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。

 

在这里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、选择相应的 PWMICMOS 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。

 

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,URS7

5-10W 可使用的磁芯:

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

 

10-20W 可使用的磁芯:

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:

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:85~265Vac

输出 output:12V2A

开关频率 Fsw:70kHz

磁芯 core:EER28/28L

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η=80%

最大占空比:Dmax=0.45

磁感应强度变化:ΔB=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/η=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*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 Lleakage<>

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。

 

1)计算导通时间 Ton 周期时间

T=Ton+Toff=1/FswTon=T*DmaxFsw,Dmax 都是已知量 70kHz,0.45 代入上式可得 Ton=6.43us

 

2)计算变压器初级匝数

Np=Vin(min)*Ton/(ΔB×Ae)=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)

 

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<>

 

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,记住几种常用的定值线径。这里,原边电流比较小,可以直接选用φ0.25 一股。辅助绕组φ0.25 一股。主输出绕组φ0.4 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面积。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

 

输出滤波电解电容

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℃或 105℃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

上面已经确定变压器,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 PCBfile 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 OK 的话,画板就轻松多了。

 

在布局与布板方面:

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

 

2)地线尽量的短和宽大,保证相应的零电平有利于基准的稳定;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。

 

 

 

9、确定部分参数

我们前几步已经计算了变压器,PCBLayout 完成以后,此时就可以确定变压器的同名端,完整的定义变压器,并发出去打样或自己绕制。

 

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:φ0.25x1x24T


7->10:φ0.50x2x6T


8->11:φ0.50x2x6T


9->12:φ0.50x2x6T


2->3:φ0.25x1x23T


6->5:φ0.25x1x6T


2,4 并剪脚

L1-3:0.77mH0.25V@1kHz 漏感低于 5%磁材:PC40 或等同材质


高压:

原边 vs 副边:3750Vac@1mA1min 无击穿无飞弧


副边 vs 磁芯:1500Vac@1mA1min 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@1A)当然选 600V 的也没有问题


snubbercircuit(RCD 吸收):R101-100k1WC101-103@1kV(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=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,主要用来限制 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:R104-1k

 


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 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-2.5V

 

R205-1k 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 40~60Vac 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 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 220Vac。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!

 

 

 

 

 

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。