详解一步一步设计开关电源.docx

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详解一步一步设计开关电源

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，也可以提出來供大家参考，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

根据具体要求來选择相应的拓扑结构：

这样的一个开关电源名选择反激式（flyback）本上可以满足要求。

在这里我会更多的选择是经验公式來计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论。

当我们确定用flyback拓扑进行设计以后，我们盂要选择相应的PWMIC和MOS來进行初步的电路原理图设计（sch）o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M0S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datasheet0一般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PCBLayouto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。

原理图：

12V-2A

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TOKHz,芯片的频率可以通过外部的RC來设定，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。

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。

20W~40W范围内EE25EER25EER28EFD25EFD3O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,EE1O,EE13,RM4,GU11,EP7,EPIO,UI9.8,URS7

5-10W可使用的磁芯：

ER20,EE19,RM5,GUI4,EFD15,EI22,EPC13,EF16,EP13,UI11.5

10-20W可使用的磁芯：

ER25,EE2O,EE25,RM6,GUI8,EPC17,EF2O

20-50W可使用的磁芯：

ER28,ETD28,EI28,EE28,EE3O,EF25,RM8,GU22,

PQ2O,EPC19,EFD2O

50-100W可使用的磁芯：

ER35,ETD34,EE35,EI35,EF30,RM10,GU30,PQ26,EPC25,EFD25

100-200W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

磁芯尺寸输岀功率对腮表

Amax（mm）

Bmax（mm）

Cmax（mm）

Ae（mm2）

性R0岀功于（W）

50kHz

100kHz

2OOkHz

0（E>.22

22.9

19.5

6.0

42

20

30

40

EKE）-25

25.9

18.7

7.0

41

30

60

90

ERE>.28

28.7

20.8

10.8

85

60

90

130

E1（E>-3O

30.7

27.2

11.0

111

95

130

200

B

35.9

294

10.3

101

120

179

2S0

EI（EM0

40.9

35.3

12.0

148

190

290

440

EREH5O

51.2

43.0

15.0

230

300

440

650

ei（E>-eo

•1.4

4S.0

16.0

247

360

:

ISO土

£8

6、设计变压器进行计算

输入input:

85"*265Vac

输出。

utput:

12V2A

开关频率Fsw：

70kHz

磁芯core：

EER28/28L

磁芯参数：

Ae82mm2

以上均是己知参数，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n=80%

最大占空比：

Dmax二0.45

磁感应强度变化：

AB=0.2

有了这些参数以后，我们就可以计算得到匝数和电感星。

输出功率Po=12V*2A=24W

输入功率Pin=Po/q=24W/0.8二30W

输入最低电压Vin（min）=Vac（min）*sqr

（2）=85Vac*l.414=120Vdc

输入最高电压Vin（max）=Vac（max）*sqr

（2）=265Vac*l.414=375Vdc输入半均电流Iav=Pin/Vin（min）=30W/120Vdc=0.25A

输入峰值电流Ipeak二4*lav二1A

原边电感量Lp=Vin（min）*Dmax/仃peak*Fsw）二120Vdc*0.45/（lA*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。

峰值电流与平均电流

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

上面计算了变斥器的电感量，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都是己知量70kHz,0.45代入上式可得Ton=6.43us

计算变压器初级匝数Np=Vin（min）*Ton/（ABXAe）=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）：

0.7

Vdc绕组压降（Vs）：

0.5

Vdc原边匝伏比（K）=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55输出匝数（Ns）=（输出电床（Vo）+整流管压降（Vd）+绕组压降（Vs））/原边匝伏比（K）=（12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc）/2.55二6T（已取整）

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作为辅助电圧：

Na二6T到这一步，我们基本上就得出了变床器的主要参数原边绕组：

47T原边电感量:

0.77mH漏感<5%*0.77mH=39uH12V输出：

6T辅助绕组：

6T下一步我们只要将绕组的线径股数脚位耐压等安规方而的要求提出，就可以发给变压器厂去打样了至于气隙的计算，以及返回验证Dmax这些都是一些教科书上的，不建议大家死搬硬套，自己灵活一些。

