开关电源的设计步骤VIP

开篇 针对开关电源很多人觉得难 主要是理论与实践相结合 万事开头难 我在这里只能算抛 砖引玉 慢慢讲解如何设计 有任何技术问题可以随时打断 我将尽力来进行解答 设计 一款开关电源并不难 难就难在做精 我也不是一个很精熟的工程师 只能算一个领路人 希望大家喜欢大家一起努力 第一步 开关电源设计的第一步就是看规格 具体的很多人都有接触过 也可以提出来供大家参考 我帮忙分析 我只带大家设计一款宽范围输入的 12V2A 的常规隔离开关电源 1 首先确定功率 根据具体要求来选择相应的拓扑结构 这样的一个开关电源多选择反激 式 flyback 基本上可以满足要求 备注一个 在这里我会更多的选择是经验公式来计算 有需要分析的 可以拿出来再讨论 第二步 2 当我们确定用 flyback 拓扑进行设计以后 我们需要选择相应的 PWM IC 和 MOS 来进 行初步的电路原理图设计 sch 无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑 对里面的计算我还会进行分解 分立式 PWM IC 与 MOS 是分开的 这种优点是功率可以自由搭配 缺点是设计和调试 的周期会变长 仅从设计角度来说 集成式 就是将 PWM IC 与 MOS 集成在一个封装里 省去设计者很多的计算和调试分步 适合于刚入门或快速开发的环境 集成式 多是指 PWM controller 和 power switch 集成在一起的芯片 不限定于是 PSR 还是 SSR 第三步 3 确定所选择的芯片以后 开始做原理图 sch 在这里我选用 ST VIPer53DIP 集成了 MOS 进行设计 原因为何 因为我们是销售这一颗芯片的 设计之前最好都先看一下相应的 datasheet 自己确认一下简单的参数 无论是选用 PI 的集成 或 384x 或 OB LD 等分立的都需要参考一下 datasheet 一般 datasheet 里都会附有简单的电路原理图 这些原理图是我们的设计依据 第四步 4 当我们将原理图完成以后 需要确定相应的参数才能进入下一步 PCB Layout 当然不同的公司不同的流程 我们需要遵守相应的流程 养成一个良好的设计习惯 这一 步可能会有初步评估 原理图确认 等等 签核完毕后就可以进行计算 一般有芯片厂家提供相关资料 第五步 5 确定开关频率 选择磁芯确定变压器 芯片的频率可以通过外部的 RC 来设定 工作频率就等于开关频率 这个外设的功能有利 于我们更好的设计开关电源 也可以采取外同步功能 一般 AC2DC 的变换器 工作频率不宜设超过 100kHz 主要是开关电源的频率过高以后 不利于系统的稳定性 更不利于 EMC 的通过性 频率太高 相应的 di dt dv dt 都会增加 除 PI 132kHz 的工作频率之外 大家可以多参 考其它家的芯片 就会总结自己的经验出来 对于磁芯的选择 是在开关频率和功率的基础 更多的是经验选取 当然计算的话 你需 要得到更多的磁芯参数 包括磁材 居里温度 频率特性等等 这个是需要慢慢建立的 20W 40W 范围内 EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以 第六步 6 设计变压器进行计算 输入 input 85 265Vac 输出 output 12V 2A 开关频率 Fsw 70kHz 磁芯 core EER28 28L 磁芯参数 Ae 82mm2 以上均是已知参数 我们还需要设定一些参数 就可以进入下一步计算 设定参数 效率 80 最大占空比 Dmax 0 45 磁感应强度变化 B 0 2 有了这些参数以后 我们就可以计算得到匝数和电感量 计算开始 输出功率 Po 12V 2A 24W 输入功率 Pin Po 24W 0 8 30W 输入最低电压 Vin min Vac min sqr 2 85Vac 1 414 120Vdc 输入最高电压 Vin max Vac max sqr 2 265Vac 1 