詳解開關(guān)電源設(shè)計(jì)、布局及調(diào)試全過程

針對(duì)開關(guān)電源很多人覺得很難，其實(shí)不然。設(shè)計(jì)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(yàn)，再采用分立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)單多了。萬事開頭難，筆者在這就拋磚引玉，慢慢講解如何一步一步設(shè)計(jì)開關(guān)電源。

開關(guān)電源設(shè)計(jì)的第一步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過，也可以提出來供大家參考，我?guī)兔Ψ治觥?/span>

在這里只帶大家設(shè)計(jì)一款寬范圍輸入的，12V2A的常規(guī)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(gè)開關(guān)電源多選擇反激式(flyback)基本上可以滿足要求。在這里我會(huì)更多的選擇是經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)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(jì)

當(dāng)我們確定用flyback拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)(sch)。無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對(duì)里面的計(jì)算我還會(huì)進(jìn)行分解。

分立式：PWMIC與MOS是分開的，這種優(yōu)點(diǎn)是功率可以自由搭配，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和調(diào)試的周期會(huì)變長(zhǎng)（僅從設(shè)計(jì)角度來說）；集成式：就是將PWMIC與MOS集成在一個(gè)封裝里，省去設(shè)計(jì)者很多的計(jì)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)，在這里我選用STVIPer53DIP(集成了MOS)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)前最好都先看一下相應(yīng)的datasheet，確認(rèn)一下簡(jiǎn)單的參數(shù)。無論是選用PI的集成，或384x或OBLD等分立的都需要參考一下datasheet。一般datasheet里都會(huì)附有簡(jiǎn)單的電路原理圖，這些原理圖是我們的設(shè)計(jì)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PCBLayout。當(dāng)然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應(yīng)的流程，養(yǎng)成一個(gè)良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，這一步可能會(huì)有初步評(píng)估，原理圖確認(rèn)，等等，簽核完畢后就可以進(jìn)行計(jì)算了。

先附上相應(yīng)的原理圖。

5、確定開關(guān)頻率，選擇磁芯確定變壓器

這里確定芯片工作頻率為70KHz，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(gè)外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計(jì)開關(guān)電源，也可以采取外同步功能。與UC384X功能相近。

變壓器磁芯為EER28/28L。

一般AC2DC的變換器，工作頻率不宜設(shè)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(huì)增加，除PI132kHz的工作頻率之外，大家可以多參考其它家的芯片，就會(huì)總結(jié)自己的經(jīng)驗(yàn)出來。

對(duì)于磁芯的選擇，是在開關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)，更多的是經(jīng)驗(yàn)選取。當(dāng)然計(jì)算的話，你需要得到更多的磁芯參數(shù)，包括磁材，居里溫度，頻率特性等等，這個(gè)是需要慢慢建立的。

關(guān)于變壓器磁芯的選擇

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

磁芯與傳輸功率對(duì)照表

6、設(shè)計(jì)變壓器進(jìn)行計(jì)算

輸入input：85~265Vac

輸出output：12V2A

開關(guān)頻率Fsw：70kHz

磁芯core：EER28/28L

磁芯參數(shù)：Ae82mm2

以上均是已知參數(shù)，我們還需要設(shè)定一些參數(shù)，就可以進(jìn)入下一步計(jì)算。

設(shè)定參數(shù)：

效率η=80%

最大占空比：Dmax=0.45

磁感應(yīng)強(qiáng)度變化：ΔB=0.2

有了這些參數(shù)以后，我們就可以計(jì)算得到匝數(shù)和電感量。

輸出功率Po=12V*2A=24W

輸入功率Pin=Po/η=24W/0.8=30W

輸入最低電壓Vin(min)=Vac(min)*sqr(2)=85Vac*1.414=120Vdc

輸入最高電壓Vin(max)=Vac(max)*sqr(2)=265Vac*1.414=375Vdc

輸入平均電流Iav=Pin/Vin(min)=30W/120Vdc=0.25A

輸入峰值電流Ipeak=4*Iav=1A

原邊電感量

Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipeak*Fsw)=120Vdc*0.45/(1A*70K)=770uH

這里的4是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)然也是我自己獨(dú)家的經(jīng)驗(yàn)。至于推導(dǎo)，不用那么麻煩，看下面的圖，你就明白了，下面是DCM時(shí)的電流波形;至于CCM加一個(gè)平臺(tái)，自己可以推導(dǎo)，很簡(jiǎn)單。

到此最重要的一步原邊電感量已經(jīng)求出，對(duì)于漏感及氣隙，我不建議各位再去計(jì)算和驗(yàn)證。

漏感Lleakage<>

上面計(jì)算了變壓器的電感量，現(xiàn)在我們還需要得到相應(yīng)的匝數(shù)才可以完成整個(gè)變壓器的工作。

1）計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間Ton周期時(shí)間

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）計(jì)算變壓器初級(jí)匝數(shù)

