由简到难！大师教你一步一步设计开关电源

针对开关电源很多人觉得很难，其实不然。设计一款开关电源并不难，难就难在做精，等你真正入门了，积累一定的经验，再采用分立的结构进行设计就简单多了。万事开头难，笔者在这就抛砖引玉，慢慢讲解如何一步一步设计开关电源。

　　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。

　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/dtdv/dt都会增加，除PI132kHz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EE25EER25EER28EFD25EFD30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：12V2A

　　开关频率Fsw：70kHz

　　磁芯core：EER28/28L

　　磁芯参数：Ae82mm2

　　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。

　　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)=770uH

　　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)=47T（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)：

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

　　4）计算变压器辅助绕组(auxturning)输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为STVIPer53DIP副边反馈需低于14.5Vdc，故选取12Vdc作为辅助电压；Na=6T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=45～90uF

　　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/400Vdc85℃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.PCBLayout

　　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PCBfile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。

　　PCBlayout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/dtdv/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，PCBLayout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：φ0.25x1x24T

　　7->10：φ0.50x2x6T

　　8->11：φ0.50x2x6T

　　9->12：φ0.50x2x6T

　　2->3：φ0.25x1x23T

　　6->5：φ0.25x1x6T

　　2,4并剪脚

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

　　高压：

　　原边vs副边：3750Vac@1mA1min无击穿无飞弧

　　副边vs磁芯：1500Vac@1mA1min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