【開(kai)(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)設計】開(kai)(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)如何設計 開(kai)(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)設計入門

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(de)常規隔離(li)開關電(dian)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(ji)本上可以滿足(zu)要(yao)求(qiu)。在這(zhe)里我會更(geng)多的選擇是(shi)經驗公式來計(ji)算，有需要(yao)分(fen)析的，可以拿(na)出來再(zai)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(tuo)撲進行設計以(yi)后，我(wo)們需要選(xuan)擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路(lu)原(yuan)理(li)圖設(she)計（sch）。無論是選擇采用(yong)分立式(shi)的還(huan)是集成的都可以自己考(kao)慮。對里面的計算我還(huan)會進(jin)行分解。

分立式：PWMIC與MOS是分開的(de)，這種(zhong)優點是功(gong)率可以自由(you)搭(da)配，缺(que)點是設計和(he)調試的(de)周期(qi)會變長（僅(jin)從設計角度(du)來說(shuo)）；集成式：就是將PWMIC與MOS集成在一(yi)個封裝里(li)，省(sheng)去設計者很多的計算(suan)和調試分步(bu)，適(shi)合(he)于剛入門或快速開發(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），在這里(li)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(shu)。無論是選用PI的集(ji)成(cheng)，或384x或OBLD等分立(li)的都(dou)需要參考一下datasheet。一般datasheet里都會(hui)附(fu)有簡單的電路原(yuan)理(li)圖(tu)(tu)，這(zhe)些原(yuan)理(li)圖(tu)(tu)是我(wo)們的設計依據(ju)。

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。當然不同的公司不同的流程(cheng)，我們需要遵守相應的流程(cheng)，養(yang)成一個(ge)良好的設計(ji)習慣，這一步可(ke)能會有初步評(ping)估，原(yuan)理圖確認，等等，簽核(he)完(wan)畢后(hou)就可(ke)以進行計(ji)算了。

先(xian)附上相應的(de)原(yuan)理圖。

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(de)頻率可以通(tong)過外部的(de)RC來(lai)設(she)(she)定，工作(zuo)頻(pin)率就等于(yu)開(kai)關頻(pin)率，這個外設(she)(she)的功(gong)能(neng)有(you)利于(yu)我(wo)們更好的設(she)(she)計開(kai)關電源(yuan)，也可以采取外同步(bu)功(gong)能(neng)。與(yu)UC384X功能相近。

變壓器磁芯為EER28/28L。

一般AC2DC的變換器，工作頻率(lv)不宜設超過(guo)100kHz，主要是開關(guan)電源的(de)(de)頻率過(guo)高以后(hou)，不利(li)于(yu)系統的(de)(de)穩定(ding)性，更(geng)不利(li)于(yu)EMC的(de)通過(guo)性。頻(pin)率太高，相應的(de)di/dtdv/dt都會增(zeng)加(jia)，除PI132kHz的工作(zuo)頻率之(zhi)外，大家可以多參考其它(ta)家的芯(xin)片，就(jiu)會總(zong)結自己的經驗出來。

對于磁(ci)芯的(de)選擇，是在開(kai)關(guan)頻(pin)率和(he)功率的(de)基礎，更(geng)多的(de)是經(jing)驗(yan)選取。當(dang)然計算的(de)話，你需要(yao)得到更(geng)多的(de)磁(ci)芯參數，包括磁(ci)材，居(ju)里(li)溫度，頻(pin)率特性等等，這(zhe)個是需要(yao)慢慢建(jian)立(li)的(de)。

20W~40W范(fan)圍(wei)內EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30等均都可以。

關于(yu)變壓器磁芯的選擇

功率大小：

小于5w可使用的(de)磁芯：

ER9.5，ER11.5，EE8.3，EE10，EE13，RM4，GU11，EP7，EP10，UI9.8，URS7

5-10W可(ke)使用的磁(ci)芯：

ER20，EE19，RM5，GU14，EFD15，EI22，EPC13，EF16，EP13，UI11.5

10-20W可使用的(de)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(de)磁芯：

ER40，ER42，ETD39，EI40，RM12，GU36，PQ32，EFD30

200-500W可使(shi)用(yong)的(de)磁芯(xin)：

ER49，ETD49，EC53，EE42，EE55，EI50，RM14，GU42，

PQ35，PQ40，UU66

大于500W可使(shi)用的磁芯(xin)：

ER70，ETD59，EE65，EE85，GU59，PQ50，UU80，UU93

磁芯(xin)與傳(chuan)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(shi)已知(zhi)參數，我(wo)們還需要設(she)定一(yi)些參數，就可(ke)以進入下一(yi)步(bu)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(zhe)些參數(shu)以后，我(wo)們(men)就可以計算得到匝數(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)(shi)一個(ge)經驗(yan)值，當然也是(shi)(shi)我自己獨家的(de)經驗(yan)。至于推導，不用那(nei)么麻煩(fan)，看下(xia)面(mian)的(de)圖，你就明白了，下(xia)面(mian)是(shi)(shi)DCM時的電流波形；至于CCM加一個(ge)平臺，自己(ji)可(ke)以推導，很簡單。

