua，你ni需xu要yao得de到dao更geng多duo的de磁ci芯xin參can數shu
，包bao括kuo磁ci材cai，居ju裏li溫wen度du，頻pin率lv特te性xing等deng等deng，這zhe個ge是shi需xu要yao慢man慢man建jian立li的de。

 

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%

 

最大占空比：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

 

這裏的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，看下麵的圖，你就明白了，下麵是DCM時的電流波形;至於CCM加一個平台
，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

 

上麵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（這裏的數是一定要取整的，而且是進位取整，我們變壓器不可能隻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下一步我們隻要將繞組的線徑股數腳位耐壓等安規方麵的要求提出，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。

 

上麵計算出匝數以後，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。這裏
，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
，否則繞製起來
，漆包線的硬度會使操作工人很難繞。

 

很多這一步"計算"過guo了le以yi後hou，還hai會hui返fan回hui計ji算suan以yi驗yan證zheng變bian壓ya器qi的de窗chuang口kou麵mian積ji。個ge人ren認ren為wei返fan回hui驗yan證zheng是shi多duo餘yu的de，因yin為wei繞rao製zhi不bu下xia的de話hua
，打da樣yang的de變bian壓ya器qi廠chang也ye會hui反fan饋kui給gei你ni，而er你ni驗yan證zheng通tong過guo的de，在zai實shi際ji中zhong也ye不bu一yi定ding會hui通tong過guo；畢竟與實際繞製過程中的熟練度，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

 

上麵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，我們不會無限製的去選取大容量。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。因為是閉環精度控製


，故取值470uF/16Vdc

 

這裏電源就可以選兩顆470uF/16Vdc
，加一個L

，阻成CLC低通濾波器。

 

基本上到這裏，PCB上需要外形確定的器件已經完成，即PCB封裝完成
；下一步就可通過前麵的原理圖(SCH)定義好器件封裝。

 

8、PCBLayou

 

上麵已經確定變壓器，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裏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。

 

在布局與布板方麵：

 

1)RCD吸收部分與變壓器形成的環麵積盡量小；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於基準的穩定；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。

 

 

 

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製。

 

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，自己繞製時，起線需從這幾個腳位起，同方向繞製。

 

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

 

備注：這裏采用三文治繞法，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並備料。

 

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的超快恢複也可以)：

 

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
，盡快將電源裏器件整合
，故選FR107）

 

R102：是一個分壓電阻，主要用來限製Vdd的電壓；0～100R範圍內選，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，用於設定VIPer53的工作頻率，它的工作頻率可以高達300kHz，不過在AC-DC裏我不建議使用那麼高的頻率。在VIPer53datasheet裏有一個曲線，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
，能更好地抑製紋波，可計算，在這裏我不提倡來計算
，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複雜的計算。

 

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

 

10.調試過程

 

到以上部分
，基本上一個電源算是設計完成，後麵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

 

焊完板以後，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，電感量等參數以後再焊接。

 

靜態檢查：主要看有沒有虛焊
，連錫等

；靜態測試以後
，可以用萬用表測一下輸入
，輸出是否處於短路狀態
；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，調壓器處於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
，並空載。

 

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，或隻允許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
，這裏就省去一步一步加載過程，直接上手了

 

最後總結：

 

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，MOSjiqudong
，baohudianludenggezhongbuquedingyinsudewenti。dengnizhenzhengrumenle，jileiyidingdejingyan

，zaicaiyongfenlidejiegoujinxingshejijiujiandanduole，fanshixianyihounancaiyoujinbu

 

 

推薦閱讀：