一款寬范圍輸入隔離開關(guān)電源的設(shè)計

設(shè)計開關(guān)電源很多人覺得很難，其實不然。設(shè)計一款開關(guān)電源并不難，難就難在做精，等你真正入門了，積累一定的經(jīng)驗，再采用分立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計就簡單多了。本文將講解如何一步一步設(shè)計開關(guān)電源。

開關(guān)電源設(shè)計的第一步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過，今天我給大家簡單講下設(shè)計一款寬范圍輸入的隔離開關(guān)電源。

1、首先確定功率，根據(jù)具體要求來選擇相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這樣的一個開關(guān)電源一般選擇反激式（flyback）基本上可以滿足要求。在這里我會選擇用公式來計算，有需要分析的，可以拿出來再討論。

2、選擇相應(yīng)的PWMIC和MOS來進(jìn)行初步的電路原理圖設(shè)計

當(dāng)我們確定用flyback拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計以后，我們需要選擇相應(yīng)的PWMIC和MOS來進(jìn)行初步的電路原理圖設(shè)計（sch）。無論是選擇采用分立式還是集成的設(shè)計，對里面的計算我都會進(jìn)行分解。

分立式：PWMIC與MOS是分開的，這種優(yōu)點是功率可以自由搭配，缺點是設(shè)計和調(diào)試的周期會變長。

集成式：PWMIC與MOS集成在一個封裝里，省去設(shè)計者很多的計算和調(diào)試分步，適合于剛?cè)腴T或快速開發(fā)的環(huán)境。

3、做原理圖

確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖（sch）。

設(shè)計前最好都先看一下相應(yīng)的datasheet，確認(rèn)一下簡單的參數(shù)。無論是選用PI的集成、384x或OBLD等分立的設(shè)計，你都需要參考一下datasheet。一般datasheet里都會附有簡單的電路原理圖，這些原理圖是我們的設(shè)計依據(jù)。

4、確定相應(yīng)的參數(shù)

當(dāng)我們將原理圖完成以后，需要確定相應(yīng)的參數(shù)才能進(jìn)入下一步PCB Layout。當(dāng)然不同的公司各有不同的流程，我們需要遵守相應(yīng)的流程，養(yǎng)成一個良好的設(shè)計習(xí)慣。這一步可能會有初步評估、原理圖確認(rèn)，簽核完畢后就可以進(jìn)行計算了。

開關(guān)電源原理圖

5、確定開關(guān)頻率，選擇磁芯確定變壓器

芯片的頻率可以通過外部的RC來設(shè)定，工作頻率就等于開關(guān)頻率，這個外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計開關(guān)電源，也可以采取外同步功能。

一般AC-DC的變換器，工作頻率不宜設(shè)成超過100kHz，主要是開關(guān)電源的頻率過高以后，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更不利于EMC的通過性。頻率太高，相應(yīng)的di/dtdv/dt都會增加，除PI的132kHz工作頻率之外，大家可以多參考其它家的芯片，就會總結(jié)自己的經(jīng)驗出來。

對于磁芯的選擇，關(guān)鍵是在開關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)，更多的是經(jīng)驗選取。當(dāng)然計算的話，你需要得到更多的磁芯參數(shù)，包括磁材、居里溫度和頻率特性等等，這個是需要慢慢建立的。

6、設(shè)計變壓器進(jìn)行計算

我們根據(jù)輸入/輸出、開關(guān)頻率和所選磁芯參數(shù)，同時設(shè)置好效率、最大占空比、磁感應(yīng)強(qiáng)度變化等參數(shù)，就可以進(jìn)入下一步計算，得出功率、平均及峰值電壓電流、匝數(shù)和電感量。這里的輸入峰值電流，大約是輸入平均電流的4倍，這是個經(jīng)驗，也可以根據(jù)下圖來推導(dǎo)，很簡單的。

峰值電流與平均電流的關(guān)系

確認(rèn)匝數(shù)以后，直接確定漆包線的粗細(xì)，不需要去進(jìn)行復(fù)雜的計算。

線徑與常規(guī)電阻一樣，都是有定值的，記住幾種常用的定值線徑就可以。這里，原邊電流比較小，可以直接選用φ0.25一股。輔助繞組φ0.25一股。主輸出繞組φ0.4或0.5三股，不用選擇更粗的，否則繞制起來，漆包線的硬度會使操作工人很難繞。

很多人在這一步“計算”過了以后，還會做返回計算，以驗證變壓器的窗口面積。個人認(rèn)為返回驗證是多余的，因為繞制不下的話，打樣的變壓器廠也會反饋給你，而你驗證通過的，在實際中也不一定會通過；畢竟與實際繞制過程中的熟練度，及稀疏還是有很大關(guān)系的。

再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進(jìn)行布局和布板了。

7、輸入輸出電解電容計算

這里按照上步計算的輸入功率和輸出電流，最終確定電解電容的規(guī)格，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選取頻率和阻抗，電容Cin理論選值越大，對后級越好，但從成本考慮卻不會無限制選取大容量。

基本上到這里，PCB上需要外形確定的器件已經(jīng)完成，即PCB封裝完成；下一步就可通過原理圖（sch）定義好器件封裝。

8、PCB Layout

上面已經(jīng)確定變壓器，原理圖，以及電解電容，接下都是標(biāo)準(zhǔn)件了。

由sch生成網(wǎng)絡(luò)表，在PCBfile里定義好板邊然后加載相應(yīng)的封裝庫以后，可以直接導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，進(jìn)行布局；因為這個板相對比較簡單，也可以直接布板，但導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表是一個非常好的設(shè)計習(xí)慣。

PCB layout重點不是怎么連線，最重要的是如何布局；一般來說布局OK的話，畫板就輕松多了。

在布局與布板方面：

1）RCD吸收部分與變壓器形成的環(huán)面積應(yīng)盡量??；這樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)。

2）地線應(yīng)盡量的短和寬大，保證相應(yīng)的零電平有利于基準(zhǔn)的穩(wěn)定。

3）在di/dtdv/dt變化比較大的地方，盡量減小環(huán)路和加寬走線，降低不必要的電感特性。

PCB布局圖

9、確定部分參數(shù)

我們前幾步已經(jīng)計算了變壓器。PCB Layout完成以后，就可以確定變壓器的同名端，完整地定義變壓器，并發(fā)出去打樣或自己繞制。

10、調(diào)試過程

完成了以上部分，基本上一個電源算是設(shè)計完成，后面的就是焊板調(diào)試過程。

調(diào)試所需要的簡單設(shè)備：調(diào)壓器，示波器，萬用表；輔助設(shè)備：功率計，LCR電橋和電子負(fù)載。

焊完板以后，進(jìn)行靜態(tài)檢查，如果有LCR電橋的話，可以先測一下變壓器同名端，電感量等參數(shù)以后再焊接。

靜態(tài)檢查：主要看有沒有虛焊，連錫等；靜態(tài)測試以后，可以用萬用表測一下輸入、輸出是否處于短路狀態(tài)；剩下就可以進(jìn)行加電測試了。

電子元器件安裝完成

其實開關(guān)電源入門很簡單，最好的入門是選用單片的結(jié)構(gòu)，畢竟省去了啟動電阻，電流檢測電阻，MOS及驅(qū)動，保護(hù)電路等各種不確定因素的問題。等你真正入門了，積累一定的經(jīng)驗，再采用分立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計就簡單多了，凡事先易后難才有進(jìn)步。

開關(guān)電源是一切電子設(shè)備的心臟，哪里有電器哪里就有“開關(guān)電源”，在硬件行業(yè)中有著非常重要的地位。