到此最重要的一步原邊電感(gan)量已經(jing)求出，對于漏感(gan)及氣隙，我不(bu)建議各(ge)位再去計算和(he)驗證。

漏感Lleakage<5%*Lp

上面(mian)計算了變(bian)壓器的(de)電感量，現(xian)在我們還需要得(de)到(dao)相(xiang)應的(de)匝數才可以(yi)完成整(zheng)個變(bian)壓器的(de)工作。

1）計算導通時間Ton周(zhou)期時(shi)間T=Ton+Toff=1/FswTon=T*DmaxFsw，Dmax都是已知量70kHz，0.45代(dai)入上(shang)式可得(de)Ton=6.43us

2）計算變壓器初級匝數(shu)Np=Vin（min）*Ton/（ΔB×Ae）=120Vdc*6.43us/（0.2*82mm2）=47T（這里的(de)數是一(yi)定要取整(zheng)的(de)，而且(qie)是進位取整(zheng)，我們變壓器(qi)不可能只繞半(ban)圈(quan)或其它非(fei)整(zheng)數圈(quan)）

3）計算變(bian)壓器(qi)12V主(zhu)輸出的匝數輸出電壓（Vo）：

12Vdc整流(liu)管壓(ya)降（Vd）：0.7

Vdc繞組(zu)壓降（Vs）：0.5

Vdc原邊(bian)匝(za)伏比（K）=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55輸出匝(za)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(zheng)）

4）計算變壓器(qi)輔助(zhu)繞(rao)組（auxturning）輸出的匝數計算方法與12V主繞組輸(shu)出一(yi)樣因為STVIPer53DIP副邊反饋需低于(yu)14.5Vdc，故選取12Vdc作為輔助電壓；Na=6T到這一步，我們基本(ben)上(shang)就(jiu)得(de)出了變壓器的(de)主要參數原邊繞(rao)組：47T原邊電(dian)感量：0.77mH漏(lou)感<5%*0.77mH=39uH12V輸出：6T輔助繞組：6T下一步(bu)我們只要(yao)將繞組的線徑股數腳位耐壓等安規(gui)方面的要(yao)求提出，就(jiu)可以發給變壓器廠(chang)去打樣了至于(yu)氣(qi)隙的計算，以及返回驗證Dmax這些都是一些教科書上的(de)，不建議大家(jia)死搬硬套(tao)，自己靈活一些。

上面計(ji)算(suan)出匝數以后，可以直接確定漆包(bao)線的粗細，不需(xu)要去(qu)進行復(fu)雜的計(ji)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(fu)助繞(rao)組φ0.25一(yi)股。主輸出繞組φ0.4或0.5三股，不(bu)用選擇更粗(cu)的，否(fou)則(ze)繞制起來，漆包(bao)線的硬度會使操(cao)作(zuo)工(gong)人很(hen)難繞。

很多(duo)這(zhe)一(yi)步“計算”過了以后(hou)，還(huan)會(hui)返(fan)回計算以驗(yan)證(zheng)變壓(ya)器的(de)窗口面(mian)積。個人認(ren)為返(fan)回驗(yan)證(zheng)是多(duo)余的(de)，因為繞制不下的(de)話，打樣(yang)的(de)變壓(ya)器廠也會(hui)反饋給你，而你驗(yan)證(zheng)通過的(de)，在(zai)實際中(zhong)也不一(yi)定會(hui)通過；畢竟與實際繞制過程中(zhong)的(de)熟練(lian)度，及稀疏還(huan)是有很大關系的(de)。

再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大(da)小，就可以進行布局和布板了(le)。

7、輸入輸出電解電容計算

輸入濾波電(dian)解電(dian)容

Cin=（1.5~3）*Pin

輸出(chu)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℃根據相應(ying)的(de)(de)應(ying)用環境來決定；電容不需要高頻，普通低阻抗的(de)(de)就(jiu)可(ke)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CLC低通濾波器(qi)。

基本上到這里，PCB上需要外形確定的器件已經完成，即(ji)PCB封裝(zhuang)完(wan)成；下一步(bu)就可通過前(qian)面的原(yuan)理(li)圖(tu)（SCH）定義好器件(jian)封裝。

8、PCBLayout

上面已經確定(ding)變壓(ya)器(qi)，原理圖(tu)，以(yi)及電解(jie)電容，其(qi)它的(de)基(ji)本上都是標準(zhun)件(jian)了。

