【開關電(dian)源(yuan)設計】開關電(dian)源(yuan)如何設計 開關電(dian)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的常規隔離開(kai)關(guan)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(ji)本上(shang)可以滿足要求。在這里我會更(geng)多的選擇是經驗(yan)公式來(lai)(lai)計算，有需要分析的，可以拿出來(lai)(lai)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(she)計(ji)以后(hou)，我們需要選(xuan)擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路(lu)原理(li)圖(tu)設計（sch）。無(wu)論(lun)是(shi)選(xuan)擇(ze)采用分立式(shi)的(de)還是(shi)集成的(de)都可以自(zi)己考慮。對里面的(de)計算(suan)我(wo)還會(hui)進(jin)行分解(jie)。

分立式：PWMIC與MOS是(shi)分開的，這種(zhong)優點(dian)是(shi)功率可以自由搭配，缺點(dian)是(shi)設計和調試的周期會變長（僅(jin)從設計角度來(lai)說）；集成(cheng)式：就是(shi)將PWMIC與MOS集成在(zai)一個封裝里，省去(qu)設計(ji)者(zhe)很多的計(ji)算和調試分(fen)步，適(shi)合(he)于(yu)剛入門或快速開(kai)發的環(huan)境。

3、做原理圖

確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖（sch），在(zai)這(zhe)里我選用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(yi)下簡單的參數。無論是選用PI的集(ji)成，或384x或OBLD等分立的都需要(yao)參(can)考(kao)一下(xia)datasheet。一(yi)般datasheet里都會附有簡單的(de)電(dian)路原(yuan)理(li)圖，這些原(yuan)理(li)圖是我(wo)們的(de)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(dang)然不同(tong)的公司不同(tong)的流(liu)程(cheng)，我們需(xu)要遵守相應(ying)的流(liu)程(cheng)，養(yang)成(cheng)一(yi)個良(liang)好的設計習慣，這一(yi)步可(ke)能會有(you)初(chu)步評(ping)估(gu)，原理圖確認，等等，簽核完畢后(hou)就可(ke)以(yi)進(jin)行計算了。

先附上相應的原理圖(tu)。

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(lv)可以通(tong)過外(wai)部(bu)的(de)RC來設定(ding)，工(gong)作頻(pin)(pin)率(lv)就(jiu)等(deng)于開關頻(pin)(pin)率(lv)，這個外設的功能有利于我們更好的設計開關電源，也可以采取外同步功能。與(yu)UC384X功能(neng)相(xiang)近(jin)。

變壓器磁芯為EER28/28L。

一般AC2DC的變換器(qi)，工作(zuo)頻率不宜設(she)超過100kHz，主要是(shi)開關電源的(de)頻率過高以后，不利于系統的(de)穩定性，更不利于EMC的通(tong)過性。頻率太高，相應的di/dtdv/dt都會增加，除PI132kHz的(de)工(gong)作頻(pin)率之外(wai)，大家可(ke)以多(duo)參考其它(ta)家的(de)芯片，就會總(zong)結自(zi)己的(de)經驗出來。

對于磁(ci)(ci)芯的(de)(de)選(xuan)擇，是在開(kai)關(guan)頻率和功率的(de)(de)基礎，更多的(de)(de)是經驗選(xuan)取。當然(ran)計算的(de)(de)話，你需(xu)要得(de)到更多的(de)(de)磁(ci)(ci)芯參(can)數(shu)，包括(kuo)磁(ci)(ci)材，居里溫度，頻率特(te)性等等，這(zhe)個(ge)是需(xu)要慢(man)慢(man)建立的(de)(de)。

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

關于變壓器磁芯的選擇(ze)

功率大小：

小于5w可使(shi)用的磁(ci)芯(xin)：

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

5-10W可使用的磁(ci)芯：

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

10-20W可(ke)使用的磁(ci)芯：

ER25，EE20，EE25，RM6，GU18，EPC17，EF20

20-50W可(ke)使用的磁芯：

ER28，ETD28，EI28，EE28，EE30，EF25，RM8，GU22，

PQ20，EPC19，EFD20

50-100W可使用(yong)的(de)磁芯：

ER35，ETD34，EE35，EI35，EF30，RM10，GU30，PQ26，

EPC25，EFD25

100-200W可使用(yong)的磁芯(xin)：

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

200-500W可使用(yong)的磁芯：

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

PQ35，PQ40，UU66

大于500W可(ke)使用的(de)磁(ci)芯：

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

磁芯(xin)與傳輸功率對(dui)照表(biao)

