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如今的电子电路设计当中，已经开始大量使用开关电源。因为这种技术能够控制开关管开通和关断时间的比率，也就能对电流进行控制。但是很多新人对开关电源技术却望而却步，觉得学习起来比较困难，不知从何开始。本篇文章就针对此类问题对开关电源的整体设计流程进行了梳理性的讲解，方便新手们系统性的学习。 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，设计开关电源的第一步就是需要对规格进行确认，这里就以一款宽范围输入的12V2A常规隔离开关电源为例。首先我们要确定功率，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通常会选择反激式(flyback)，基本上可以满足要求。 在决定使用flyback拓扑来完成设计之后。就有必要选择相应的PWM IC与MOS来对初始的电路原理图进行设计(sch)。无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。 在这里对两种模式进行一下分析 分立式：PWM IC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PWM IC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。 在确定了使用哪一款芯片之后，我们就可以着手来制作原理图了。在本文中我们选用了ST VIPer53DIP(集成了MOS)来进行设计。设计之前最好都先看一下相应的datasheet，对初始的一些参数进行确认。 需要注意的是，无论设计开关电源时选用的是PI集成还是84x系列、OB系列、LD系列等分立，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。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PCB Layout。 最重要的是，不同的公司会有不同的流程。我们在进行设计时要遵照相应的流程，以便养成良好的习惯。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 需要启动电阻的，因为这颗片子里已经集成了一个高压启动电流源如下图： 当然针对UC384X 等需要启动电阻的芯片来说，计算启动电阻阻值的话，也可以这样： Rstart=(Vin(min)- Vdd)/Istart Rstart: 启动电阻。 Vin(min): 输入最低直流电压。 Vdd: 芯片的供电电压。 Istart: 芯片的启动电流。 顺便我们在这里模拟一个故障情景，如果由于故障的原因，R205长期处于断开状态，那么会出现什么样的后果? R205断开或光耦拆掉(相当于副边失反馈)，电源依然会正常工作，此时进入原边反馈模式PSR，参考框图部分Vdd引脚的中间那个运放，此时会与COMP脚上的一阶惯性环节形成稳定的PWM控制系统。 参考电路图如下： 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0KHz，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AC-DC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。如果频率太高，相应的di/dt、dv/dt都会增加，除PI 132kHz的工作频率之外，大家可以多参考其它家的芯片，就会总结出关于芯片选择的经验，在开关频率和功率的基础当中，经验选取尤为重要。当然计算的话，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。20W~40W 范围内EE25、EER25、EER28、EFD25、EFD30等均都可以。 加入频率调制，就是在正常的工作频率里添加周期的中低频波，在EMC测试时，用于平均峰值达到降低EMC的作用，再直白一点就是频率抖动。 EMC难过与否，主要还是取决于电路当中的di/dt、dv/dt的变化，针对分立的可能要调试的会有很多。但针对那些集成Power MOS的单芯片来说就要容易许多，内部的驱动，电流检测，MOS的匹配等都是半导体厂优化好的，不需要担心太多。 总的来说：频率调制(或频率抖动)对电源来说，弊大于利。毕竟正常的工作频率里迭加其它频率进去，对电源本身稳定性等性能还是有所下降的，它只是针对EMC设备，平均了峰值起到一个欺骗的作用。 下图是VIPer53开关电源频率RC设定表，具体也可以参考datasheet里的特性曲线进行设定。 磁芯与传输功率对照表 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，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。 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=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) =770 uH 到此最重要的一步原边电感量已经求出，对于漏感及气隙，不建议再去计算和验证。 漏感Lleakage<5%*Lp 也许有人会好奇，输入峰值电流Ipeak=4*Iav=1A中的4是怎么来的? 这里的4是一个经验值。至于推导，不用那么麻烦，可以通过下面的图来进行解释，下面是DCM时的电流波形。至于CCM加一个平台，可以自行推导，很简单。 经过上面的计算，得到了变压器的电感量。有了它，就需要相应的匝数才能够使变压器正常的工作。 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 计算变压器初级匝数 Np=Vin(min)*Ton/(ΔB×Ae)=120Vdc*6.43us/(0.2 *82mm2)=47 T(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) 计算变压器12V主输出的匝数输出电压(Vo): 12 Vdc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=120 Vdc/47 T=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)=(12 Vdc 0.7Vdc 0.5Vdc)/2.55=6T(已取整)。 计算变压器辅助绕组(aux turning) 输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样。因为ST VIPer53DIP副边反馈需低于14.5 Vdc，故选取12 Vdc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，不建议死搬硬套。 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。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。 很多人在经过这一步计算后，还会返回计算以验证变压器的窗口面积。实际上，经过实践之后，证明返回验证是多余的。因为一旦绕制不下，变压器厂会及时进行反馈。而验证通过的，在实际中也不一定会通过。因为实际绕制过程中的熟练度，及稀疏还是起到很大的影响作用的。 再下一步，需要确定输入输出的电容的大小，就可以进行布局及布板。 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=45～90 uF。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，组成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。 PCB Layout 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PCB file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。PCB layout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，RCD吸收部分与变压器形成的环面积要尽量小，这样可以减小相应的辐射和传导。 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，应该放在di/dt、dv/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。 附上一个老版本的图，虽然可以改进的地方很多，但是目前仍旧在生产，供大家自行参考。 PCB Layout 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，根据情况选择。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: 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于5% 磁材：PC40或等同材质。 高压： 原边vs副边：3750Vac@1mA 1min，无击穿无飞弧。 副边vs磁芯：1500Vac@1mA 1min，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。接下来就可以将 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。 snubber circuit(RCD 吸收) ：R101-100k 1W C101 - 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范围内进行选择，调试时，根据具体情况调整。 R103、C105: 这部分是ST VIPER53DIP设定开关频率的，70kHz可查datasheet中的频率设定表，可知R103-10k C105–222。 8脚TOVL是一个延时保护，此处可以直接选104具体参数，根据应用来调整这个值。 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E201 E202形成一个低通滤波器，能更好地抑制纹波。虽然可计算，但是不提倡来计算，可以根据调试中所碰到的问题再来调整。 IC201-TL431 TO92封装，ref-2.5V。 R205-1k ：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。 R204 R202-18k 4.7k ：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。 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ST VIPER53DIP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，ST VIPER53DIP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，如果未达到，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。 至此，我们将开关电源设计当中涉及的全部过程进行了分析和讲解。实际上开关电源是一种非常简单的入门级别技术，最简单的开关电源是采用单片机来进行设计的。为什么这么说呢?因为这种电路省去了启动电阻，电流检测电阻，MOS及驱动，保护电路这一系列的不确定因素。所以是非常适合新手来进行练习的。 到在逐渐累积经验达到入门级别之后，再去接触采用分立的结构设计就简单多了。在学习的过程当中，不妨先从简单的入手，逐步过渡到较难的设计，这样才能取得进步 |
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