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万事开头难,开关电源设计就应该这样一步一步来

电源研发精英圈 2018-01-07 09:21 次阅读
导读: 针对开关电源很多人觉得很难,其实不然。设计一款开关电源并不难,难就难在做精,等你真正入门了,积累一定的经验,再采用分立的结构进行设计就简单多了。万事开头难,笔者在这就抛砖引玉,慢慢讲解如何一步一步设计开关电源。 开关电源设计的第一步就是看规格,具体的很多人都有接触过,也可以提出来供大家参考,我帮忙分析。 我只带大家设计一款宽范围输入的,12V2A的常规隔离开关电源。   1.首先确定功率根据具体要求来选择相应的拓扑结构;这样的一个开关电源多选择反激式(flyback)基本上可以满足要求。在这里我会更多的选择是经验公式来计算,有需要分析的,可以拿出来再讨论。   2.选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计 当我们确定用flyback拓扑进行设计以后,我们需要选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计(sch)。无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。对里面的计算我还会进行分解。 分立式:PWMIC与MOS是分开的,这种优点是功率可以自由搭配,缺点是设计和调试的周期会变长(仅从设计角度来说);集成式:就是将PWMIC与MOS集成在一个封装里,省去设计者很多的计算和调试分步,适合于刚入门或快速开发的环境。   3.做原理图 确定所选择的芯片以后,开始做原理图(sch),在这里我选用STVIPer53DIP(集成了MOS)进行设计。 设计前最好都先看一下相应的datasheet,确认一下简单的参数。无论是选用PI的集成,或384x或OBLD等分立的都需要参考一下datasheet。一般datasheet里都会附有简单的电路原理图,这些原理图是我们的设计依据。   4.确定相应的参数 当我们将原理图完成以后,需要确定相应的参数才能进入下一步PCBLayout。当然不同的公司不同的流程,我们需要遵守相应的流程,养成一个良好的设计习惯,这一步可能会有初步评估,原理图确认,等等,签核完毕后就可以进行计算了。
先附上相应的原理图。
5.确定开关频率,选择磁芯确定变压器 这里确定芯片工作频率为70KHz,芯片的频率可以通过外部的RC来设定,工作频率就等于开关频率,这个外设的功能有利于我们更好的设计开关电源,也可以采取外同步功能。与UC384X功能相近。 变压器磁芯为EER28/28L。 一般AC2DC的变换器,工作频率不宜设超过100kHz,主要是开关电源的频率过高以后,不利于系统的稳定性,更不利于EMC的通过性。频率太高,相应的di/dtdv/dt都会增加,除PI132kHz的工作频率之外,大家可以多参考其它家的芯片,就会总结自己的经验出来。 对于磁芯的选择,是在开关频率和功率的基础,更多的是经验选取。当然计算的话,你需要得到更多的磁芯参数,包括磁材,居里温度,频率特性等等,这个是需要慢慢建立的。 20W~40W范围内EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以。 关于变压器磁芯的选择 功率大小: 小于5w可使用的磁芯: ER9.5,ER11.5,EE8.3,EE10,EE13,RM4,GU11,EP7,EP10,UI9.8,URS7 5-10W可使用的磁芯: ER20,EE19,RM5,GU14,EFD15,EI22,EPC13,EF16,EP13,UI11.5 10-20W可使用的磁芯: ER25,EE20,EE25,RM6,GU18,EPC17,EF20 20-50W可使用的磁芯: ER28,ETD28,EI28,EE28,EE30,EF25,RM8,GU22, PQ20,EPC19,EFD20 50-100W可使用的磁芯: ER35,ETD34,EE35,EI35,EF30,RM10,GU30,PQ26, EPC25,EFD25 100-200W可使用的磁芯: ER40,ER42,ETD39,EI40,RM12,GU36,PQ32,EFD30 200-500W可使用的磁芯: ER49,ETD49,EC53,EE42,EE55,EI50,RM14,GU42, PQ35,PQ40,UU66 大于500W可使用的磁芯: ER70,ETD59,EE65,EE85,GU59,PQ50,UU80,UU93 磁芯与传输功率对照表 6.设计变压器进行计算 输入input:85~265Vac 输出output:12V2A 开关频率Fsw:70kHz 磁芯core:EER28/28L 磁芯参数:Ae82mm2 以上均是已知参数,我们还需要设定一些参数,就可以进入下一步计算。 设定参数: 效率η=80% 最大占空比:Dmax=0.45 磁感应强度变化:ΔB=0.2 有了这些参数以后,我们就可以计算得到匝数和电感量。 输出功率Po=12V*2A=24W 输入功率Pin=Po/η=24W/0.8=30W 输入最低电压Vin(min)=Vac(min)*sqr(2)=85Vac*1.414=120Vdc 输入最高电压Vin(max)=Vac(max)*sqr(2)=265Vac*1.414=375Vdc 输入平均电流Iav=Pin/Vin(min)=30W/120Vdc=0.25A 输入峰值电流Ipeak=4*Iav=1A 原边电感量Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipeak*Fsw)=120Vdc*0.45/(1A*70K)=770uH 这里的4是一个经验值,当然也是我自己独家的经验。