开关电源的设计步骤.docx

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开关电源的设计步骤

开关电源的设计步骤

【开篇】

针对开关电源很多人觉得难，主要是理论与实践相结合；万事开头难，我在这里只能算抛砖引玉，慢慢讲解如何设计，有任何技术问题可以随时打断，我将尽力来进行解答。

设计一款开关电源并不难，难就难在做精；我也不是一个很精熟的工程师，只能算一个领路人。

希望大家喜欢大家一起努力!

!

【第一步】

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。

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

备注一个，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

【第二步】

2.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

集成式，多是指PWMcontroller和powerswitch集成在一起的芯片

不限定于是PSR还是SSR

【第三步】

3.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，原因为何（因为我们是销售这一颗芯片的）？

设计之前最好都先看一下相应的datasheet，自己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

【第四步】

4.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

一般有芯片厂家提供相关资料

【第五步】

5.确定开关频率，选择磁芯确定变压器

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。

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EE25EER25EER28 EFD25EFD30等均都可以

【第六步】

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

磁感应强度变化：

有了这些参数以后，我们就可以计算得到匝数和电感量

计算开始

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

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

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

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

    Vdc绕组压降

      Vdc原边匝伏比（K）=Vi_min/Np=120Vdc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<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面的要求提出，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。

【第七步】

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。

【第八步】

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

【第九部】

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

【第十步】

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

【第十一部】

10.调试过程（续1）

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