詳解一步一步設(shè)計開關(guān)電源

詳解一步一步設(shè)計開關(guān)電源【開篇】針對開關(guān)電源很多人覺得難，主要是理論與實踐相結(jié)合；萬事開頭難，我在這里只能算拋磚引玉，慢慢講解如何設(shè)計，有任何技術(shù)問題可以隨時打斷，我將盡力來進行解答。設(shè)計一款開關(guān)電源并不難，難就難在做精；我也不是一個很精熟的工程師，只能算一個領(lǐng)路人。希望大家喜歡大家一起努力!【第一步】開關(guān)電源設(shè)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?。我只帶大家設(shè)計一款寬范圍輸入的， 12V2A 的常規(guī)隔離開關(guān)電源1. 首先確定功率，根據(jù)具體要求來選擇相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)；這樣的一個開關(guān)電源多選擇反激式(flyback) 基本上可以滿足要求備注一個，在這里我會更多的選擇是經(jīng)驗公式來計算，有需要分析的，可以拿出來再討論【第二步】2.當我們確定用 flyback 拓撲進行設(shè)計以后，我們需要選擇相應(yīng)的PWM IC 和 MOS 來進行初步的電路原理圖設(shè)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(yōu)點是功率可以自由搭配，缺點是設(shè)計和調(diào)試的周期會變長（僅從設(shè)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(shè)計者很多的計算和調(diào)試分步，適合于剛?cè)腴T或快速開發(fā)的環(huán)境集成式，多是指 PWM controller 和 power switch 集成在一起的芯片不限定于是 PSR 還是 SSR【第三步】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(shè)計，原因為何(因為我們是銷售這一顆芯片的)？設(shè)計之前最好都先看一下相應(yīng)的 datasheet，自己確認一下簡單的參數(shù)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(shè)計依據(jù)【第四步】4. 當我們將原理圖完成以后，需要確定相應(yīng)的參數(shù)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(yīng)的流程，養(yǎng)成一個良好的設(shè)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一般有芯片廠家提供相關(guān)資料【第五步】5. 確定開關(guān)頻率，選擇磁芯確定變壓器芯片的頻率可以通過外部的 RC 來設(shè)定，工作頻率就等于開關(guān)頻率，這個外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計開關(guān)電源，也可以采取外同步功能。一般 AC2DC 的變換器，工作頻率不宜設(shè)超過 100kHz，主要是開關(guān)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(yīng)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(jié)自己的經(jīng)驗出來對于磁芯的選擇，是在開關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)，更多的是經(jīng)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(nèi) EE25 EER25 EER28EFD25 EFD30 等均都可以【第六步】6. 設(shè)計變壓器進行計算輸入 input: 85265Vac輸出 output: 12V 2A開關(guān)頻率 Fsw: 70kHz磁芯 core: EER28/28L磁芯參數(shù)：Ae 82mm2以上均是已知參數(shù)，我們還需要設(shè)定一些參數(shù)，就可以進入下一步計算設(shè)定參數(shù)：效率 = 80%最大占空比：Dmax = 0.45磁感應(yīng)強度變化：B= 0.2有了這些參數(shù)以后，我們就可以計算得到匝數(shù)和電感量計算開始輸出功率 Po = 12V * 2A = 24W輸入功率 Pin = Po/ = 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(yīng)的匝數(shù)才可以完成整個變壓器的工作1）計算導(dǎo)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 = 6.43us2）計算變壓器初級匝數(shù)Np = Vin(min)*Ton/(B 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): 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 = 6 T (已取整)4）計算變壓器輔助繞組(aux turning)輸出的匝數(shù)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(shù)原邊繞組：47T 原邊電感量：0.77mH 漏感 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 : 0.25 x 1 x 24T7 - 10 : 0.50 x 2 x 6T8 - 11 : 0.50 x 2 x 6T9 - 12 : 0.50 x 2 x 6T2 - 3 : 0.25 x 1 x 23T6 - 5 : 0.25 x 1 x 6T2,4 并剪腳L1-3 : 0.77mH 0.25V1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材質(zhì)高壓：原邊vs副邊 ：3750Vac1mA 1min 無擊穿無飛弧副邊vs磁芯 ：1500Vac1mA 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(nèi)部阻抗可以將 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【第十步】10. 調(diào)試過程到以上部分，基本上一個電源算是設(shè)計完成，后面的就是焊板調(diào)試過程調(diào)試所需要的簡單設(shè)備（必需的）：調(diào)壓器，示波器，萬用表輔助設(shè)備：功率計，LCR電橋，電子負載焊完板以后，進行靜態(tài)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(shù)以后再焊接靜態(tài)檢查，主要看有沒有虛焊，連錫等【第十一部】10. 