Np=Vin(min)*Ton/(ΔB×Ae)=120Vdc*6.43us/(0.2*82mm2)=47T（這里的數(shù)是一定要取整的，而且是進(jìn)位取整，我們變壓器不可能只繞半圈或其它非整數(shù)圈）

3）計(jì)算變壓器12V主輸出的匝數(shù)輸出電壓(Vo)：

12Vdc整流管壓降(Vd)：0.7

Vdc繞組壓降(Vs)：0.5

Vdc原邊匝伏比(K)=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55輸出匝數(shù)(Ns)=(輸出電壓(Vo)+整流管壓降(Vd)+繞組壓降(Vs))/原邊匝伏比(K)=(12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc)/2.55=6T(已取整)

4）計(jì)算變壓器輔助繞組(auxturning)輸出的匝數(shù)計(jì)算方法與12V主繞組輸出一樣因?yàn)镾TVIPer53DIP副邊反饋需低于14.5Vdc，故選取12Vdc作為輔助電壓；Na=6T到這一步，我們基本上就得出了變壓器的主要參數(shù)原邊繞組：47T原邊電感量：0.77mH漏感<>

上面計(jì)算出匝數(shù)以后，可以直接確定漆包線的粗細(xì)，不需要去進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)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。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(huì)使操作工人很難繞。

很多這一步'計(jì)算'過了以后，還會(huì)返回計(jì)算以驗(yàn)證變壓器的窗口面積。個(gè)人認(rèn)為返回驗(yàn)證是多余的，因?yàn)槔@制不下的話，打樣的變壓器廠也會(huì)反饋給你，而你驗(yàn)證通過的，在實(shí)際中也不一定會(huì)通過；畢竟與實(shí)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(jì)算

輸入濾波電解電容

Cin=(1.5~3)*Pin

輸出濾波電解電容

Cout=(200~300)*Io

上面我們計(jì)算出輸入功率30W

所以Cin=45～90uF

從理論上來說，這個(gè)值選的越大，對(duì)后級(jí)就越好；從成本上考慮，我們不會(huì)無限制的去選取大容量。此處選值47uF/400Vdc85℃或105℃根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境來決定；電容不需要高頻，普通低阻抗的就可以了。

輸出電流是2A；

Cout=400～600uF

此處電容需要適應(yīng)高頻低阻的特性，這個(gè)值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內(nèi)。因?yàn)槭情]環(huán)精度控制，故取值470uF/16Vdc

這里電源就可以選兩顆470uF/16Vdc，加一個(gè)L，阻成CLC低通濾波器。

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；下一步就可通過前面的原理圖(SCH)定義好器件封裝。

8、PCBLayout

上面已經(jīng)確定變壓器，原理圖，以及電解電容，其它的基本上都是標(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(kù)以后，可以直接導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，進(jìn)行布局；因?yàn)檫@個(gè)板相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也可以直接布板，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

PCBlayout重點(diǎn)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)面積盡量?。贿@樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)。

2)地線盡量的短和寬大，保證相應(yīng)的零電平有利于基準(zhǔn)的穩(wěn)定；同時(shí)VIPER53DIP這顆DIP-8的芯片散熱的重要通道。

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。

附上相應(yīng)的圖，N久之前的版本，可以改進(jìn)的地方很多，各位自行參考：目前這一塊板仍一直在生產(chǎn)。

9、確定部分參數(shù)

我們前幾步已經(jīng)計(jì)算了變壓器，PCBLayout完成以后，此時(shí)就可以確定變壓器的同名端,完整的定義變壓器，并發(fā)出去打樣或自己繞制。

EER28/28L骨架是6+6

原邊：1->3輔助：6->5輸出：7，8，9->10，11，12

對(duì)于輸出的腳位，我們可以用兩個(gè)，或者全用上，看各位自己的選擇。

從原理圖及PCB圖上，1，6，7，8，9為同名端，自己繞制時(shí)，起線需從這幾個(gè)腳位起，同方向繞制。

變壓器正式定義：

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并剪腳

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

高壓：

原邊vs副邊：3750Vac@1mA1min無擊穿無飛弧

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA1min無擊穿無飛弧

阻抗：

原邊vs副邊/繞組vs磁芯：500Vdc阻抗>100M

備注：這里采用三文治繞法，目的是為了降低漏感。

輸出所有腳位全用上，目的是不浪費(fèi)，同時(shí)降低輸出繞組的內(nèi)部阻抗?？梢詫CB和變壓器發(fā)出去打樣了，剩下就是確定更多的參數(shù)并備料。