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(can)數，我們還(huan)需要設定一(yi)些參(can)數，就(jiu)可以進入下一(yi)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(zhe)些(xie)參數以(yi)(yi)后，我(wo)們(men)就可以(yi)(yi)計算得(de)到(dao)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

這里的4是一個經驗值，當然也是我自己(ji)獨家的經驗。至于推(tui)導，不(bu)用那么麻煩，看下面的圖，你就明白了(le)，下面是DCM時的(de)電(dian)流波形；至于CCM加(jia)一個平臺，自己可以推導(dao)，很(hen)簡(jian)單(dan)。

到此最重要(yao)的一(yi)步原邊電感(gan)量(liang)已(yi)經求出，對于漏感(gan)及氣隙，我不建議各位再去計(ji)算和(he)驗證。

漏感Lleakage<5%*Lp

上面計算(suan)了變(bian)壓器的電感量，現在(zai)我們還需要(yao)得到相應的匝數才(cai)可以(yi)完(wan)成整個變(bian)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(dou)是(shi)已知(zhi)量70kHz，0.45代入(ru)上式可(ke)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（這里的(de)數是(shi)一定要取整(zheng)(zheng)的(de)，而且(qie)是(shi)進(jin)位取整(zheng)(zheng)，我們(men)變壓器不(bu)可能只繞半(ban)圈或其(qi)它(ta)非整(zheng)(zheng)數圈）

3）計算變壓器12V主(zhu)輸(shu)出(chu)(chu)的(de)匝數(shu)輸(shu)出(chu)(chu)電壓（Vo）：

12Vdc整流管壓降(jiang)（Vd）：0.7

Vdc繞組壓降（Vs）：0.5

Vdc原邊(bian)匝伏比（K）=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55輸出匝數（Ns）=（輸出電(dian)壓(ya)（Vo）+整流管(guan)壓降(jiang)（Vd）+繞(rao)組壓降（Vs））/原(yuan)邊匝伏(fu)比（K）=（12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc）/2.55=6T（已取整）

4）計算變壓器輔助繞組(zu)（auxturning）輸出的匝數(shu)計(ji)算(suan)方法與12V主(zhu)繞組輸(shu)出(chu)一樣因(yin)為STVIPer53DIP副邊反饋需低(di)于(yu)14.5Vdc，故選取12Vdc作為輔助電(dian)壓；Na=6T到這一步(bu)，我們(men)基本上就得出了(le)變壓器的主要(yao)參(can)數原邊繞組(zu)：47T原邊電感量：0.77mH漏感(gan)<5%*0.77mH=39uH12V輸出：6T輔助繞組：6T下一步我們只要(yao)將繞組的線徑股(gu)數腳位耐壓(ya)等安(an)規方面的要(yao)求(qiu)提出(chu)，就(jiu)可以發給變壓(ya)器廠去打樣了至(zhi)于(yu)氣(qi)隙的計算，以及(ji)返回驗(yan)證Dmax這些都是一些教科書上的(de)，不建(jian)議大家死(si)搬硬(ying)套，自己(ji)靈活一些。

上(shang)面計算出匝數以后，可以直(zhi)接(jie)確(que)定(ding)漆包線的粗細，不需要去進(jin)行(xing)復雜的計算。

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。這里，原邊電流比較小，可以直接選用φ0.25一股(gu)。輔助(zhu)繞組(zu)φ0.25一股。主輸(shu)出(chu)繞組(zu)φ0.4或0.5三股(gu)，不用選擇更粗(cu)的，否則(ze)繞制起來，漆包(bao)線(xian)的硬度會使操作(zuo)工(gong)人很難繞。

很多這一步“計算”過(guo)了(le)以后，還會返(fan)回計算以驗(yan)證變(bian)(bian)壓器的(de)窗口面積。個人認為(wei)返(fan)回驗(yan)證是(shi)多余的(de)，因(yin)為(wei)繞制不下的(de)話，打樣的(de)變(bian)(bian)壓器廠也(ye)會反饋給你，而你驗(yan)證通(tong)過(guo)的(de)，在實際中(zhong)也(ye)不一定(ding)會通(tong)過(guo)；畢竟(jing)與實際繞制過(guo)程中(zhong)的(de)熟練度(du)，及(ji)稀疏還是(shi)有很大(da)關(guan)系(xi)的(de)。

再下一步，需要確定輸入輸出的(de)電容(rong)的(de)大小，就可以進行(xing)布(bu)局和布(bu)板了。

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

輸出濾波電(dian)解電(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)相應的(de)應用環境來決定；電容(rong)不(bu)需要高頻，普(pu)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，加一個L，阻成CLC低通濾波器。

