資深工程師分享的開關電源設計經(jīng)驗

開關電源設計的第一步就是看規(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?br /> 我只帶大家設計一款寬范圍輸入的12V2A 的常規(guī)隔離開關電源

1. 首先確定功率。

根據(jù)具體要求來選擇相應的拓撲結構；這樣的一個開關電源多選擇反激式(flyback) 基本上可以滿足要求。

注：在這里我會更多的選擇是經(jīng)驗公式來計算，有需要分析的，可以拿出來再討論。

2.當我們確定用 flyback 拓撲進行設計以后，我們需要選擇相應的PWM IC 和 MOS 來進行初步的電路原理圖設計(sch)。
無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對里面的計算我還會進行分解。
分立式：PWM IC 與 MOS 是分開的，這種優(yōu)點是功率可以自由搭配，缺點是設計和調(diào)試的周期會變長（僅從設計角度來說）；

集成式：就是將 PWM IC 與 MOS 集成在一個封裝里，省去設計者很多的計算和調(diào)試分步，適合于剛入門或快速開發(fā)的環(huán)境。

3. 確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖(sch)。

在這里我選用 ST VIPer53DIP(集成了MOS) 進行設計，原因為何(因為我們是銷售這一顆芯片的)？
設計之前最好都先看一下相應的 datasheet，自己確認一下簡單的參數(shù)：
無論是選用 PI 的集成，或384x 或 OB LD 等分立的都需要參考一下 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計依據(jù)。

4. 當我們將原理圖完成以后，需要確定相應的參數(shù)才能進入下一步 PCB Layout。

當然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應的流程，養(yǎng)成一個良好的設計習慣，這一步可能會有初步評估，原理圖確認，等等，簽核完畢后就可以進行計算了。

先附上相應的原理圖

不需要啟動電阻的，因為這顆片子里已經(jīng)集成了一個 高壓啟動電流源 如下圖：

當然針對 UC384X 等需要啟動電阻的芯片來說，計算啟動電阻阻值的話，可以這樣

Rstart = (Vin(min) - Vdd ) / Istart

Rstart: 啟動電阻

Vin(min): 輸入最低直流電壓

Vdd: 芯片的供電電壓

Istart: 芯片的啟動電流

一個很有深度的問題，同時也是 VIPer53 異于其它 single chip power 的優(yōu)點

R205 斷開或相當于光耦拆掉（相當于副邊失反饋），電源依然會正常工作，此時進入原邊反饋模式 PSR，參考框圖部分 Vdd 引腳的中間那個運放，此時會與 COMP 腳上的 一階慣性環(huán)節(jié)形成穩(wěn)定的 PWM 控制系統(tǒng)

參考電路圖如下：

5. 確定開關頻率，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 來設定，工作頻率就等于開關頻率，這個外設的功能有利于我們更好的設計開關電源，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，工作頻率不宜設超過 100kHz，主要是開關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，相應的 di/dt dv/dt 都會增加，除 PI 132kHz 的工作頻率之外，大家可以多參考其它家的芯片，就會總結自己的經(jīng)驗出來。
對于磁芯的選擇，是在開關頻率和功率的基礎，更多的是經(jīng)驗選取。當然計算的話，你需要得到更多的磁芯參數(shù)，包括磁材，居里溫度，頻率特性等等，這個是需要慢慢建立的。

20W ~ 40W 范圍內(nèi) EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以。

6. 設計變壓器進行計算(續(xù)2)上面計算了變壓器的電感量，現(xiàn)在我們還需要得到相應的匝數(shù)才可以完成整個變壓器的工作

1）計算導通時間 Ton周期時間 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）計算變壓器初級匝數(shù)Np = Vin(min)*Ton/(ΔB × Ae) = 120Vdc * 6.43us/(0.2 * 82mm2) = 47 T（這里的數(shù)是一定要取整的，而且是進位取整，我們變壓器不可能只繞半圈或其它非整數(shù)圈）

