【開關(guan)電源(yuan)設(she)(she)計(ji)】開關(guan)電源(yuan)如何設(she)(she)計(ji) 開關(guan)電源(yuan)設(she)(she)計(ji)入門(men)

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(chang)規(gui)隔離(li)開(kai)關(guan)電源(yuan)。

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(ke)以滿足要求。在這里(li)我會更多的選擇是(shi)經驗公(gong)式來計算，有需(xu)要分析的，可(ke)以拿出來再(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拓撲進行設計以后，我(wo)們需要選擇(ze)相應的PWMIC和MOS來進行初步的電(dian)路原理(li)圖(tu)設計(ji)（sch）。無論是選(xuan)擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對里面的計(ji)算我還會進行分解。

分立式：PWMIC與MOS是(shi)(shi)分開的，這(zhe)種優點是(shi)(shi)功率可以(yi)自由(you)搭配，缺點是(shi)(shi)設計和調試的周期會(hui)變(bian)長（僅從(cong)設計角(jiao)度來說）；集(ji)成式(shi)：就是(shi)(shi)將(jiang)PWMIC與MOS集成在一個(ge)封裝里，省去設計者(zhe)很多(duo)的(de)計算和(he)調試分步，適(shi)合于剛入門或快速開發的(de)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(zhe)里(li)我選用STVIPer53DIP（集(ji)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(xia)簡單的參(can)數。無(wu)論是選用(yong)PI的集(ji)成，或384x或(huo)OBLD等分立的都需要(yao)參(can)考一下datasheet。一(yi)般(ban)datasheet里都會附有簡單(dan)的電(dian)路(lu)原理圖，這些(xie)原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。當然不同的(de)公(gong)司(si)不同的(de)流(liu)程(cheng)，我(wo)們需要遵守相(xiang)應的(de)流(liu)程(cheng)，養成一個良好的(de)設計(ji)(ji)習(xi)慣，這一步可能會有初步評估，原理圖確認，等(deng)(deng)等(deng)(deng)，簽核完(wan)畢后就可以進行計(ji)(ji)算了。

先附上(shang)相應的原理圖。

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，芯片的頻率可以通(tong)過(guo)外部的RC來(lai)設(she)(she)(she)定，工作頻率(lv)就等于開關(guan)頻率(lv)，這個外(wai)設(she)(she)(she)的(de)功能有利(li)于我們更好(hao)的(de)設(she)(she)(she)計(ji)開關(guan)電(dian)源，也可(ke)以采取外(wai)同(tong)步功能。與UC384X功能相近。

變壓器磁芯為EER28/28L。

一般AC2DC的變(bian)換器，工(gong)作頻(pin)率不宜設超過100kHz，主要是開關(guan)電(dian)源的頻率過(guo)高以(yi)后，不(bu)利(li)于系統(tong)的穩定(ding)性(xing)，更不(bu)利(li)于EMC的(de)通過(guo)性。頻率太高(gao)，相應的(de)di/dtdv/dt都會增(zeng)加，除(chu)PI132kHz的(de)(de)工作頻率之(zhi)外，大家(jia)可以多參考其(qi)它家(jia)的(de)(de)芯(xin)片(pian)，就會總結自己的(de)(de)經驗出來。

對于磁芯(xin)的(de)選(xuan)擇，是在開關(guan)頻(pin)率和(he)功率的(de)基(ji)礎，更多(duo)的(de)是經(jing)驗選(xuan)取。當然計算的(de)話(hua)，你需要得到更多(duo)的(de)磁芯(xin)參數，包括磁材，居里溫度(du)，頻(pin)率特性(xing)等(deng)等(deng)，這個(ge)是需要慢(man)慢(man)建立(li)的(de)。

20W~40W范(fan)圍內EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30等均都(dou)可(ke)以。

關于變壓器磁芯的選擇(ze)

功率大小：

小于5w可使用的磁(ci)芯：

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

5-10W可使用(yong)的(de)磁(ci)芯：

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

10-20W可使(shi)用的磁芯：

ER25，EE20，EE25，RM6，GU18，EPC17，EF20

20-50W可(ke)使用的磁(ci)芯(xin)：

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(yong)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

大于500W可使用的磁芯(xin)：

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

磁芯與(yu)傳(chuan)輸功率對照(zhao)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(yi)知(zhi)參數，我們還需要設定(ding)一些參數，就(jiu)可以進入下一步計算(suan)。

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(yi)后，我們就可(ke)以(yi)計算得到(dao)匝(za)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