調(diào)試過程(續(xù)1)靜態(tài)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(tài)剩下就可以進行加電測試了開關(guān)電源的AC輸入 接入調(diào)壓器，或者 AC輸入 接入功率計再接至調(diào)壓器調(diào)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(diào)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(diào)壓器的電壓 至 4060Vac 區(qū)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(tài)，在 4060Vac 區(qū)間時，開關(guān)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(yù)設(shè)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(tài)下，再考慮將輸入電壓升至 220Vac遵循以上步驟調(diào)試的話，不會出現(xiàn)爆片或炸機現(xiàn)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，否則極易造成短路作為一個電子工程師設(shè)計電路是一項必備的硬功夫，但是原理設(shè)計再完美，如果電路板設(shè)計不合理性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。根據(jù)我的經(jīng)驗，我總結(jié)出以下一些設(shè)計中應(yīng)該注意的地方，希望能對您有所啟示。不管用什么軟件，設(shè)計有個大致的程序，按順序來會省時省力，因此我將按制作流程來介紹一下。（由于界面風格與視窗接近，操作習慣也相近，且有強大的仿真功能，使用的人比較多，將以此軟件作說明。）原理圖設(shè)計是前期準備工作，經(jīng)常見到初學者為了省事直接就去畫板了，這樣將得不償失，對簡單的板子，如果熟練流程，不妨可以跳過。但是對于初學者一定要按流程來，這樣一方面可以養(yǎng)成良好的習慣，另一方面對復(fù)雜的電路也只有這樣才能避免出錯。在畫原理圖時，層次設(shè)計時要注意各個文件最后要連接為一個整體，這同樣對以后的工作有重要意義。由于，軟件的差別有些軟件會出現(xiàn)看似相連實際未連（電氣性能上）的情況。如果不用相關(guān)檢測工具檢測，萬一出了問題，等板子做好了才發(fā)現(xiàn)就晚了。因此一再強調(diào)按順序來做的重要性，希望引起大家的注意。原理圖是根據(jù)設(shè)計的項目來的，只要電性連接正確沒什么好說的。下面我們重點討論一下具體的制板程序中的問題。 1制作物理邊框封閉的物理邊框?qū)σ院蟮脑季帧⒆呔€來說是個基本平臺，也對自動布局起著約束作用，否則，從原理圖過來的元件會不知所措的。但這里一定要注意精確，否則以后出現(xiàn)安裝問題麻煩可就大了。還有就是拐角地方最好用圓弧，一方面可以避免尖角劃傷工人，同時又可以減輕應(yīng)力作用。以前我的一個產(chǎn)品老是在運輸過程中有個別機器出現(xiàn)面殼板斷裂的情況，改用圓弧后就好了。2元件和網(wǎng)絡(luò)的引入把元件和網(wǎng)絡(luò)引人畫好的邊框中應(yīng)該很簡單，但是這里往往會出問題，一定要細心地按提示的錯誤逐個解決，不然后面要費更大的力氣。這里的問題一般來說有以下一些：元件的封裝形式找不到，元件網(wǎng)絡(luò)問題，有未使用的元件或管腳，對照提示這些問題可以很快搞定的。3元件的布局元件的布局與走線對產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響，是應(yīng)該特別注意的地方。一般來說應(yīng)該有以下一些原則：（1）放置順序先放置與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關(guān)、連接件之類，這些器件放置好后用軟件的功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動。再放置線路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、IC等。最后放置小器件。（2）注意散熱元件布局還要特別注意散熱問題。對于大功率電路，應(yīng)該將那些發(fā)熱元件如功率管、變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發(fā)，不要集中在一個地方，也不要高電容太近以免使電解液過早老化。 4布線布線原則走線的學問是非常高深的，每人都會有自己的體會，但還是有些通行的原則的。高頻數(shù)字電路走線細一些、短一些好大電流信號、高電壓信號與小信號之間應(yīng)該注意隔離（隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2時板上要距離2mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應(yīng)在3.5以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。）兩面板布線時，兩面的導(dǎo)線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸人及輸出用的印制導(dǎo)線應(yīng)盡量避兔相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)線之間最好加接地線。走線拐角盡可能大于度，杜絕度以下的拐角，也盡量少用度拐角同是地址線或者數(shù)據(jù)線，走線長度差異不要太大，否則短線部分要人為走彎線作補償走線盡量走在焊接面，特別是通孔工藝的盡量少用過孔、跳線單面板焊盤必須要大，焊盤相連的線一定要粗，能放淚滴就放淚滴，一般的單面板廠家質(zhì)量不會很好，否則對焊接和都會有問題大面積敷銅要用網(wǎng)格狀的，以防止波焊時板子產(chǎn)生氣泡和因為熱應(yīng)力作用而彎曲，但在特殊場合下要考慮的流向，大小，不能簡單的用銅箔填充了事，而是需要去走線元器件和走線不能太靠邊放，一般的單面板多為紙質(zhì)板，受力后容易斷裂，如果在邊緣連線或放元器件就會受到影響必須考慮生產(chǎn)、調(diào)試、維修的方便性 對模擬電路來說處理地的問題是很重要的，地上產(chǎn)生的噪聲往往不便預(yù)料，可是一旦產(chǎn)生將會帶來極大的麻煩，應(yīng)該未雨綢緞。對于功放電路，極微小的地噪聲都會因為后級的放大對音質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響；在高精度轉(zhuǎn)換電路中，如果地線上有高頻分量存在將會產(chǎn)生一定的溫漂，影響放大器的工作。這時可以在板子的角加退藕電容，一腳和板子上的地連，一腳連到安裝孔上去（通過螺釘和機殼連），這樣可將此分量慮去，放大器及也就穩(wěn)定了。另外，電磁兼容問題在目前人們對環(huán)保產(chǎn)品倍加關(guān)注的情況下顯得更加重要了。一般來說電磁信號的來源有個：信號源，輻射，傳輸線。晶振是常見的一種高頻信號源，在功率譜上晶振的各次諧波能量值會明顯高出平均值?？尚械淖龇ㄊ强刂菩盘柕姆龋д裢鈿そ拥?，