開關電源變壓器的設計時主要需要考慮哪些方面？

ID:396725 · 發表于 2018-9-11 21:55

各位大神，如題

ID:213173 · 發表于 2018-9-12 06:21

ID:397048 · 發表于 2018-9-12 15:46

附件這篇文章供參考

ID:295861 · 發表于 2018-9-12 16:33

詳解設計開關電源
開關電源設計的第一步就是看規格，具體的很多人都有接觸過；也可以提出來供大家參考，我幫忙分析。

我只帶大家設計一款寬范圍輸入的12V2A 的常規隔離開關電源

1. 首先確定功率。
根據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。

注：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.當我們確定用 flyback 拓撲進行設計以后，我們需要選擇相應的PWM IC 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：PWM IC 與 MOS 是分開的，這種優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 PWM IC 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的環境。

3. 確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖（sch）。
在這里我選用 ST VIPer53DIP（集成了MOS）進行設計，原因為何（因為我們是銷售這一顆芯片的）？

設計之前最好都先看一下相應的 datasheet，自己確認一下簡單的參數：

無論是選用 PI 的集成，或384x 或 OB LD 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。

4. 當我們將原理圖完成以后，需要確定相應的參數才能進入下一步 PCB Layout。
當然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應的流程，養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。

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，不利于系統的穩定性，更不利于 EMC 的通過性，頻率太高，相應的 di/dt dv/dt 都會增加，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，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 EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以。

6. 設計變壓器進行計算（續2）上面計算了變壓器的電感量，現在我們還需要得到相應的匝數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Np = Vin（min）*Ton/（ΔB &TImes; Ae） = 120Vdc * 6.43us/（0.2 * 82mm2） = 47 T（這里的數是一定要取整的，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圈）

3）計算變壓器 12V 主輸出的匝數輸出電壓（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（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 = 6 T （已取整）

4）計算變壓器輔助繞組（aux turning）輸出的匝數計算方法與12V主繞組輸出一樣因為 ST VIPer53DIP 副邊反饋需低于 14.5 Vdc，故選取 12 Vdc 作為輔助電壓；Na = 6 T到這一步，我們基本上就得出了變壓器的主要參數原邊繞組：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腳位耐壓等安規方面的要求提出，就可以發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

6. 設計變壓器進行計算（續3）
上面計算出匝數以后，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 ～ 90 uF

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/400Vdc 85℃ 或 105℃ 根據相應的應用環境來決定；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內

因為是閉環精度控制，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. PCB Layout
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 PCB file 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

PCB layout 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定；同時 VIPER53DIP 這顆 DIP-8 的芯片散熱的重要通道
3）在 di/dt dv/dt 變化比較大的地方，盡量減小環路和加寬走線，降低不必要的電感特性

9. 確定部分參數
我們前幾步已經計算了變壓器，PCB Layout 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 ： φ0.25 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 并剪腳

L1-3 ： 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材質

高壓：

原邊vs副邊：3750Vac@1mA 1min 無擊穿無飛弧

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA 1min 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

可以將 PCB 和變壓器發出去打樣了，剩下就是確定更多的參數并備料

9. 確定部分參數（續1）

D101～D104： Iav = 0.25A 選 1N4007 （1000V@1A）當然選 600V 的也沒有問題

snubber circuit （RCD 吸收）： R101 - 100k 1W C101 - 103@1kV（高壓瓷片電容）

D105 - FR107（選 600V 的超快恢復也可以）

這部分可以計算，也可以直接選用經典的參數，在調試時，再進行繼續來檢驗

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，根據具體情況調整

R103，C105：這部分是 ST VIPER53DIP 設定開關頻率的，70kHz 可查datasheet 中的頻率設定表，可知 R103 - 10k C105 - 222

8腳 TOVL 是一個延時保護的，此處可以直接選 104 具體參數，根據應用時，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：R104 - 1k

C104 - 47uF/50V（電解電容） C103 - 104 這是一個一階慣性環節，在副邊反饋狀態下，以副邊反饋的補償網絡為主，在失反饋此補償網絡才變為主網絡

IC102 - 選用 PC817C 就OK了，不需要要求太高的 CTR 值

L201 - 10uH 3A 的工字電感，與 E201 E202 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，可以根據調試中所碰到的問題再來調整

IC201 - TL431 TO92 封裝，ref - 2.5V

R205 - 1k 這個值的計算》 Vo - Vopdiode（光耦內發光二極管的壓降）/Imin（光耦發光二極管最小擊穿電流）

保證 R205 的選擇能夠在正常狀態下，有效擊穿光耦內部的發光二極管

R204 R202 - 18k 4.7k 根據公式 2.5V/R202 = Vo/（R202+R204）可計算

C202 - 104 這個也可以到時根據實際情況來調整，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，具體根據安規的耐壓來選取，都可以在后續的工作中進行調整

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，電感量等參數以后再焊接

靜態檢查，主要看有沒有虛焊，連錫等

10. 調試過程（續1）
靜態測試以后，可以用萬用表測一下輸入，輸出是否處于短路狀態

剩下就可以進行加電測試了

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 ST VIPER53DIP 的 D S 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，在 40～60Vac 區間時，開關電源會開始工作，ST VIPER53DIP 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，不會出現爆片或炸機現象

備注：示波器需要隔離，或只允許 L N 輸入，未隔離條件下 PE 的線不能接入，否則極易造成短路

ID:295861 · 發表于 2018-9-12 16:34

1. 首先確定功率。
根據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。

注：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.當我們確定用 flyback 拓撲進行設計以后，我們需要選擇相應的PWM IC 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：PWM IC 與 MOS 是分開的，這種優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 PWM IC 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的環境。

3. 確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖（sch）。
在這里我選用 ST VIPer53DIP（集成了MOS）進行設計，原因為何（因為我們是銷售這一顆芯片的）？

設計之前最好都先看一下相應的 datasheet，自己確認一下簡單的參數：

無論是選用 PI 的集成，或384x 或 OB LD 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。

4. 當我們將原理圖完成以后，需要確定相應的參數才能進入下一步 PCB Layout。
當然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應的流程，養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。

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，不利于系統的穩定性，更不利于 EMC 的通過性，頻率太高，相應的 di/dt dv/dt 都會增加，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，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 EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以。

6. 設計變壓器進行計算（續2）上面計算了變壓器的電感量，現在我們還需要得到相應的匝數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Np = Vin（min）*Ton/（ΔB &TImes; Ae） = 120Vdc * 6.43us/（0.2 * 82mm2） = 47 T（這里的數是一定要取整的，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圈）

3）計算變壓器 12V 主輸出的匝數輸出電壓（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（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 = 6 T （已取整）

4）計算變壓器輔助繞組（aux turning）輸出的匝數計算方法與12V主繞組輸出一樣因為 ST VIPer53DIP 副邊反饋需低于 14.5 Vdc，故選取 12 Vdc 作為輔助電壓；Na = 6 T到這一步，我們基本上就得出了變壓器的主要參數原邊繞組：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腳位耐壓等安規方面的要求提出，就可以發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

6. 設計變壓器進行計算（續3）
上面計算出匝數以后，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 ～ 90 uF

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/400Vdc 85℃ 或 105℃ 根據相應的應用環境來決定；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內

因為是閉環精度控制，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. PCB Layout
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 PCB file 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

PCB layout 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定；同時 VIPER53DIP 這顆 DIP-8 的芯片散熱的重要通道
3）在 di/dt dv/dt 變化比較大的地方，盡量減小環路和加寬走線，降低不必要的電感特性

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