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开关电源设计Step by Step（含调试过程）
开关电源设计是一件令很多人都头痛的事，这次淘到这么一个好贴分享下，作者不容易啊
开关电源设计的第一步就是看规格，具体的很多人都有接触过，也可以提出来供大家参考，我帮忙分析。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。在这里我会更多的选择是经验公式来计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论。
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。对里面的计算我还会进行分解。++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。++先附上相应的原理图。&oq=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。
先附上相应的原理图。
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/dt dv/dt 都会增加，除 PI 132kHz 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: 12V 2A
开关频率 Fsw: 70kHz
磁芯 core: EER28/28L
磁芯参数：Ae 82mm2
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
设计变压器进行计算(续)
计算开始
输出功率 Po = 12V * 2A = 24W
输入功率 Pin = Po/η = 24W/0.8 = 30W
输入最低电压 Vin(min) = Vac(min)*sqr(2) = 85Vac * 1.414 = 120Vdc
输入最高电压 Vin(max) = Vac(max)*sqr(2) = 265Vac * 1.414 = 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/(Ipeak * Fsw) = 120Vdc * 0.45/(1A * 70K ) = 770 uH
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) = 120Vdc * 6.43us/(0.2 * 82mm2) = 47 T（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):
12 Vdc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= 120 Vdc / 47 T = 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)= (12 Vdc + 0.7Vdc + 0.5Vdc) / 2.55 = 6 T (已取整)
4）计算变压器辅助绕组(aux turning)输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为 ST VIPer53DIP 副边反馈需低于 14.5 Vdc，故选取 12 Vdc 作为辅助电压；Na = 6 T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 ～ 90 uF
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/400Vdc 85℃ 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. PCB Layout
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 PCB file 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
PCB layout 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/dt dv/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，PCB Layout 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 : φ0.25 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 并剪脚
L1-3 : 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材质
高压：
原边vs副边 ：3750Vac@1mA 1min 无击穿无飞弧
副边vs磁芯 ：1500Vac@1mA 1min 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
snubber circuit (RCD 吸收) ： R101 - 100k 1W C101 - 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 + 375Vdc * 6/47 = 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 ST VIPER53DIP 设定开关频率的，70kHz 可查datasheet 中的频率设定表，可知 R103 - 10k C105 - 222
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 - 10uH 3A 的工字电感，与 E201 E202 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 - TL431 TO92 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
R204 R202 - 18k 4.7k 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
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 VIPer53 datasheet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
R102 是用于限压的，串在 辅助绕组与 Vdd 之间，防止我们设计过程中的辅助电压过高，进行一部分分压，保证 Vdd 在范围内正常工作
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 ST VIPER53DIP 的 D S 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，ST VIPER53DIP 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 L N 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，are you ready? go... ... 人生的第一块电源就要诞生了 |
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