如今的電子電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，已經(jīng)開(kāi)始大量使用開(kāi)關(guān)電源。因?yàn)檫@種技術(shù)能夠控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的比率，也就能對(duì)電流進(jìn)行控制。但是很多新人對(duì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)卻望而卻步，覺(jué)得學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難，不知從何開(kāi)始。本篇文章就針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題對(duì)開(kāi)關(guān)電源的整體設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了梳理性的講解，方便新手們系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)。

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的第一步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過(guò)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的第一步就是需要對(duì)規(guī)格進(jìn)行確認(rèn)，這里就以一款寬范圍輸入的12V2A常規(guī)隔離開(kāi)關(guān)電源為例。首先我們要確定功率，根據(jù)具體要求來(lái)選擇相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣的一個(gè)開(kāi)關(guān)電源通常會(huì)選擇反激式(flyback)，基本上可以滿足要求。

在決定使用flyback拓?fù)鋪?lái)完成設(shè)計(jì)之后。就有必要選擇相應(yīng)的PWM IC與MOS來(lái)對(duì)初始的電路原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)(sch)。無(wú)論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。

在這里對(duì)兩種模式進(jìn)行一下分析

分立式：PWM IC與MOS是分開(kāi)的，這種優(yōu)點(diǎn)是功率可以自由搭配，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和調(diào)試的周期會(huì)變長(zhǎng)(僅從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō))。

集成式：就是將PWM IC與MOS集成在一個(gè)封裝里，省去設(shè)計(jì)者很多的計(jì)算和調(diào)試分步，適合于剛?cè)腴T(mén)或快速開(kāi)發(fā)的環(huán)境。

在確定了使用哪一款芯片之后，我們就可以著手來(lái)制作原理圖了。在本文中我們選用了ST VIPer53DIP(集成了MOS)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)之前最好都先看一下相應(yīng)的datasheet，對(duì)初始的一些參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。

需要注意的是，無(wú)論設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)選用的是PI集成還是84x系列、OB系列、LD系列等分立，都需要參考一下datasheet。一般datasheet里都會(huì)附有簡(jiǎn)單的電路原理圖，這些原理圖是我們的設(shè)計(jì)依據(jù)。當(dāng)我們將原理圖完成以后，需要確定相應(yīng)的參數(shù)才能進(jìn)入下一步PCB Layout。

最重要的是，不同的公司會(huì)有不同的流程。我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要遵照相應(yīng)的流程，以便養(yǎng)成良好的習(xí)慣。這一步可能會(huì)有初步評(píng)估、原理圖確認(rèn)等等，簽核完畢后就可以進(jìn)行計(jì)算了。

先附上相應(yīng)的原理圖

需要啟動(dòng)電阻的，因?yàn)檫@顆片子里已經(jīng)集成了一個(gè)高壓?jiǎn)?dòng)電流源如下圖：

當(dāng)然針對(duì)UC384X 等需要啟動(dòng)電阻的芯片來(lái)說(shuō)，計(jì)算啟動(dòng)電阻阻值的話，也可以這樣：

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

Rstart: 啟動(dòng)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(dòng)電流。

順便我們?cè)谶@里模擬一個(gè)故障情景，如果由于故障的原因，R205長(zhǎng)期處于斷開(kāi)狀態(tài)，那么會(huì)出現(xiàn)什么樣的后果?