這里的4是(shi)一個經驗(yan)(yan)值，當然(ran)也是(shi)我自己獨家(jia)的(de)經驗(yan)(yan)。至于(yu)推導，不用那(nei)么麻(ma)煩，看下面的(de)圖，你就明(ming)白了，下面是(shi)DCM時的電(dian)流波(bo)形；至于CCM加(jia)一個平臺，自己可(ke)以推導，很簡(jian)單。

到(dao)此最重要(yao)的一(yi)步原(yuan)邊電感量已經求出，對(dui)于(yu)漏感及氣(qi)隙(xi)，我不建議各位再去計算和(he)驗證。

漏感Lleakage<5%*Lp

上面計算了(le)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)的電感量，現在我們還需要得到(dao)相應的匝數才可(ke)以(yi)完成整個(ge)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)的工(gong)作。

1）計算導通時間Ton周(zhou)期時間T=Ton+Toff=1/FswTon=T*DmaxFsw，Dmax都是已知(zhi)量(liang)70kHz，0.45代入(ru)上(shang)式可得Ton=6.43us

2）計(ji)算變壓器初級匝數Np=Vin（min）*Ton/（ΔB×Ae）=120Vdc*6.43us/（0.2*82mm2）=47T（這里的數是(shi)一定(ding)要取(qu)整(zheng)的，而且是(shi)進位取(qu)整(zheng)，我(wo)們變壓(ya)器(qi)不可能只繞半圈或其(qi)它非整(zheng)數圈）

3）計(ji)算變壓器12V主輸(shu)出(chu)的匝數(shu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)（Vo）：

12Vdc整流管(guan)壓降（Vd）：0.7

Vdc繞(rao)組壓降（Vs）：0.5

Vdc原邊匝伏(fu)比（K）=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55輸出匝數(shu)（Ns）=（輸(shu)出電壓（Vo）+整流管壓降（Vd）+繞組壓降（Vs））/原邊匝伏(fu)比（K）=（12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc）/2.55=6T（已取整(zheng)）

4）計算變壓器(qi)輔助繞組（auxturning）輸出的匝(za)數計算(suan)方法與12V主(zhu)繞(rao)組輸出一樣因為STVIPer53DIP副邊反饋需(xu)低于14.5Vdc，故選取(qu)12Vdc作為輔助電壓；Na=6T到這一步，我(wo)們基本(ben)上(shang)就得出(chu)了變壓器的(de)主要(yao)參(can)數(shu)原邊繞(rao)組：47T原邊電感量：0.77mH漏感<5%*0.77mH=39uH12V輸出：6T輔助繞組(zu)：6T下一步我們(men)只要(yao)將繞(rao)組的線徑股數腳位耐壓(ya)等安(an)規方面的要(yao)求提出，就可以(yi)發給(gei)變壓(ya)器廠去(qu)打樣了至于氣隙的計(ji)算，以(yi)及返回驗(yan)證(zheng)Dmax這些(xie)都是(shi)一些(xie)教科書上(shang)的，不建議大家死搬硬套，自己靈(ling)活一些(xie)。

上面計算(suan)出匝數以(yi)后(hou)，可(ke)以(yi)直接確定漆包(bao)線(xian)的粗(cu)細(xi)，不需(xu)要(yao)去進行復雜的計算(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0.5三股，不用選擇更(geng)粗的，否則繞(rao)制起來，漆(qi)包線(xian)的硬度會使(shi)操作工人很難繞(rao)。

很多(duo)這一步“計(ji)算(suan)”過了以后，還會(hui)返回(hui)計(ji)算(suan)以驗(yan)證(zheng)變壓器(qi)的(de)(de)窗口面積。個人認為返回(hui)驗(yan)證(zheng)是多(duo)余(yu)的(de)(de)，因(yin)為繞(rao)制不下的(de)(de)話，打樣的(de)(de)變壓器(qi)廠也會(hui)反饋給你，而你驗(yan)證(zheng)通過的(de)(de)，在實(shi)際(ji)中(zhong)也不一定會(hui)通過；畢竟(jing)與實(shi)際(ji)繞(rao)制過程中(zhong)的(de)(de)熟練度(du)，及稀疏還是有很大關系的(de)(de)。

再下一步，需要(yao)確(que)定輸入(ru)輸出的(de)電容的(de)大小，就可以(yi)進行布(bu)(bu)局和布(bu)(bu)板了。

7、輸入輸出電解電容計算

輸入濾(lv)波電(dian)解電(dian)容

Cin=（1.5~3）*Pin

輸出(chu)濾波電(dian)解(jie)電(dian)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(ju)相應(ying)的(de)應(ying)用(yong)環境來決定(ding)；電容不需要高頻，普通低阻抗的(de)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(jia)一個L，阻成(cheng)CLC低通(tong)濾波(bo)器。