D101～D104：Iav=0.25A選1N4007（1000V@1A）當(dāng)然選600V的也沒有問題

snubbercircuit(RCD吸收)：R101-100k1WC101-103@1kV（高壓瓷片電容）

D105-FR107(選600V的超快恢復(fù)也可以)：

這部分可以計(jì)算，也可以直接選用經(jīng)典的參數(shù)，在調(diào)試時(shí)，再進(jìn)行繼續(xù)來檢驗(yàn)。

D201：MBR10100

耐壓：>Vo+Vin(max)*Ns/Np=12V+375Vdc*6/47=60V

D106：FR107（耐壓計(jì)算同上，選FR101亦可，盡快將電源里器件整合，故選FR107）

R102：是一個(gè)分壓電阻，主要用來限制Vdd的電壓；0～100R范圍內(nèi)選，調(diào)試時(shí)，根據(jù)具體情況調(diào)整

R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設(shè)定開關(guān)頻率的，70kHz可查datasheet中的頻率設(shè)定表，可知R103-10kC105-222

R103與C105組成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)定VIPer53的工作頻率，它的工作頻率可以高達(dá)300kHz，不過在AC-DC里我不建議使用那么高的頻率。在VIPer53datasheet里有一個(gè)曲線，不過不是很方便，我將常用的頻率設(shè)定表，整理一下，貼出來大家參考。

8腳TOVL是一個(gè)延時(shí)保護(hù)的，此處可以直接選104具體參數(shù)，根據(jù)應(yīng)用時(shí)，來調(diào)整這個(gè)值。

1腳comp是一個(gè)補(bǔ)償反饋腳，給出一組驗(yàn)證過的參數(shù)：R104-1k

C104-47uF/50V(電解電容)C103-104這是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為主，在失反饋此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才變?yōu)橹骶W(wǎng)絡(luò)。

IC102-選用PC817C就OK了，不需要要求太高的CTR值。

L201-10uH3A的工字電感，與E201E202形成一個(gè)低通濾波器，能更好地抑制紋波，可計(jì)算，在這里我不提倡來計(jì)算，可以根據(jù)調(diào)試中所碰到的問題再來調(diào)整。

IC201-TL431TO92封裝，ref-2.5V

R205-1k這個(gè)值的計(jì)算>Vo-Vopdiode(光耦內(nèi)發(fā)光二極管的壓降)/Imin(光耦發(fā)光二極管最小擊穿電流)

保證R205的選擇能夠在正常狀態(tài)下，有效擊穿光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管。

R204R202-18k4.7k根據(jù)公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)可計(jì)算。

C202-104這個(gè)也可以到時(shí)根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整，不需要去用公式進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

CY103-這個(gè)是Y電容可以選222@400Vac，具體根據(jù)安規(guī)的耐壓來選取,都可以在后續(xù)的工作中進(jìn)行調(diào)整。

10.調(diào)試過程

到以上部分，基本上一個(gè)電源算是設(shè)計(jì)完成，后面的就是焊板調(diào)試過程。

調(diào)試所需要的簡(jiǎn)單設(shè)備（必需的）：調(diào)壓器，示波器，萬用表；輔助設(shè)備：功率計(jì)，LCR電橋，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(cè)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(cè)試以后，可以用萬用表測(cè)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(cè)試了。

開關(guān)電源的AC輸入接入調(diào)壓器，或者AC輸入接入功率計(jì)再接至調(diào)壓器，調(diào)壓器處于0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS兩端或初級(jí)繞組兩端亦可，交流耦合；萬用表電壓檔測(cè)輸出，并空載。

接通調(diào)壓器電源，開始升壓，不需要快速，同時(shí)觀看示波器。

從0Vac開始升，會(huì)看到示波器上波形會(huì)有浮動(dòng)（改成直流耦合會(huì)很清楚看到電壓在上升）。當(dāng)調(diào)壓器的電壓至40～60Vac區(qū)間時(shí)，如果示波器波形還沒有變化的話，退回0Vac，重新檢查電源板。

一般空載狀態(tài)，在40～60Vac區(qū)間時(shí)，開關(guān)電源會(huì)開始工作，STVIPER53DIP也會(huì)進(jìn)入工作模式，示波器上Vds波形會(huì)開始正常。

看輸出電壓是否達(dá)到預(yù)設(shè)值？未達(dá)到，退回0Vac檢查采樣，反饋及輸出回路。如果都OK的狀態(tài)下，再考慮將輸入電壓升至220Vac。遵循以上步驟調(diào)試的話，不會(huì)出現(xiàn)爆片或炸機(jī)現(xiàn)象。

備注：示波器需要隔離，或只允許LN輸入，未隔離條件下PE的線不能接入，否則極易造成短路。

激動(dòng)人心的一刻到了，人生的第一塊電源就要誕生了！

帶載還是建議一點(diǎn)一點(diǎn)地加，也監(jiān)控著示波器，這里就省去一步一步加載過程，直接上手了。

最后總結(jié)：

其實(shí)開關(guān)電源入門很簡(jiǎn)單，最好的入門是選用單片的，畢竟省去了啟動(dòng)電阻，電流檢測(cè)電阻，MOS及驅(qū)動(dòng)，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(yàn)，再采用分立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)單多了，凡事先易后難才有進(jìn)步。

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