R205斷開(kāi)或光耦拆掉(相當(dāng)于副邊失反饋)，電源依然會(huì)正常工作，此時(shí)進(jìn)入原邊反饋模式PSR，參考框圖部分Vdd引腳的中間那個(gè)運(yùn)放，此時(shí)會(huì)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：

確定開(kāi)關(guān)頻率 選擇磁芯確定變壓器

這里確定芯片工作頻率為0KHz，芯片的頻率可以通過(guò)外部的RC來(lái)設(shè)定，工作頻率就等于開(kāi)關(guān)頻率，這個(gè)外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)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AC-DC的變換器，工作頻率不宜設(shè)超過(guò)100kHz，主要是開(kāi)關(guān)電源的頻率過(guò)高以后，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更不利于EMC的通過(guò)性。如果頻率太高，相應(yīng)的di/dt、dv/dt都會(huì)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(huì)總結(jié)出關(guān)于芯片選擇的經(jīng)驗(yàn)，在開(kāi)關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)當(dāng)中，經(jīng)驗(yàn)選取尤為重要。當(dāng)然計(jì)算的話，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(gè)是需要慢慢建立。20W~40W 范圍內(nèi)EE25、EER25、EER28、EFD25、EFD30等均都可以。

加入頻率調(diào)制，就是在正常的工作頻率里添加周期的中低頻波，在EMC測(cè)試時(shí)，用于平均峰值達(dá)到降低EMC的作用，再直白一點(diǎn)就是頻率抖動(dòng)。

EMC難過(guò)與否，主要還是取決于電路當(dāng)中的di/dt、dv/dt的變化，針對(duì)分立的可能要調(diào)試的會(huì)有很多。但針對(duì)那些集成Power MOS的單芯片來(lái)說(shuō)就要容易許多，內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)，電流檢測(cè)，MOS的匹配等都是半導(dǎo)體廠優(yōu)化好的，不需要擔(dān)心太多。

總的來(lái)說(shuō)：頻率調(diào)制(或頻率抖動(dòng))對(duì)電源來(lái)說(shuō)，弊大于利。畢竟正常的工作頻率里迭加其它頻率進(jìn)去，對(duì)電源本身穩(wěn)定性等性能還是有所下降的，它只是針對(duì)EMC設(shè)備，平均了峰值起到一個(gè)欺騙的作用。

下圖是VIPer53開(kāi)關(guān)電源頻率RC設(shè)定表，具體也可以參考datasheet里的特性曲線進(jìn)行設(shè)定。

磁芯與傳輸功率對(duì)照表

設(shè)計(jì)變壓器進(jìn)行計(jì)算

輸入input:85~265Vac

輸出output:12V2A

開(kāi)關(guān)頻率Fsw:70kHz

磁芯core:EER28/28L

磁芯參數(shù)：Ae82mm2

以上均是已知參數(shù)，還需要設(shè)定一些參數(shù)，就可以進(jìn)入下一步計(jì)算。

設(shè)定參數(shù)：

效率η=80%

最大占空比：Dmax=0.45

磁感應(yīng)強(qiáng)度變化：ΔB= 0.2

有了這些參數(shù)以后，我們就可以計(jì)算得到匝數(shù)和電感量。

計(jì)算開(kāi)始

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) =770 uH

到此最重要的一步原邊電感量已經(jīng)求出，對(duì)于漏感及氣隙，不建議再去計(jì)算和驗(yàn)證。

漏感Lleakage<5%*Lp

也許有人會(huì)好奇，輸入峰值電流Ipeak=4*Iav=1A中的4是怎么來(lái)的?

這里的4是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。至于推導(dǎo)，不用那么麻煩，可以通過(guò)下面的圖來(lái)進(jìn)行解釋，下面是DCM時(shí)的電流波形。至于CCM加一個(gè)平臺(tái)，可以自行推導(dǎo)，很簡(jiǎn)單。

經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，得到了變壓器的電感量。有了它，就需要相應(yīng)的匝數(shù)才能夠使變壓器正常的工作。

計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間

Ton周期時(shí)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

計(jì)算變壓器初級(jí)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(jìn)位取整，我們變壓器不可能只繞半圈或其它非整數(shù)圈)

計(jì)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=6T(已取整)。

計(jì)算變壓器輔助繞組(aux turning)

輸出的匝數(shù)計(jì)算方法與12V主繞組輸出一樣。因?yàn)镾T VIPer53DIP副邊反饋需低于14.5 Vdc，故選取12 Vdc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(jì)算，以及返回驗(yàn)證Dmax這些都是一些教科書(shū)上的，不建議死搬硬套。