3）計算變壓器 12V 主輸出的匝數(shù)輸出電壓(Vo):

12 Vdc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= 120 Vdc / 47 T = 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)= (12 Vdc + 0.7Vdc + 0.5Vdc) / 2.55 = 6 T (已取整)

4）計算變壓器輔助繞組(aux turning)輸出的匝數(shù)計算方法與12V主繞組輸出一樣因為 ST VIPer53DIP 副邊反饋需低于 14.5 Vdc，故選取 12 Vdc 作為輔助電壓；Na = 6 T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< 5%* 0.77mH = 39uH12V輸出： 6T輔助繞組：6T下一步我們只要將繞組的線徑 股數(shù) 腳位 耐壓 等安規(guī)方面的要求提出，就可以發(fā)給變壓器廠去打樣了至于氣隙的計算，以及返回驗證 Dmax 這些都是一些教科書上的，不建議大家死搬硬套，自己靈活一些

6. 設計變壓器進行計算(續(xù)3)
上面計算出匝數(shù)以后，可以直接確定漆包線的粗細，不需要去進行復雜的計算
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
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
很多這一步“計算”過了以后，還會返回計算以驗證變壓器的窗口面積
個人認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系的

再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進行布局和布板了。

7. 輸入輸出電解電容計算
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
上面我們計算出輸入功率 30W
所以 Cin = 45 ～ 90 uF
從理論上來說，這個值選的越大，對后級就越好；從成本上考慮，我們不會無限制的去選取大容量
此處選值 47uF/400Vdc 85℃ 或 105℃ 根據(jù)相應的應用環(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
此處電容需要適應高頻低阻的特性，這個值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內(nèi)
因為是閉環(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 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. PCB Layout
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準件了
由 sch 生成網(wǎng)絡表，在 PCB file 里定義好板邊然后加載相應的封裝庫以后，可以直接導入網(wǎng)絡表，進行布局；因為這個板相對比較簡單，也可以直接布板，導入網(wǎng)絡表是一個非常好的設計習慣
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)面積盡量小；這樣可以減小相應的輻射和傳導
2) 地線盡量的短和寬大，保證相應的零電平有利于基準的穩(wěn)定；同時 VIPER53DIP 這顆 DIP-8 的芯片散熱的重要通道
3) 在 di/dt dv/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

附上相應的圖， N久之前的版本，可以改進的地方很多，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)計算了變壓器，PCB Layout 完成以后，此時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
對于輸出的腳位，我們可以用兩個，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，起線需從這幾個腳位起，同方向繞制
變壓器正式定義：
1 -> 2 : φ0.25 x 1 x 24T
7 -> 10 : φ0.50 x 2 x 6T
8 -> 11 : φ0.50 x 2 x 6T
9 -> 12 : φ0.50 x 2 x 6T
2 -> 3 : φ0.25 x 1 x 23T
6 -> 5 : φ0.25 x 1 x 6T
2,4 并剪腳
L1-3 : 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材質(zhì)
高壓：
原邊vs副邊 ：3750Vac@1mA 1min 無擊穿無飛弧
副邊vs磁芯 ：1500Vac@1mA 1min 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，同時降低輸出繞組的內(nèi)部阻抗