由sch生成(cheng)網絡表，在PCBfile里(li)定義(yi)好(hao)板(ban)(ban)邊然后(hou)加載(zai)相(xiang)應的(de)封裝庫(ku)以后(hou)，可(ke)以直接(jie)導入網絡表，進行布(bu)(bu)局(ju)；因為這(zhe)個板(ban)(ban)相(xiang)對比較簡單(dan)，也可(ke)以直接(jie)布(bu)(bu)板(ban)(ban)，導入網絡表是一個非常好(hao)的(de)設(she)計習慣。

PCBlayout重點不是(shi)怎(zen)么(me)連(lian)線，最重要的是(shi)如何布局(ju)(ju)；一般來說布局(ju)(ju)OK的(de)話，畫板就輕松多了。

在布局與布板方面：

1）RCD吸(xi)收(shou)部分與變壓(ya)器形成的(de)環面積(ji)盡量小(xiao)；這樣(yang)可以減小(xiao)相(xiang)應的(de)輻射(she)和傳導。

2）地線盡量的短和(he)寬大，保證相(xiang)應的零電平有利于基準的穩(wen)定；同時VIPER53DIP這顆DIP-8的芯片散(san)熱(re)的重要通道。

3）在di/dtdv/dt變(bian)化(hua)比較(jiao)大的地方，盡(jin)量減(jian)小環路和加(jia)寬走線，降低不必要的電感(gan)特性

附上相應的圖，N久之前的版本，可(ke)以改進的地方(fang)很多，各位自(zi)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(wan)成以(yi)后，此時(shi)就(jiu)可以(yi)確(que)定變壓器的(de)同名端(duan)，完(wan)整的(de)定義變壓器，并發出去打樣或自己繞制。

EER28/28L骨(gu)架是6+6

原邊：1->3輔助：6->5輸出(chu)：7，8，9->10，11，12

對于輸(shu)出的腳位，我們可以(yi)用兩(liang)個，或者全用上(shang)，看各位自己的選擇。

從原理圖及PCB圖上，1，6，7，8，9為(wei)同(tong)名端(duan)，自(zi)己繞(rao)制(zhi)時，起線(xian)需從這幾個腳(jiao)位起，同(tong)方向繞(rao)制(zhi)。

變(bian)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并剪(jian)腳

L1-3：0.77mH0.25V@1kHz漏感低于5%磁材(cai)：PC40或(huo)等同材質

高壓：

原邊vs副邊(bian)：3750Vac@1mA1min無擊穿無飛弧

副邊vs磁芯(xin)：1500Vac@1mA1min無擊(ji)穿無飛弧

阻抗：

原邊vs副(fu)邊/繞組vs磁芯：500Vdc阻抗>100M

備注：這里采用三文治(zhi)繞法(fa)，目的是為(wei)了降(jiang)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和變壓器發出去(qu)打樣了，剩下(xia)就(jiu)是確定(ding)更多的參數并(bing)備料。

D101～D104：Iav=0.25A選1N4007（1000V@1A）當然選600V的也(ye)沒有問題

snubbercircuit（RCD吸收）：R101-100k1WC101-103@1kV（高壓(ya)瓷片電(dian)容）

D105-FR107（選600V的超快恢復也可(ke)以）：

這部分可以計(ji)算，也可以直(zhi)接選(xuan)用經典的參(can)數，在(zai)調試(shi)時(shi)，再進行繼續(xu)來(lai)檢(jian)驗

D201：MBR10100

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

D106：FR107（耐(nai)壓計算同上(shang)，選FR101亦(yi)可，盡快將(jiang)電源(yuan)里(li)器件整合，故選FR107）

R102：是一個分壓電阻，主(zhu)要用來限制Vdd的電壓(ya)；0～100R范圍內選(xuan)，調(diao)(diao)試時，根據具體情況調(diao)(diao)整

R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設定開關頻(pin)率的，70kHz可(ke)查datasheet中的頻率設定表，可知R103-10kC105-222

R103與C105組(zu)成(cheng)一個RC網絡，用于設定VIPer53的工(gong)作頻率(lv)，它的工(gong)作頻率(lv)可以高(gao)達300kHz，不過在AC-DC里(li)我不建議使用那么高的頻(pin)率。在VIPer53 datasheet里有一個(ge)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(ge)延時(shi)保(bao)護的，此處可(ke)以直接選(xuan)104具(ju)體參數，根(gen)據應用(yong)時，來調整這個值。

