開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)作為一個(gè)變壓器工程師，需要那些技能才能很好的駕馭這份工作，才能夠在這個(gè)工作鏈中扮演一個(gè)角色。首先，必須要了解變壓器在電路中起的作用，學(xué)習(xí)變壓器在電路工作時(shí)的電壓電流波形。只有了解這些知識(shí)才有可能創(chuàng)新出一些新穎的構(gòu)造。也只有了解這些原理，在變壓器使用出現(xiàn)故障的時(shí)候才能找到解決方法。

電源變壓器在近幾年的發(fā)展和應(yīng)用中，逐漸呈現(xiàn)出了性的特點(diǎn)，小功率的開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)和制作也更加符合民用要求。在今天的方案分享中，我們將會(huì)為大家分享一種小功率的電源變壓器設(shè)計(jì)和制作過(guò)程，方便工程師開展參考借鑒。詳解設(shè)計(jì)開關(guān)電源

開關(guān)電源設(shè)計(jì)的步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過(guò)；也可以提出來(lái)供大家參考，我?guī)兔Ψ治觥?/p>

我只帶大家設(shè)計(jì)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(lái)選擇相應(yīng)的拓?fù)錁?gòu)造；這樣的一個(gè)開關(guān)電源多項(xiàng)選擇擇反激式（flyback）基本上可以滿足要求。

注：在這里我會(huì)更多的選擇是經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，有需要分析的，可以拿出來(lái)再討論。

2.當(dāng)我們確定用flyback拓?fù)溟_展設(shè)計(jì)以后，我們需要選擇相應(yīng)的PWMIC和MOS來(lái)開展初步的電路原理圖設(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。對(duì)里面的計(jì)算我還會(huì)開展分解。

分立式：PWMIC與MOS是分開的，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PWMIC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或快速開發(fā)的環(huán)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STVIPer53DIP（集成了MOS）開展設(shè)計(jì)，原因?yàn)楹危ㄒ驗(yàn)槲覀兪卿N售這一顆芯片的）？

設(shè)計(jì)之前都先看一下相應(yīng)的datasheet，自己確認(rèn)一下簡(jiǎn)單的參數(shù)：

無(wú)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(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)。

4.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PCBLayout。

當(dāng)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(gè)良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，這一步可能會(huì)有初步評(píng)估，原理圖確認(rèn)，等等，簽核完畢后就可以開展計(jì)算了。

先附上相應(yīng)的原理圖

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

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，可以這樣

Rstart=（Vin（min）-Vdd）/Istart

Rstart：?jiǎn)?dòng)電阻

Vin（min）：輸入直流電壓

Vdd：芯片的供電電壓

Istart：芯片的啟動(dòng)電流

一個(gè)很有深度的問(wèn)題，同時(shí)也是VIPer53異于其它singlechippower的優(yōu)點(diǎn)

R205斷開或相當(dāng)于光耦拆掉（相當(dāng)于副邊失反應(yīng)），電源依然會(huì)正常工作，此時(shí)進(jìn)入原邊反應(yīng)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：

5.確定開關(guān)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(guò)外部的RC來(lái)設(shè)定，工作頻率就等于開關(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AC2DC的變換器，工作頻率不宜設(shè)超過(guò)100kHz，主要是開關(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，頻率太高，相應(yīng)的di/dtdv/dt都會(huì)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(huì)總結(jié)自己的經(jīng)驗(yàn)出來(lái)。

對(duì)于磁芯的選擇，是在開關(guān)頻率和功率的根底，更多的是經(jīng)驗(yàn)選取。當(dāng)然計(jì)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(gè)是需要慢慢建立的。

20W~40W范圍內(nèi)EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以。

6.設(shè)計(jì)變壓器開展計(jì)算（續(xù)2）上面計(jì)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(gè)變壓器的工作

1）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

2）計(jì)算變壓器初級(jí)匝數(shù)Np=Vin（min）*Ton/（ΔB&TImes;Ae）=120Vdc*6.43us/（0.2*82mm2）=47T（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）

