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【入門必讀】詳解一步一步設(shè)計開關(guān)電源(完結(jié))

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!!

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sinican
LV.8
2
2013-09-29 11:40
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治觥?/span>
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

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sinican
LV.8
3
2013-09-29 11:41
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

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2013-09-29 11:41
@sinican
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PWMIC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: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(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PWMIC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
插樓~~~等候大作?。?!
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xuzeabc
LV.4
5
2013-09-29 11:54
@sinican
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PWMIC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: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(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PWMIC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
頂一個,等候!
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sinican
LV.8
6
2013-09-29 14:13
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)

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sinican
LV.8
7
2013-09-29 14:14
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(xí)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(yīng)的原理圖

 

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sinican
LV.8
8
2013-09-29 14:14
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。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 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 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以
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zandi1234
LV.1
9
2013-09-29 15:32
@sinican
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。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/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(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)EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以

 

繼續(xù) 大師

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2013-09-30 09:02
@sinican
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。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/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(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)EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以
R203是干嘛的呢
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10227
LV.7
11
2013-09-30 09:40
@sinican
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。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/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(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)EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以
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sinican
LV.8
12
2013-09-30 10:05
@湖之一二
R203是干嘛的呢

R203 與 D205 共同組成輸出指示, R203 在這里是限流限壓針對 D205 (LED)


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sinican
LV.8
13
2013-09-30 10:07
6. 設(shè)計變壓器進行計算
輸入 input: 85~265Vac
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 η = 80%
最大占空比:Dmax = 0.45
磁感應(yīng)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

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sinican
LV.8
14
2013-09-30 10:08
6. 設(shè)計變壓器進行計算(續(xù))
計算開始
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,對于漏感及氣隙,我不建議各位再去計算和驗證
漏感 Lleakage < 5% * Lp
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fdecctv
LV.4
15
2013-09-30 18:23
@sinican
6.設(shè)計變壓器進行計算(續(xù))計算開始輸出功率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) =770uH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
請問  輸入峰值電流 Ipeak = 4 * Iav = 1A   中的 4 是怎么來的?
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2013-09-30 20:56
這個必須頂
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土豆絲
LV.2
17
2013-09-30 21:01
@sinican
6.設(shè)計變壓器進行計算(續(xù))計算開始輸出功率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) =770uH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
謝謝樓主詳解
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z39613619
LV.4
18
2013-09-30 22:27
@風(fēng)定人非在
這個必須頂

是地。必須頂。。。

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ade1986
LV.3
19
2013-09-30 22:48
@z39613619
是地。必須頂。。。

呵呵,不錯,

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吳煌麒
LV.3
20
2013-09-30 23:42

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rockyy
LV.6
21
2013-10-01 09:06
@sinican
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PCBLayout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(xí)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(yīng)的原理圖[圖片] 
團長,為什么沒有啟動電阻,沒有啟動電阻是否能正常啟機?
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skyroom123
LV.3
22
2013-10-07 10:29
@sinican
6.設(shè)計變壓器進行計算(續(xù))計算開始輸出功率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) =770uH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
樓主不要TJ啊,還沒結(jié)束??!Ipeak=4*Iav中4是不是2/Dmax得到的?
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Q2355504931
LV.3
23
2013-10-07 11:50
**此帖已被管理員刪除**
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rzxrong
LV.1
24
2013-10-07 12:02
@Q2355504931
**此帖已被管理員刪除**

期待還有更新!

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heshsh
LV.1
25
2013-10-07 14:15
@sinican
6.設(shè)計變壓器進行計算(續(xù))計算開始輸出功率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) =770uH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

謝謝分享!

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lookingdong
LV.7
26
2013-10-07 16:33
@rzxrong
期待還有更新!
同問  輸入峰值電流 Ipeak = 4 * Iav = 1A   中的 4 是怎么來的?
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sinican
LV.8
27
2013-10-08 10:31

6. 設(shè)計變壓器進行計算(續(xù)2)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 = 6.43us

2)計算變壓器初級匝數(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< 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

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sinican
LV.8
28
2013-10-08 10:32
6. 設(shè)計變壓器進行計算(續(xù)3)
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(fù)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(guān)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。


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sinican
LV.8
29
2013-10-08 10:43
@rockyy
團長,為什么沒有啟動電阻,沒有啟動電阻是否能正常啟機?

不需要啟動電阻的,因為這顆片子里已經(jīng)集成了一個 高壓啟動電流源 如下圖:

 

當然針對 UC384X 等需要啟動電阻的芯片來說,計算啟動電阻阻值的話,可以這樣

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

Rstart: 啟動電阻

Vin(min): 輸入最低直流電壓

Vdd: 芯片的供電電壓

Istart: 芯片的啟動電流


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sinican
LV.8
30
2013-10-08 10:46
@skyroom123
樓主不要TJ啊,還沒結(jié)束?。peak=4*Iav中4是不是2/Dmax得到的?

功能正常,TJ 不是我的風(fēng)格;國慶放假,休息

關(guān)于 4 請參考分析


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sinican
LV.8
31
2013-10-08 11:31
@fdecctv
請問 輸入峰值電流Ipeak=4*Iav=1A 中的4是怎么來的?

這里的 4 是一個經(jīng)驗值,當然也是我自己獨家的經(jīng)驗

至于推導(dǎo),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(dǎo),很簡單

 

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