来源:电子工程专辑

开关电源设计的第一步就是看规格,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。

2.选择相应的PWMIC和MOS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。

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。

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。20W~40W范围内EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30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,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=12V2A=24W
输入功率Pin=Po/η=24W/0.8=30W
输入最低电压Vin(min)=Vac(min)
sqr(2)=85Vac1.414=120Vdc
输入最高电压Vin(max)=Vac(max)
sqr(2)=265Vac1.414=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/(IpeakFsw)=120Vdc0.45/(1A70K)=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<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Ton=6.43us

2)计算变压器初级匝数Np=Vin(min)Ton/(ΔB×Ae)=120Vdc6.43us/(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<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。

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+375Vdc6/47=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。