基本上到這里，PCB上(shang)需(xu)要外形確定的器(qi)件已經完成，即PCB封裝(zhuang)完成；下一(yi)步就可通(tong)過前面的原理圖（SCH）定義好器件(jian)封裝。

8、PCBLayout

上面已(yi)經(jing)確定變壓器(qi)，原理圖，以及電解電容，其它(ta)的基本上都(dou)是標準件(jian)了。

由sch生成網絡表，在PCBfile里(li)定義好板邊然后加載相應的封裝(zhuang)庫以后，可以直接導(dao)入(ru)網絡表，進行(xing)布(bu)局；因為這(zhe)個(ge)板相對比較簡(jian)單，也可以直接布(bu)板，導(dao)入(ru)網絡表是一(yi)個(ge)非常好的設計習(xi)慣(guan)。

PCBlayout重(zhong)(zhong)點(dian)不是(shi)怎么(me)連線，最重(zhong)(zhong)要的是(shi)如何布(bu)局；一(yi)般來說(shuo)布(bu)局OK的話，畫板就輕松多了。

在布(bu)局與布(bu)板(ban)方面：

1）RCD吸收部分(fen)與變壓器(qi)形成的(de)環面(mian)積盡量小；這(zhe)樣可以減小相應的(de)輻射和傳導(dao)。

2）地線盡量的短(duan)和寬大，保證相應的零電平(ping)有(you)利于基準的穩定(ding)；同時VIPER53DIP這(zhe)顆DIP-8的芯片散熱的重要通(tong)道。

3）在di/dtdv/dt變化比較大的(de)地方，盡量減小環(huan)路和加寬走線，降低(di)不必要的(de)電感特性

附上相應的圖，N久之(zhi)前(qian)的版(ban)本，可以改進的地方很(hen)多，各位自行參考：目(mu)前(qian)這一塊(kuai)板仍一直在生(sheng)產(chan)。

9、確定部分參數

我們前幾步已經計算了變壓器，PCBLayout完成以后，此時(shi)就可以確定變壓(ya)器的(de)同(tong)名(ming)端，完整的(de)定義變壓(ya)器，并發(fa)出(chu)去打(da)樣或自己繞制。

EER28/28L骨架(jia)是6+6

原邊：1->3輔助：6->5輸出：7，8，9->10，11，12

對于(yu)輸出的腳位，我們(men)可(ke)以用兩個(ge)，或者(zhe)全用上，看各(ge)位自己的選擇(ze)。

從原理圖及PCB圖上(shang)，1，6，7，8，9為(wei)同名(ming)端(duan)，自(zi)己繞制時，起線需從這幾(ji)個(ge)腳位起，同方向繞制。

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并剪腳

L1-3：0.77mH0.25V@1kHz漏(lou)感低于5%磁材：PC40或等同材質(zhi)

高壓：

原邊vs副邊：3750Vac@1mA1min無(wu)擊穿無(wu)飛弧

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA1min無擊穿無飛弧(hu)

阻抗：

原邊vs副(fu)邊/繞(rao)組vs磁芯：500Vdc阻(zu)抗>100M

備(bei)注：這里采(cai)用三文治(zhi)繞法，目的是為了降低漏(lou)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(he)變(bian)壓器發出去(qu)打樣了(le)，剩下就是(shi)確定更多的參數并備料。

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

snubbercircuit（RCD吸收）：R101-100k1WC101-103@1kV（高壓瓷(ci)片電容）

D105-FR107（選(xuan)600V的(de)超快恢(hui)復(fu)也(ye)可以(yi)）：

這部分可(ke)以(yi)計算(suan)，也可(ke)以(yi)直接選(xuan)用(yong)經典的參數，在調試時，再(zai)進行(xing)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(jin)快將電(dian)源里(li)器(qi)件整合，故選FR107）

R102：是一個分壓電阻，主要(yao)用來限制Vdd的電(dian)壓；0～100R范圍內(nei)選，調(diao)試時，根據具(ju)體情況調(diao)整

R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設定開(kai)關頻率的(de)，70kHz可查datasheet中的頻(pin)率設(she)定表，可知R103-10kC105-222

R103與C105組(zu)成一個RC網(wang)絡，用于設定VIPer53的工(gong)(gong)作(zuo)頻率(lv)，它的工(gong)(gong)作(zuo)頻率(lv)可以高達300kHz，不過(guo)在AC-DC里我(wo)不建(jian)議(yi)使(shi)用那么高的(de)頻率。在VIPer53 datasheet里有一(yi)個曲線(xian)，不過不是很方便，我將常用(yong)的頻率設(she)定表，整理(li)一(yi)下，貼(tie)出(chu)來大家(jia)參考。