基本上到這里，PCB上需要外形確(que)定的器件(jian)已經完(wan)成(cheng)，即PCB封裝完成；下一步(bu)就可通過(guo)前面的原理圖（SCH）定(ding)義(yi)好器件封裝(zhuang)。

8、PCBLayout

上面已(yi)經確定變壓器，原(yuan)理圖(tu)，以及電(dian)解電(dian)容，其(qi)它的(de)基本(ben)上都(dou)是標準件了。

由sch生成網絡(luo)表，在PCBfile里定義好板邊然后(hou)加載相應(ying)的封裝(zhuang)庫以(yi)后(hou)，可以(yi)直接(jie)(jie)導入網(wang)絡(luo)表，進行布局；因(yin)為這個板相對比較簡單，也可以(yi)直接(jie)(jie)布板，導入網(wang)絡(luo)表是一個非常好的設計習慣。

PCBlayout重點不是怎么連(lian)線，最重要的是如何布局；一般來(lai)說(shuo)布局OK的(de)話(hua)，畫(hua)板(ban)就輕松多(duo)了(le)。

在布局與布板(ban)方面：

1）RCD吸收(shou)部分與變壓器形成的環面積盡(jin)量小；這樣可以減小相(xiang)應的輻(fu)射和(he)傳導。

2）地(di)線盡量的短(duan)和寬大，保證相應(ying)的零(ling)電平有利于基準的穩定；同時VIPER53DIP這(zhe)顆DIP-8的芯(xin)片散熱的重要通道。

3）在di/dtdv/dt變化(hua)比較大(da)的(de)地方，盡量減小環路和加(jia)寬(kuan)走(zou)線，降低不必要的(de)電感特性

附上相應的圖，N久之前(qian)的(de)版本(ben)，可以改進(jin)的(de)地方(fang)很多，各位自行參考：目(mu)前(qian)這一塊(kuai)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(cheng)以后，此(ci)時就可(ke)以確定(ding)變壓器的(de)(de)同名(ming)端，完整的(de)(de)定(ding)義變壓器，并發出去打樣或自己繞制(zhi)。

EER28/28L骨架是(shi)6+6

原邊：1->3輔助：6->5輸(shu)出：7，8，9->10，11，12

對(dui)于輸出的腳位(wei)，我(wo)們可以(yi)用(yong)兩個，或者全(quan)用(yong)上，看各位(wei)自己(ji)的選擇。

從原理圖及PCB圖上，1，6，7，8，9為同名端(duan)，自己繞(rao)制(zhi)時，起線需從這幾個腳位起，同方向繞(rao)制(zhi)。

變壓器(qi)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并剪腳

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

高壓：

原邊vs副邊：3750Vac@1mA1min無(wu)擊穿無(wu)飛弧

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA1min無擊(ji)穿無飛弧

阻抗：

原邊vs副邊/繞組vs磁芯：500Vdc阻抗>100M

備注：這里采用(yong)三文(wen)治(zhi)繞法，目的(de)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和變壓器發出去打樣了，剩下就(jiu)是(shi)確定更(geng)多的(de)參數并備料。

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

snubbercircuit（RCD吸收）：R101-100k1WC101-103@1kV（高壓瓷片(pian)電容(rong)）

D105-FR107（選600V的超快恢(hui)復(fu)也可(ke)以）：

這部分可(ke)以計(ji)算，也可(ke)以直接選(xuan)用(yong)經典的參數，在調試時，再進行繼續來檢(jian)驗

D201：MBR10100

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

D106：FR107（耐壓計算同上，選(xuan)FR101亦可，盡快將(jiang)電(dian)源里(li)器件整合，故選FR107）

R102：是一(yi)個分壓電阻，主要用來限(xian)制Vdd的(de)電壓(ya)；0～100R范(fan)圍內選，調(diao)試時，根(gen)據具體情況調(diao)整

R103，C105：這部分(fen)是STVIPER53DIP設定開關頻率的，70kHz可查(cha)datasheet中的(de)頻率設定表，可知R103-10kC105-222

R103與C105組(zu)成一個(ge)RC網絡，用于設(she)定VIPer53的(de)工(gong)作頻率，它的(de)工(gong)作頻率可以高(gao)達300kHz，不過在AC-DC里我不建議使用那(nei)么高的頻率。在VIPer53 datasheet里有一(yi)個曲線，不(bu)過不(bu)是很方便，我將常用(yong)的頻率設定(ding)表，整理(li)一(yi)下，貼出來大家參考(kao)。

