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開關電源設計調試全過程

發(fā)布時間：2018-06-11 責任編輯：wenwei

【導讀】針對開關電源很多人覺得很難，其實不然。設計一款開關電源并不難，難就難在做精，等你真正入門了，積累一定的經(jīng)驗，再采用分立的結構進行設計就簡單多了。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計開關電源。
 
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?/div>
 
在這里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。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、選擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路原理圖設計
 
當我們確定用flyback拓撲進行設計以后，我們需要選擇相應的PWMIC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：PWMIC與MOS是分開的，這種優(yōu)點是功率可以自由搭配，缺點是設計和調試的周期會變長（僅從設計角度來說）；集成式：就是將PWMIC與MOS集成在一個封裝里，省去設計者很多的計算和調試分步，適合于剛入門或快速開發(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)進行設計。
 
設計前最好都先看一下相應的datasheet，確認一下簡單的參數(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、確定相應的參數(shù)
 
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PCBLayout。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。
 
開關電源設計調試全過程
 
先附上相應的原理圖。
 
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/dtdv/dt都會增加，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EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以。
 
關于變壓器磁芯的選擇
 
功率大?。?/div>
 
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
 
磁芯與傳輸功率對照表
 
開關電源設計調試全過程
 
6、設計變壓器進行計算
 
輸入input：85~265Vac
 
輸出output：12V2A
 
開關頻率Fsw：70kHz
 
磁芯core：EER28/28L
 
磁芯參數(shù)：Ae82mm2
 
以上均是已知參數(shù)，我們還需要設定一些參數(shù)，就可以進入下一步計算。
 
設定參數(shù)：
 
效率η=80%
 
最大占空比：Dmax=0.45
 
磁感應強度變化：ΔB=0.2
 
有了這些參數(shù)以后，我們就可以計算得到匝數(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是一個經(jīng)驗值，當然也是我自己獨家的經(jīng)驗。至于推導，不用那么麻煩，看下面的圖，你就明白了，下面是DCM時的電流波形;至于CCM加一個平臺，自己可以推導，很簡單。
 
開關電源設計調試全過程
 
到此最重要的一步原邊電感量已經(jīng)求出，對于漏感及氣隙，我不建議各位再去計算和驗證。
 
漏感Lleakage<5%*Lp
 
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)=47T（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)：
 
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）計算變壓器輔助繞組(auxturning)輸出的匝數(shù)計算方法與12V主繞組輸出一樣因為STVIPer53DIP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<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。
 
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=45～90uF
 
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/400Vdc85℃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。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、PCBLayou
 
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PCBfile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。
 
PCBlayout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/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)。
 
開關電源設計調試全過程
 
開關電源設計調試全過程
 
9、確定部分參數(shù)
 
我們前幾步已經(jīng)計算了變壓器，PCBLayout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：φ0.25x1x24T
 
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
 
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，同時降低輸出繞組的內部阻抗?？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范圍內選，調試時，根據(jù)具體情況調整
 
R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設定開關頻率的，70kHz可查datasheet中的頻率設定表，可知R103-10kC105-222
 
R103與C105組成一個RC網(wǎng)絡，用于設定VIPer53的工作頻率，它的工作頻率可以高達300kHz，不過在AC-DC里我不建議使用那么高的頻率。在VIPer53datasheet里有一個曲線，不過不是很方便，我將常用的頻率設定表，整理一下，貼出來大家參考。
 
開關電源設計調試全過程
 
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。
 
L201-10uH3A的工字電感，與E201E202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)調試中所碰到的問題再來調整。
 
IC201-TL431TO92封裝，ref-2.5V
 
R205-1k這個值的計算>Vo-Vopdiode(光耦內發(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，有效擊穿光耦內部的發(fā)光二極管。
 
R204R202-18k4.7k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)的工作中進行調整。
 
10.調試過程
 
到以上部分，基本上一個電源算是設計完成，后面的就是焊板調試過程。
 
調試所需要的簡單設備（必需的）：調壓器，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；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。
 
開關電源設計調試全過程
 
開關電源的AC輸入接入調壓器，或者AC輸入接入功率計再接至調壓器，調壓器處于0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS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，STVIPER53DIP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。
 
激動人心的一刻到了，人生的第一塊電源就要誕生了！
 
開關電源設計調試全過程
 
開關電源設計調試全過程
 
開關電源設計調試全過程
 
開關電源設計調試全過程
 
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
 
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及驅動，保護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，再采用分立的結構進行設計就簡單多了，凡事先易后難才有進步
 
 
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