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由簡到難!大師教你一步一步設計開關電源

作者: 時間:2016-12-07 來源:網絡 收藏

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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327302.htm

  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?/p>

  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。在這里我會更多的選擇是經驗公式來計算,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。

  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?。?/p>

  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

  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是一個經驗值,當然也是我自己獨家的經驗。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。

  到此最重要的一步原邊電感量已經求出,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。

  9.確定部分參數(shù)

  我們前幾步已經計算了變壓器,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


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