8腳TOVL是(shi)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(zhe)個值。

1腳(jiao)comp是一個補償反饋腳，給出一組驗證過的參(can)數(shu)：R104-1k

C104-47uF/50V（電解電容）C103-104這是一個一階慣性環節(jie)，在(zai)副邊(bian)反饋狀態下，以(yi)副邊(bian)反饋的補(bu)償網絡為主，在(zai)失(shi)反饋此補(bu)償網絡才變(bian)為主網絡。

IC102-選(xuan)用PC817C就OK了，不需要要求太高(gao)的(de)CTR值。

L201-10uH3A的工字電感(gan)，與E201E202形成一個低通濾(lv)波器，能(neng)更好地抑(yi)制紋波，可計算(suan)，在這里我(wo)不提倡來計算(suan)，可以根據(ju)調試中所(suo)碰到的問題再來調整(zheng)。

IC201-TL431TO92封(feng)裝，ref-2.5V

R205-1k這個值(zhi)的計算>Vo-Vopdiode（光耦內發光二極管的(de)壓降(jiang)）/Imin（光耦發光二極管最小(xiao)擊穿電流）

保證R205的選擇能(neng)夠在(zai)正常狀態下，有效(xiao)擊穿(chuan)光耦內(nei)部的發(fa)光二極管。

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

C202-104這個也(ye)可(ke)以到(dao)時根(gen)據實際(ji)情況來調(diao)整(zheng)，不需要(yao)去用公式進(jin)行復雜(za)的(de)計算。

CY103-這個(ge)是Y電(dian)容可以(yi)選(xuan)222@400Vac，具體根據安規的耐壓來選(xuan)取，都可以在(zai)后續(xu)的工作中進行調整。

10、調試過程

到以上(shang)部分，基本上(shang)一個電源算是設計完(wan)成，后面的就(jiu)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(dian)橋(qiao)，電(dian)子負載

焊完板以后，進行靜態檢查，如果有LCR電橋的話，可(ke)以先測(ce)一下變(bian)壓器(qi)同名端，電感(gan)量等參數(shu)以后再焊接。

靜態檢查：主要看有沒有虛焊，連錫等；靜態測(ce)試以(yi)后，可以(yi)用萬(wan)用表(biao)測(ce)一下輸入，輸出是否處于(yu)短(duan)路(lu)狀態；剩下就可以(yi)進行加電(dian)測(ce)試了(le)。

開關電源的AC輸入接入調壓(ya)器，或者(zhe)AC輸入接入功率計再接至調壓器(qi)，調壓器(qi)處于(yu)0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS兩端(duan)或初(chu)級(ji)繞組兩端(duan)亦可，交流(liu)耦合；萬用表電壓檔測輸出，并空載。

接通調壓(ya)器電源，開始升壓(ya)，不需要(yao)快(kuai)速，同時觀看示波器。

從0Vac開始升(sheng)，會(hui)看(kan)到(dao)示(shi)波器上(shang)波形會(hui)有(you)浮動（改(gai)成直(zhi)流耦合會(hui)很清楚看(kan)到(dao)電(dian)(dian)壓在上(shang)升(sheng)）。當調壓器的電(dian)(dian)壓至(zhi)40～60Vac區間時，如果(guo)示波(bo)器波(bo)形還沒有變化(hua)的話(hua)，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(shi)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(yang)，反饋及輸(shu)出回路。如果(guo)都(dou)OK的狀態(tai)下(xia)，再考慮將(jiang)輸入電壓升至(zhi)220Vac。遵循以上(shang)步驟調(diao)試的話，不會出現爆(bao)片或炸機(ji)現象(xiang)。

備注：示波器需要隔離，或只允許LN輸入，未隔(ge)離(li)條件(jian)下PE的線不能(neng)接入(ru)，否則極易造成(cheng)短路。

激動人(ren)心(xin)的一(yi)刻(ke)到了，人(ren)生的第(di)一(yi)塊電源就要(yao)誕生了！

帶載還是建議一(yi)(yi)點(dian)一(yi)(yi)點(dian)地加，也監(jian)控(kong)著示波器，這(zhe)里就(jiu)省去(qu)一(yi)(yi)步一(yi)(yi)步加載過(guo)程，直接上手了

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(hu)電(dian)路等各種不確定因(yin)素的(de)問題。等你真正入門了，積累一定的(de)經驗，再采用分立的(de)結構(gou)進行設(she)計就簡單多了，凡(fan)事(shi)先易(yi)后難才有進步。