上面計(jì)算出匝數(shù)以后，可以直接確定漆包線的粗細(xì)，不需要去進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)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。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(lái)，漆包線的硬度會(huì)使操作工人很難繞。

很多人在經(jīng)過(guò)這一步計(jì)算后，還會(huì)返回計(jì)算以驗(yàn)證變壓器的窗口面積。實(shí)際上，經(jīng)過(guò)實(shí)踐之后，證明返回驗(yàn)證是多余的。因?yàn)橐坏├@制不下，變壓器廠會(huì)及時(shí)進(jìn)行反饋。而驗(yàn)證通過(guò)的，在實(shí)際中也不一定會(huì)通過(guò)。因?yàn)閷?shí)際繞制過(guò)程中的熟練度，及稀疏還是起到很大的影響作用的。

再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進(jìn)行布局及布板。

輸入輸出電解電容計(jì)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(jì)算出輸入功率30W。所以Cin=45～90 uF。從理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)值選的越大，對(duì)后級(jí)就越好。從成本上考慮，我們不會(huì)無(wú)限制的去選取大容量。此處選值47uF/400Vdc85℃或105℃，根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境來(lái)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(yīng)高頻低阻的特性，這個(gè)值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內(nèi)。

因?yàn)槭情]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(gè)L，組成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(guò)前面的原理圖(SCH)定義好器件封裝。

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(biāo)準(zhǔn)件了。

由sch生成網(wǎng)絡(luò)表，在PCB file里定義好板邊然后加載相應(yīng)的封裝庫(kù)以后，可以直接導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，進(jìn)行布局。因?yàn)檫@個(gè)板相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也可以直接布板。導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。PCB layout重點(diǎn)不是怎么連線，最重要的是如何布局，一般來(lái)說(shuō)布局OK的話，畫(huà)板就輕松多了。

在布局與布板方面，RCD吸收部分與變壓器形成的環(huán)面積要盡量小，這樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)。

地線盡量的短和寬大，保證相應(yīng)的零電平有利于基準(zhǔn)的穩(wěn)定。同時(shí)，VIPER53DIP這顆DIP-8的芯片散熱的重要通道，應(yīng)該放在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。

附上一個(gè)老版本的圖，雖然可以改進(jìn)的地方很多，但是目前仍舊在生產(chǎn)，供大家自行參考。

PCB Layout 完成以后，此時(shí)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(duì)于輸出的腳位，我們可以用兩個(gè)，或者全用上，根據(jù)情況選擇。從原理圖及PCB圖上，1、6、7、8、9為同名端，自己繞制時(shí)，起線需從這幾個(gè)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: 0.77mH 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(wú)擊穿無(wú)飛弧。

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA 1min，無(wú)擊穿無(wú)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(fèi)，同時(shí)降低輸出繞組的內(nèi)部阻抗。接下來(lái)就可以將 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。

D101～D104：Iav =0.25A選 1N4007(1000V@1A)，當(dāng)然選600V的也沒(méi)有問(wèn)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(fù)也可以)。

這部分可以計(jì)算，也可以直接選用經(jīng)典的參數(shù)，在調(diào)試時(shí)，再進(jìn)行繼續(xù)來(lái)檢驗(yàn)。

D201: MBR10100

耐壓：>Vo Vin(max)*Ns/Np=12V 375Vdc*6/47=60V。

D106: FR107(耐壓計(jì)算同上，選FR101亦可，盡快將電源里器件整合，故選 FR107)。

R102: 是一個(gè)分壓電阻，主要用來(lái)限制Vdd的電壓，0～100R范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，調(diào)試時(shí)，根據(jù)具體情況調(diào)整。

R103、C105: 這部分是ST VIPER53DIP設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的，70kHz可查datasheet中的頻率設(shè)定表，可知R103-10k C105–222。