上面计算出匝数以后，可以直接确定漆包线的粗细，不需要去进行复杂的计

算。

线径与常规电阻一样，都是有定值的，记住儿种常用的定值线径。

这里，原边电流比较小，可以直接选用＜p0.25一股。

辅助绕组（P0.25一股。

主输出绕组屮0.4或0.5三股，不用选择更粗的，否则绕制起来，漆包线的硬度会使操作工人很难绕。

很多这一步"计算"过了以后，还会返回计算以验证变压器的窗口而积。

个人认为返回验证是多余的，因为绕制不下的话，打样的变压器厂也会反馈给你，而你验证通过的，在实际中也不一定会通过：

毕竟与实际绕制过程中的熟练度，及稀疏还是有很大关系的。

再下一步，需要确定输入输出的电容的大小，就可以进行布局和布板了。

7、输入输出电解电容计算

输入滤波电解电容

Cin=（1.5"3）*Pin

输岀滤波电解电容

Cout=（200^300）*Io

上面我们计算出输入功率30W

所以Cin=45〜90uF

从理论上来说，这个值选的越大，对后级就越好；从成本上考虑，我们不会无限制的去选取大容量。

此处选值47uF/400Vdc85°C或105°C根据相应的应用环境来决定；电容不需要高频，普通低阻抗的就可以了。

输出电流是2A：

Cout=400〜600uF

此处电容需要适应高频低阻的特性，这个值也可以选值变大，但前提必须是在反馈环内。

因为是闭环精度控制，故取值470uF/16Vdc

这里电源就可以选两颗470uF/16Vdc,加一个L,阻成CLC低通滤波器。

基本上到这里，PCB上需要外形确定的器件已经完成，即PCB封装完成：

下一步就可通过前面的原理图（SCH）定义好器件封装。

8、PCBLayout布线

上面己经确定变床器，原理图，以及电解电容，其它的基本上都是标准件了。

由sch生成网络表，在PCBf订e里定义好板边然后加载相应的封装库以后，可以直接导入网络表，进行布局；因为这个板相对比较简单，也可以直接布板，导入网络表是一个非常好的设计习惯。

PCBlayout重点不是怎么连线，最重要的是如何布局；一般来说布局0K的话，画板就轻松多了。

在布局与布板方而：

1）RCD吸收部分与变压器形成的环面积尽最小；这样可以减小相应的辐射和传导。

2）地线尽量的短和宽大，保证相应的零电半有利于基准的稳定；同时VIPER53DIP这颗DIP-8的芯片散热的重要通道。

3）在di/dtdv/dt变化比较大的地方，尽量减小环路和加宽走线，降低不必要的电感特性

附上相应的图，N久之前的版本，可以改进的地方很多，各位自行参考：

目

前这一块板仍一直在生产。

PCB布局

PCB布线图

9、确定部分参数

我们前几步己经计算了变压器，PCBLayout完成以后，此时就可以确定变压器的同需端,完整的定义变压器，并发岀去打样或自己绕制。

EER28/28L骨架是6+6

原边：

1->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：

（p0.25xlx24T

7->10：

90.50x2x6T

8->11：

（p0.50x2x6T

9->12：

2->3：

（p0.25xlx23T

6->5：

（p0.25xlx6T

2,4并剪脚

LI-3：

0.77mH0.25V@lkHz漏感低于5%磁材：

PC40或等同材质

髙压：

原边vs副边：

3750Vac@lmAlmin无击穿无飞弧

副边vs磁芯：

1500Vac@lmAlmin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。

D101〜D104：

Iav=0.25A选1N4007（1000V@lA）当然选600V的也没有问题snubbercircuit（RCD吸收）:

R101-lOOklWCl01-10301kV（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，再进行继续來检验

D201：

MBR10100

耐压：

>Vo+Vin（max）*Ns/Np=12V+375Vdc*5/47=60V

D106：

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，主要用來限制Vdd的电压；0〜100R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datasheet中的频率设定表，可知R103-10kC105-222

R103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，贴出來大家参考。

频率设定参数表

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-lk

C104-47uF/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，在失反馈此补偿网络才变为主网络。

IC102-选用PC817C就0K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，在这里我不提侣來计算，可以根据调试中所碰到的问题再來调整。

IC201-TL431T092封装，ref-2.5V

R205-lk这个值的计^>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222@400Vac,具体根据安规的耐斥来选取，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（必需的人调压器，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，可以先测一下变圧器同名端，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；劭态测试以后，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。

电源元器件安装完成

开关电源的AC输入接入调圧器，或者AC输入接入功率11再接至调斥器，调压器处于OVac：

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，同吋观看示波器。

从OVac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床在上升）。

当调床器的电床至40〜60Vac[X间时，如果示波器波形还没有变化的话，退回OVac,重新检査电源板。

一般空载状态，在40〜60Vac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。

看输岀电床是否达到预设值？

未达到，iUMOVac检査采样，反馈及输出回路。

如果都0K的状态下，再考虑将输入电压升至220Vaco遵循以上步骤调试的话，不会出现爆片或炸机现象。

备注：

示波器需要隔离，或只允许LN输入，未隔离条件下PE的线不能接入,否则极易造成短路。

激动人心的一刻到了，人生的第一块电源就要诞生了！

准备通电调试

呦西，输入加到30V时电源成功启动!

输入调到AC90V开始测调电源

输入电压拉到额定输入

进入肖能炭式•茫帘

带载还是建议一点一点地加，也监控着示波器，这里就省去一步一步加载过程，直接上手了

最后总结：

其实开关电源入门很简单，最好的入门是选用单片的，毕竟省去了启动电阻,电流检测电阻，MOS及驱动，保护电路等各种不确定因素的问题。

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，凡事先易后难才有进步。