详解一步一步设计开关电源

1、详解一步一步设计开关电源（完结篇）导读：针对开关电源很多人觉得很难，其实不然。设计一款开关电源并不难，难就难在做精，等你真正入门了，积累一定的经验，再采用分立的结构进行设计就简单多了。万事开头难，笔者在这就抛砖引玉，慢慢讲解如何一步一步设计开关电源。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。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。2、选择

2、相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计当我们确定用flyback拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWMIC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：PWMIC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PWMIC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。3、做原理图确定所选择的芯片以后，开始做原理图(sch)，在这里我选用STVIPer53DIP(集成了MOS)进行设计。设计前最好

3、都先看一下相应的datasheet，确认一下简单的参数。无论是选用PI的集成，或384x或OBLD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。4、确定相应的参数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PCBLayout。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了。先附上相应的原理图。5、确定开关频率，选择磁芯确定变压器这里确定芯片工作频率为70KHz，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

4、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。与UC384X功能相近。变压器磁芯为EER28/28L。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/dtdv/dt都会增加，除PI132kHz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。20W40W范围内EE25EER25EER28EFD2

5、5EFD30等均都可以。关于变压器磁芯的选择功率大小：小于5w可使用的磁芯：ER9.5,ER11.5,EE8.3,EE10,EE13,RM4,GU11,EP7,EP10,UI9.8,URS75-10W可使用的磁芯：ER20,EE19,RM5,GU14,EFD15,EI22,EPC13,EF16,EP13,UI11.510-20W可使用的磁芯：ER25,EE20,EE25,RM6,GU18,EPC17,EF2020-50W可使用的磁芯：ER28,ETD28,EI28,EE28,EE30,EF25,RM8,GU22,PQ20,EPC19,EFD2050-100W可使用的磁芯：ER35,ETD34,

6、EE35,EI35,EF30,RM10,GU30,PQ26,EPC25,EFD25100-200W可使用的磁芯：ER40,ER42,ETD39,EI40,RM12,GU36,PQ32,EFD30200-500W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磁芯与传输功率对照表6、设计变压器进行计算输入input：85265Vac输出output：12V2A开关频率Fsw：70kHz磁芯core：EER28/28L

7、磁芯参数：Ae82mm2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。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*

8、Iav=1A原边电感量Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipeak*Fsw)=120Vdc*0.45/(1A*70K)=770uH这里的4是一个经验值，当然也是我自己独家的经验。至于推导，不用那么麻烦，看下面的图，你就明白了，下面是DCM时的电流波形;至于CCM加一个平台，自己可以推导，很简单。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Lleakage5%*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。计算导通时间Ton周期时间T=Ton+Toff=1/FswTon=T*DmaxFsw,Dmax都是已知量70k

9、Hz,0.45代入上式可得Ton=6.43us计算变压器初级匝数Np=Vin(min)*Ton/(BAe)=120Vdc*6.43us/(0.2*82mm2)=47T（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)：12Vdc整流管压降(Vd)：0.7Vdc绕组压降(Vs)：0.5Vdc原边匝伏比(K)=Vi_min/Np=120Vdc/47T=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)=(12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc)/2.55=6T(已取整)

10、4）计算变压器辅助绕组(auxturning)输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为STVIPer53DIP副边反馈需低于14.5Vdc，故选取12Vdc作为辅助电压；Na=6T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：1-2：0.25x1x24T7-10：0.50x2x6T8-11：0.50x2x6T9-12：0.50x2

11、x6T2-3：0.25x1x23T6-5：0.25x1x6T2,4并剪脚L1-3：0.77mH0.25V1kHz漏感低于5%磁材：PC40或等同材质高压：原边vs副边：3750Vac1mA1min无击穿无飞弧副边vs磁芯：1500Vac1mA1min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。D101D104：Iav=0.25A选1N4007（1000V1A）当然选600V的也没有问题snubber

12、circuit(RCD吸收)：R101-100k1WC101-1031kV（高压瓷片电容）D105-FR107(选600V的超快恢复也可以)：这部分可以计算，也可以直接选用经典的参数，在调试时，再进行继续来检验D201：MBR10100耐压：Vo+Vin(max)*Ns/Np=12V+375Vdc*6/47=60VD106：FR107（耐压计算同上，选FR101亦可，尽快将电源里器件整合，故选FR107）R102：是一个分压电阻，主要用来限制Vdd的电压；0100R范围内选，调试时，根据具体情况调整R103，C105：这部分是STVIPER53DIP设定开关频率的，70kHz可查datashe

13、et中的频率设定表，可知R103-10kC105-222R103与C105组成一个RC网络，用于设定VIPer53的工作频率，它的工作频率可以高达300kHz，不过在AC-DC里我不建议使用那么高的频率。在VIPer53datasheet里有一个曲线，不过不是很方便，我将常用的频率设定表，整理一下，贴出来大家参考。8脚TOVL是一个延时保护的，此处可以直接选104具体参数，根据应用时，来调整这个值。1脚comp是一个补偿反馈脚，给出一组验证过的参数：R104-1kC104-47uF/50V(电解电容)C103-104这是一个一阶惯性环节，在副边反馈状态下，以副边反馈的补偿网络为主，在失反馈此补

14、偿网络才变为主网络。IC102-选用PC817C就OK了，不需要要求太高的CTR值。L201-10uH3A的工字电感，与E201E202形成一个低通滤波器，能更好地抑制纹波，可计算，在这里我不提倡来计算，可以根据调试中所碰到的问题再来调整。IC201-TL431TO92封装，ref-2.5VR205-1k这个值的计算Vo-Vopdiode(光耦内发光二极管的压降)/Imin(光耦发光二极管最小击穿电流)保证R205的选择能够在正常状态下，有效击穿光耦内部的发光二极管。R204R202-18k4.7k根据公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)可计算。C202-104这个也可以到时根

15、据实际情况来调整，不需要去用公式进行复杂的计算。CY103-这个是Y电容可以选222400Vac，具体根据安规的耐压来选取,都可以在后续的工作中进行调整。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；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

16、接至调压器，调压器处于0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS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4060Vac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4060Vac区间时，开关电源会开始工作，STVIPER53DIP也会进入工作模式，示波器上Vds波形会开始正常。看输出电压是否达到预设值？未达到，退回0Vac检查采样，反馈及输出回路。如果都OK的状态下，再考虑将输入电压升至