8腳TOVL是一個(gè)延時(shí)保護(hù)，此處可以直接選104具體參數(shù)，根據(jù)應(yīng)用來(lái)調(diào)整這個(gè)值。

1腳comp是一個(gè)補(bǔ)償反饋腳，給出一組驗(yàn)證過(guò)的參數(shù)：R104-1k。

C104-47uF/50V(電解電容)

C103-104這是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為主，在失反饋此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才變?yōu)橹骶W(wǎng)絡(luò)。

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E201 E202形成一個(gè)低通濾波器，能更好地抑制紋波。雖然可計(jì)算，但是不提倡來(lái)計(jì)算，可以根據(jù)調(diào)試中所碰到的問(wèn)題再來(lái)調(diào)整。

IC201-TL431 TO92封裝，ref-2.5V。

R205-1k ：值的計(jì)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(jì)算。

C202-104：這個(gè)也可以到時(shí)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整，不需要去用公式進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。CY103-這個(gè)是Y電容 可以選222@400Vac，具體根據(jù)安規(guī)的耐壓來(lái)選取，都可以在后續(xù)的工作中進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)試過(guò)程

到以上部分，基本上一個(gè)電源算是設(shè)計(jì)完成，后面的就是焊板調(diào)試過(guò)程。

調(diào)試所需要的簡(jiǎn)單設(shè)備(必需的)：

調(diào)壓器、示波器、萬(wàn)用表。

輔助設(shè)備：功率計(jì)、LCR電橋、電子負(fù)載。

焊完板以后，進(jìn)行靜態(tài)檢查，如果有LCR電橋的話，可以先測(cè)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(méi)有虛焊，連錫等。

靜態(tài)測(cè)試以后，可以用萬(wàn)用表測(cè)一下輸入，輸出是否處于短路狀態(tài)，剩下就可以進(jìn)行加電測(cè)試了。開(kāi)關(guān)電源的AC輸入接入調(diào)壓器，或者AC輸入接入功率計(jì)再接至調(diào)壓器，調(diào)壓器處于0Vac。

示波器接在ST VIPER53DIP的DS兩端或初級(jí)繞組兩端亦可，交流耦合萬(wàn)用表電壓檔測(cè)輸出，并空載接通調(diào)壓器電源，開(kāi)始升壓，不需要快速，同時(shí)觀看示波器。

從0Vac開(kāi)始升，會(huì)看到示波器上波形會(huì)有浮動(dòng)(改成直流耦合會(huì)很清楚看到電壓在上升)。當(dāng)調(diào)壓器的電壓至40～60Vac區(qū)間時(shí)，如果示波器波形還沒(méi)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(shí)，開(kāi)關(guān)電源會(huì)開(kāi)始工作，ST VIPER53DIP也會(huì)進(jìn)入工作模式，示波器上Vds波形會(huì)開(kāi)始正常。

看輸出電壓是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，如果未達(dá)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(huì)出現(xiàn)爆片或炸機(jī)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。

至此，我們將開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)當(dāng)中涉及的全部過(guò)程進(jìn)行了分析和講解。實(shí)際上開(kāi)關(guān)電源是一種非常簡(jiǎn)單的入門(mén)級(jí)別技術(shù)，最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電源是采用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。為什么這么說(shuō)呢?因?yàn)檫@種電路省去了啟動(dòng)電阻，電流檢測(cè)電阻，MOS及驅(qū)動(dòng)，保護(hù)電路這一系列的不確定因素。所以是非常適合新手來(lái)進(jìn)行練習(xí)的。

到在逐漸累積經(jīng)驗(yàn)達(dá)到入門(mén)級(jí)別之后，再去接觸采用分立的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)單多了。在學(xué)習(xí)的過(guò)程當(dāng)中，不妨先從簡(jiǎn)單的入手，逐步過(guò)渡到較難的設(shè)計(jì)，這樣才能取得進(jìn)步