可以將 PCB 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

9. 確定部分參數(shù)(續(xù)1)
D101～D104： Iav = 0.25A 選 1N4007 （1000V@1A） 當然選 600V 的也沒有問題
snubber circuit (RCD 吸收) ： R101 - 100k 1W C101 - 103@1kV（高壓瓷片電容）
D105 - FR107(選 600V 的超快恢復也可以)
這部分可以計算，也可以直接選用經(jīng)典的參數(shù)，在調(diào)試時，再進行繼續(xù)來檢驗
D201: MBR10100
耐壓：> Vo + Vin(max)* Ns/Np = 12V + 375Vdc * 6/47 = 60V
D106: FR107 （耐壓計算同上，選 FR101亦可，盡快將電源里器件整合，故選 FR107）
R102: 是一個分壓電阻，主要用來限制 Vdd 的電壓；0～100R 范圍內(nèi)選，調(diào)試時，根據(jù)具體情況調(diào)整
R103，C105: 這部分是 ST VIPER53DIP 設定開關頻率的，70kHz 可查datasheet 中的頻率設定表，可知 R103 - 10k C105 - 222
8腳 TOVL 是一個延時保護的，此處可以直接選 104 具體參數(shù)，根據(jù)應用時，來調(diào)整這個值
1腳 comp 是一個補償反饋腳，給出一組驗證過的參數(shù)：R104 - 1k
C104 - 47uF/50V(電解電容) C103 - 104 這是一個一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補償網(wǎng)絡為主，在失反饋此補償網(wǎng)絡才變?yōu)橹骶W(wǎng)絡
IC102 - 選用 PC817C 就OK了，不需要要求太高的 CTR 值
L201 - 10uH 3A 的工字電感，與 E201 E202 形成一個低通濾波器，能更好地抑制紋波，可計算，在這里我不提倡來計算，可以根據(jù)調(diào)試中所碰到的問題再來調(diào)整
IC201 - TL431 TO92 封裝，ref - 2.5V
R205 - 1k 這個值的計算> 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
R204 R202 - 18k 4.7k 根據(jù)公式 2.5V/R202 = Vo/(R202+R204) 可計算
C202 - 104 這個也可以到時根據(jù)實際情況來調(diào)整，不需要去用公式進行復雜的計算
CY103 - 這個是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)的工作中進行調(diào)整

10. 調(diào)試過程

到以上部分，基本上一個電源算是設計完成，后面的就是焊板調(diào)試過程

調(diào)試所需要的簡單設備（必需的）：
調(diào)壓器，示波器，萬用表
輔助設備：功率計，LCR電橋，電子負載
焊完板以后，進行靜態(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

10. 調(diào)試過程(續(xù)1)

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)

剩下就可以進行加電測試了
開關電源的AC輸入 接入調(diào)壓器，或者 AC輸入 接入功率計再接至調(diào)壓器
調(diào)壓器處于 0Vac
示波器 接在 ST VIPER53DIP 的 D S 兩端 或 初級繞組兩端亦可，交流耦合
萬用表電壓檔測輸出，并空載
接通調(diào)壓器電源，開始升壓，不需要快速，同時觀看示波器
從 0Vac 開始升，會看到示波器上波形會有浮動（改成直流耦合會很清楚看到電壓在上升）
當調(diào)壓器的電壓 至 40～60Vac 區(qū)間時，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，開關電源會開始工作，ST VIPER53DIP 也會進入工作模式，示波器上 Vds 波形會開始正常
看輸出電壓是否達到預設值？ 未達到，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，不會出現(xiàn)爆片或炸機現(xiàn)象
備注：示波器需要隔離，或只允許 L N 輸入，未隔離條件下 PE 的線不能接入，否則極易造成短路

激動人心的一刻到了，are you ready? go... ... 人生的第一塊電源就要誕生了

startup， 走起 ... ...

帶載還是建議一點一點地加，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

純粹無聊，雜耍的，對自己要有信心噢！

最后總結：

其實開關電源入門很簡單，最好的入門是選用單片的，畢竟省去了 啟動電阻，電流檢測電阻，MOS及驅(qū)動，保護電路等各種不確定因素的問題。

等真正入門了，積累一定的經(jīng)驗，再采用分立的結構進行設計就簡單多了，凡事先易后難才有進步

備注：等有時間再上技術提升篇吧！！一滴水可以折射整個世界，當你熟悉一個小電源系統(tǒng)時，整個大功率系統(tǒng)就盡在掌握了