1腳comp是一(yi)個補償(chang)反饋腳，給出(chu)一(yi)組驗證過(guo)的參數(shu)：R104-1k

C104-47uF/50V（電(dian)解電(dian)容）C103-104這是(shi)一個(ge)一階慣性環(huan)節，在副邊(bian)反(fan)饋狀態下，以副邊(bian)反(fan)饋的補償(chang)網(wang)絡(luo)為主(zhu)，在失反(fan)饋此補償(chang)網(wang)絡(luo)才(cai)變為主(zhu)網(wang)絡(luo)。

IC102-選用(yong)PC817C就OK了，不(bu)需(xu)要要求太高的CTR值。

L201-10uH3A的工字電感(gan)，與E201E202形(xing)成一個低(di)通濾波器，能更好地抑制紋波，可計(ji)算，在這里我不提倡(chang)來(lai)計(ji)算，可以根據調試中(zhong)所碰(peng)到的問題再來(lai)調整。

IC201-TL431TO92封(feng)裝(zhuang)，ref-2.5V

R205-1k這個值的計算>Vo-Vopdiode（光耦內(nei)發光二極(ji)管(guan)的壓降(jiang)）/Imin（光(guang)耦發(fa)光(guang)二極管最小擊穿電流）

保證R205的選擇(ze)能(neng)夠(gou)在正常狀態(tai)下(xia)，有效(xiao)擊穿光(guang)耦內(nei)部(bu)的發(fa)光(guang)二極(ji)管。

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

C202-104這個也可以到(dao)時(shi)根(gen)據(ju)實際情況來調整，不需要去用公式進行復(fu)雜(za)的計算。

CY103-這個是Y電容(rong)可以(yi)選222@400Vac，具(ju)體根(gen)據安規的(de)耐(nai)壓(ya)來選(xuan)取，都(dou)可以在后續的(de)工作中進行調整。

10、調試過程

到以(yi)上部分，基(ji)本上一個(ge)電(dian)源算是(shi)設計完(wan)成，后面的(de)就是(shi)焊板調試過(guo)程(cheng)。

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

焊完板以后，進行靜態檢查，如果有LCR電橋的(de)話，可以(yi)先測一(yi)下變壓器同名端，電感(gan)量等參數以(yi)后再焊接(jie)。

靜態檢查：主要看有(you)沒有(you)虛焊，連錫等；靜態測試(shi)(shi)以(yi)(yi)后，可(ke)以(yi)(yi)用(yong)萬用(yong)表(biao)測一下(xia)輸入，輸出是否處于短路狀態；剩下(xia)就可(ke)以(yi)(yi)進行(xing)加(jia)電測試(shi)(shi)了。

開關電源的AC輸入接(jie)入調壓器，或者AC輸入(ru)接入(ru)功率計再接至(zhi)調壓器，調壓器處于0Vac；示波器(qi)接在STVIPER53DIP的DS兩端(duan)或初(chu)級繞組(zu)兩端(duan)亦可，交(jiao)流耦合；萬用表電壓檔測輸(shu)出，并(bing)空(kong)載(zai)。

接通調壓(ya)器(qi)電源(yuan)，開始(shi)升壓(ya)，不需要快速，同時觀看(kan)示波器(qi)。

從0Vac開始(shi)升，會(hui)看(kan)(kan)到示波器上波形會(hui)有浮(fu)動（改成直流(liu)耦合會(hui)很清(qing)楚看(kan)(kan)到電(dian)壓在上升）。當調壓器的電(dian)壓至40～60Vac區(qu)間時，如(ru)果示(shi)波(bo)器波(bo)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(dian)源會開始工作，STVIPER53DIP也會(hui)進(jin)入工作模式，示波(bo)器上Vds波形會開始(shi)正常。

看輸出電壓是否達到預設值？未達到，退回0Vac檢查采(cai)樣，反饋及輸出回路。如果(guo)都OK的狀(zhuang)態下，再考慮將輸入電壓升至220Vac。遵(zun)循以上步(bu)驟調試的話，不會(hui)出(chu)現(xian)爆片(pian)或炸機現(xian)象。

備注：示波器需要隔離，或只允許LN輸入，未隔(ge)離條件下PE的線不能接入，否則極易(yi)造成短路。

激動人心的一刻到了，人生的第(di)一塊電(dian)源就要誕生了！

帶載還是建議一(yi)(yi)點一(yi)(yi)點地加(jia)，也(ye)監(jian)控著(zhu)示波(bo)器，這(zhe)里就(jiu)省(sheng)去一(yi)(yi)步(bu)一(yi)(yi)步(bu)加(jia)載過(guo)程(cheng)，直接上(shang)手(shou)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(ji)驅動，保護電路等(deng)各種(zhong)不確定因素的(de)問題。等(deng)你真正入門了，積累一(yi)定的(de)經(jing)驗，再(zai)采用分立的(de)結構(gou)進(jin)行(xing)設計就(jiu)簡單多了，凡(fan)事先易后難(nan)才有進(jin)步。