8腳TOVL是一個延時(shi)保(bao)護(hu)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(shi)一個(ge)補償反饋(kui)腳，給出(chu)一組驗證過的參數：R104-1k

C104-47uF/50V（電(dian)解電(dian)容）C103-104這是一(yi)個(ge)一(yi)階慣(guan)性環節，在副(fu)邊反饋狀態下(xia)，以副(fu)邊反饋的(de)補償網絡為(wei)主，在失反饋此補償網絡才變為(wei)主網絡。

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

L201-10uH3A的工(gong)字電感，與E201E202形成一個低通濾波器，能(neng)更好(hao)地抑制紋波，可計(ji)(ji)算(suan)，在(zai)這里我不(bu)提倡來計(ji)(ji)算(suan)，可以根(gen)據調(diao)試中(zhong)所碰到的問題再來調(diao)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(guan)的壓降）/Imin（光耦發光二極管(guan)最小(xiao)擊穿電(dian)流）

保證R205的選(xuan)擇(ze)能(neng)夠在正常狀態下，有(you)效擊穿光(guang)耦內部(bu)的發光(guang)二極(ji)管。

R204R202-18k4.7k根據公(gong)式2.5V/R202=Vo/（R202+R204）可(ke)計算。

C202-104這個也可以到時根據實(shi)際情況來調整，不需要去用公(gong)式進行復(fu)雜的計算(suan)。

CY103-這個是Y電容可以選(xuan)222@400Vac，具體根據安規(gui)的耐壓來選取，都可以在(zai)后續(xu)的工作中進行(xing)調整。

10、調試過程

到(dao)以上(shang)部(bu)分，基本上(shang)一個電源(yuan)算是(shi)設(she)計完成，后面的就是(shi)焊板調(diao)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，電(dian)子(zi)負載(zai)

焊完板以后，進行靜態檢查，如果有LCR電橋的話，可以先測(ce)一下(xia)變壓器同名端，電感量等參數以后再焊接(jie)。

靜(jing)態(tai)檢查：主(zhu)要(yao)看有沒(mei)有虛(xu)焊，連錫等；靜(jing)態(tai)測(ce)試(shi)以后，可以用萬用表測(ce)一下(xia)輸入，輸出是否處于短路狀態(tai)；剩下(xia)就可以進行(xing)加(jia)電測(ce)試(shi)了。

開關電源的AC輸(shu)入接入調(diao)壓器，或者AC輸入接入功率計再接至調壓(ya)器，調壓(ya)器處于0Vac；示波器接(jie)在STVIPER53DIP的DS兩端或初級繞組兩端亦(yi)可，交流(liu)耦合(he)；萬用(yong)表電壓檔測(ce)輸出(chu)，并空(kong)載。

接通調壓器電(dian)源，開始(shi)升壓，不需(xu)要快速，同時觀看示波器。

從0Vac開始升(sheng)，會看(kan)到(dao)示波(bo)器(qi)上(shang)波(bo)形會有浮動（改成直流耦(ou)合會很清楚看(kan)到(dao)電(dian)壓(ya)在(zai)上(shang)升(sheng)）。當調(diao)壓(ya)器(qi)的電(dian)壓(ya)至40～60Vac區間(jian)時，如果(guo)示波(bo)器波(bo)形還沒有變(bian)化(hua)的話(hua)，退回0Vac，重(zhong)新(xin)檢查電源板。

一般空載狀態，在40～60Vac區間(jian)時，開關電源會開始(shi)工(gong)作，STVIPER53DIP也會進(jin)入工作模式，示波(bo)器(qi)上(shang)Vds波(bo)形會(hui)開始正常。

看輸出電壓是否達到預設值？未達到，退回0Vac檢查(cha)采樣(yang)，反饋及輸出(chu)回路(lu)。如果都OK的狀態下，再考慮將輸入電壓升(sheng)至220Vac。遵循以(yi)上(shang)步驟調試的話，不會出現爆片或炸機(ji)現象。

備注：示波器需要隔離，或只允許LN輸入，未隔(ge)離條(tiao)件下(xia)PE的(de)線不能接入，否則極易造(zao)成短路(lu)。

激動(dong)人心(xin)的一刻到了，人生的第一塊電源(yuan)就(jiu)要誕(dan)生了！

帶(dai)載(zai)還是建議(yi)一點一點地加，也監控著(zhu)示(shi)波器，這里就省去一步一步加載(zai)過程，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，保護電路等各種不確(que)定因素(su)的(de)(de)問題。等你真正(zheng)入門了，積累一定的(de)(de)經(jing)驗(yan)，再采(cai)用分立的(de)(de)結構進行設計(ji)就簡單(dan)多了，凡事先易后難才有進步。