3）計(jì)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(jì)算變壓器輔助繞組（auxturning）輸出的匝數(shù)計(jì)算方法與12V主繞組輸出一樣因?yàn)镾TVIPer53DIP副邊反應(yīng)需低于14.5Vdc，應(yīng)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(jì)算，以及返回驗(yàn)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(shè)計(jì)變壓器開展計(jì)算（續(xù)3）

上面計(jì)算出匝數(shù)以后，可以直接確定漆包線的粗細(xì)，不需要去開展復(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

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(lái)，漆包線的硬度會(huì)使操作工人很難繞

很多這一步“計(jì)算”過(guò)了以后，還會(huì)返回計(jì)算以驗(yàn)證變壓器的窗口面積

個(gè)人認(rèn)為返回驗(yàn)證是多余的，因?yàn)槔@制不下的話，打樣的變壓器廠也會(huì)反應(yīng)給你，而你驗(yàn)證通過(guò)的，在實(shí)際中也不一定會(huì)通過(guò)；

畢竟與實(shí)際繞制過(guò)程中的熟練度，及稀疏還是有很大關(guān)系的

再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以開展布局和布板了。

7.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=45～90uF

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，但前提必須是在反應(yīng)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，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(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。

8.PCBLayout

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PCBfile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，開展布局；因?yàn)檫@個(gè)板相比照較簡(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

PCBlayout重點(diǎn)不是怎么連線，重要的是如何布局；一般來(lái)說(shuō)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??；這樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)

2）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

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(yīng)的圖，N久之前的版本，可以改良的地方很多，各位自行參考：目前這一塊板仍一直在生產(chǎn)

9.確定部分參數(shù)

我們前幾步已經(jīng)計(jì)算了變壓器，PCBLayout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，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(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

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

高壓：

原邊vs副邊：3750Vac@1mA1min無(wú)擊穿無(wú)飛弧

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA1min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

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

9.確定部分參數(shù)（續(xù)1）

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

snubbercircuit（RCD吸收）：R101-100k1WC101-103@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)，再開展繼續(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，應(yīng)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)選，調(diào)試時(shí)，根據(jù)具體情況調(diào)整

R103，C105：這部分是STVIPER53DIP設(shè)定開關(guān)頻率的，70kHz可查datasheet中的頻率設(shè)定表，可知R103-10kC105-222

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

1腳comp是一個(gè)補(bǔ)償反應(yīng)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)，在副邊反應(yīng)狀態(tài)下，以副邊反應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為主，在失反應(yīng)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E201E202形成一個(gè)低通濾波器，能更好地抑制紋波，可計(jì)算，在這里我不提倡來(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-TL431TO92封裝，ref-2.5V

R205-1k這個(gè)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

R204R202-18k4.7k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，不需要去用公式開展復(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)的工作中開展調(diào)整

10.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，開展靜態(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

10.調(diào)試過(guò)程（續(xù)1）

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)

剩下就可以開展加電測(cè)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(jì)再接至調(diào)壓器

調(diào)壓器處于0Vac

示波器接在STVIPER53DIP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，開始升壓，不需要快速，同時(shí)觀看示波器

從0Vac開始升，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)，開關(guān)電源會(huì)開始工作，STVIPER53DIP也會(huì)進(jìn)入工作模式，示波器上Vds波形會(huì)開始正常

看輸出電壓是否到達(dá)預(yù)設(shè)值？未到達(dá)，退回0Vac檢查采樣，反應(yīng)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，否則極易造成短路開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)方法

由于側(cè)和二次側(cè)繞組間寄生電容的存在，變壓器“開關(guān)”時(shí)，在分界處存在dV/dt，將“靜默層”布置在絕緣膠帶的兩側(cè)，即側(cè)和Vin相連的一端，二次側(cè)和地相連的一端，分別布置在絕緣膠帶兩側(cè)，可以減小分界處寄生電容的dV/dt。由于場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電壓是波動(dòng)的，將其繞為骨架的層，這樣外層可屏蔽內(nèi)層發(fā)射的電磁場(chǎng)。圖1和圖2給出了兩種低噪聲的繞線技術(shù)，可應(yīng)用在典型的反激變換器變壓器中。

方法一：如圖1所示，二次側(cè)繞組與二極管連接的末端必須緊鄰絕緣膠帶，因此絕緣膠帶的兩端將有一定大小的dV/dt，但該