414 375Vdc 输入平均电流 Iav Pin Vin min 30W 120Vdc 0 25A 输入峰值电流 Ipeak 4 Iav 1A 原边电感量 Lp Vin min Dmax Ipeak Fsw 120Vdc 0 45 1A 70K 770 uH 到此最重要的一步原边电感量已经求出 对于漏感及气隙 我不建议各位再去计算和验证 漏感 Lleakage 5 Lp 上面计算了变压器的电感量 现在我们还需要得到相应的匝数才可以完成整个变压器的工 作 1 计算导通时间 Ton 周期时间 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 计算变压器初级匝数 Np Vin min Ton B Ae 120Vdc 6 43us 0 2 82mm2 47 T 这里的数是一定要取整的 而且是进位取整 我们变压器不可能只绕半 圈或其它非整数圈 3 计算变压器 12V 主输出的匝数输出电压 Vo 12 Vdc 整流管压降 Vd 0 7 Vdc 绕组压降 Vs 0 5 Vdc 原边匝伏比 K Vi min Np 120 Vdc 47 T 2 55 输出匝数 Ns 输出电 压 Vo 整流管压降 Vd 绕组压降 Vs 原边匝伏比 K 12 Vdc 0 7Vdc 0 5Vdc 2 55 6 T 已取整 4 计算变压器辅助绕组 aux turning 输出的匝数计算方法与 12V 主绕组输出一样因为 ST VIPer53DIP 副边反馈需低于 14 5 Vdc 故选取 12 Vdc 作为辅助电压 Na 6 T 到这一 步 我们基本上就得出了变压器的主要参数原边绕组 47T 原边电感量 0 77mH 漏感 3 辅助 6 5 输出 7 8 9 10 11 12 对于输出的脚位 我们可以用两个 或者全用上 看各位自己的选择 从原理图及 PCB 图上 1 6 7 8 9 为同名端 自己绕制时 起线需从这几个脚位起 同方向绕制 变压器正式定义 1 2 0 25 x 1 x 24T 7 10 0 50 x 2 x 6T 8 11 0 50 x 2 x 6T 9 12 0 50 x 2 x 6T 2 3 0 25 x 1 x 23T 6 5 0 25 x 1 x 6T 2 4 并剪脚 Comment l2 看不懂 L1 3 0 77mH 0 25V 1kHz 漏感低于 5 磁材 PC40 或等同材质 高压 原边 vs 副边 3750Vac 1mA 1min 无击穿无飞弧 副边 vs 磁芯 1500Vac 1mA 1min 无击穿无飞弧 阻抗 原边 vs 副边 绕组 vs 磁芯 500Vdc 阻抗 100M 备注 这里采用三文治绕法 目的是为了降低漏感 输出所有脚位全用上 目的是不浪费 同时降低输出绕组的内部阻抗 可以将 PCB 和变压器发出去打样了 剩下就是确定更多的参数并备料 第十步 10 调试过程 到以上部分 基本上一个电源算是设计完成 后面的就是焊板调试过程 调试所需要的简单设备 必需的 调压器 示波器 万用表 辅助设备 功率计 LCR 电桥 电子负载 焊完板以后 进行静态检查 如果有 LCR 电桥的话 可以先测一下变压器同名端 电感量等参数以后再焊接 静态检查 主要看有没有虚焊 连锡等 第十一部 10 调试过程 续 1 静态测试以后 可以用万用表测一下输入 输出是否处于短路状态 剩下就可以进行加电测试了 开关电源的 AC 输入 接入调压器 或者 AC 输入 接入功率计再接至调压器 调压器处于 0Vac 示波器 接在 ST VIPER53DIP 的 D S 两端 或 初级绕组两端亦可 交流耦合 万用表电压档测输出 并空载 接通调压器电源 开始升压 不需要快速 同时观看示波器 从 0Vac 开始升 会看到示波器上波形会有浮动 改成直流耦合会很清楚看到电压在上升 当调压器的电压 至 40 60Vac 区间时 如果示波器波形还没有变化的话 退回 0Vac 重新检查电源板 一般空载状态 在 40 60Vac 区间时 开关电源会开始工作 ST