至于推导,不用那么麻烦,看下面的图,你就明白了,下面是DCM时的电流波形;至于CCM加一个平台,自己可以推导,很简单。 到此最重要的一步原边电感量已经求出,对于漏感及气隙,我不建议各位再去计算和验证。 漏感Lleakage<5%*Lp 上面计算了变压器的电感量,现在我们还需要得到相应的匝数才可以完成整个变压器的工作。 1)计算导通时间Ton周期时间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)计算变压器初级匝数Np=Vin(min)*Ton/(ΔB×Ae)=120Vdc*6.43us/(0.2*82mm2)=47T(这里的数是一定要取整的,而且是进位取整,我们变压器不可能只绕半圈或其它非整数圈) 3)计算变压器12V主输出的匝数输出电压(Vo): 12Vdc整流管压降(Vd):0.7 Vdc绕组压降(Vs):0.5 Vdc原边匝伏比(K)=Vi_min/Np=120Vdc/47T=2.55输出匝数(Ns)=(输出电压(Vo)+整流管压降(Vd)+绕组压降(Vs))/原边匝伏比(K)=(12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc)/2.55=6T(已取整) 4)计算变压器辅助绕组(auxturning)输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为STVIPer53DIP副边反馈需低于14.5Vdc,故选取12Vdc作为辅助电压;Na=6T到这一步,我们基本上就得出了变压器的主要参数原边绕组:47T原边电感量:0.77mH漏感<5%*0.77mH=39uH12V输出:6T辅助绕组:6T下一步我们只要将绕组的线径股数脚位耐压等安规方面的要求提出,就可以发给变压器厂去打样了至于气隙的计算,以及返回验证Dmax这些都是一些教科书上的,不建议大家死搬硬套,自己灵活一些。 上面计算出匝数以后,可以直接确定漆包线的粗细,不需要去进行复杂的计算。 线径与常规电阻一样,都是有定值的,记住几种常用的定值线径。这里,原边电流比较小,可以直接选用φ0.25一股。辅助绕组φ0.25一股。主输出绕组φ0.4或0.5三股,不用选择更粗的,否则绕制起来,漆包线的硬度会使操作工人很难绕。 很多这一步"计算"过了以后,还会返回计算以验证变压器的窗口面积。个人认为返回验证是多余的,因为绕制不下的话,打样的变压器厂也会反馈给你,而你验证通过的,在实际中也不一定会通过;毕竟与实际绕制过程中的熟练度,及稀疏还是有很大关系的。 再下一步,需要确定输入输出的电容的大小,就可以进行布局和布板了。   7.输入输出电解电容计算 输入滤波电解电容 Cin=(1.5~3)*Pin 输出滤波电解电容 Cout=(200~300)*Io 上面我们计算出输入功率30W 所以Cin=45~90uF 从理论上来说,这个值选的越大,对后级就越好;从成本上考虑,我们不会无限制的去选取大容量。此处选值47uF/400Vdc85℃或105℃根据相应的应用环境来决定;电容不需要高频,普通低阻抗的就可以了。 输出电流是2A; Cout=400~600uF 此处电容需要适应高频低阻的特性,这个值也可以选值变大,但前提必须是在反馈环内。因为是闭环精度控制,故取值470uF/16Vdc 这里电源就可以选两颗470uF/16Vdc,加一个L,阻成CLC低通滤波器。 基本上到这里,PCB上需要外形确定的器件已经完成,即PCB封装完成;下一步就可通过前面的原理图(SCH)定义好器件封装。   8.PCBLayout 上面已经确定变压器,原理图,以及电解电容,其它的基本上都是标准件了。 由sch生成网络表,在PCBfile里定义好板边然后加载相应的封装库以后,可以直接导入网络表,进行布局;因为这个板相对比较简单,也可以直接布板,导入网络表是一个非常好的设计习惯。 PCBlayout重点不是怎么连线,最重要的是如何布局;一般来说布局OK的话,画板就轻松多了。 在布局与布板方面: 1)RCD吸收部分与变压器形成的环面积尽量小;这样可以减小相应的辐射和传导。 2)地线尽量的短和宽大,保证相应的零电平有利于基准的稳定;同时VIPER53DIP这颗DIP-8的芯片散热的重要通道。 3)在di/dtdv/dt变化比较大的地方,尽量减小环路和加宽走线,降低不必要的电感特性 附上相应的图,N久之前的版本,可以改进的地方很多,各位自行参考:目前这一块板仍一直在生产。 9.确定部分参数 我们前几步已经计算了变压器,PCBLayout完成以后,此时就可以确定变压器的同名端,完整的定义变压器,并发出去打样或自己绕制。 EER28/28L骨架是6+6 原边:1->3辅助:6->5输出:7,8,9->10,11,12 对于输出的脚位,我们可以用两个,或者全用上,看各位自己的选择。 从原理图及PCB图上,1,6,7,8,9为同名端,自己绕制时,起线需从这几个脚位起,同方向绕制。 变压器正式定义: 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并剪脚 L1-3:0.77mH0.25V@1kHz漏感低于5%磁材:PC40或等同材质 高压: 原边vs副边:3750Vac@1mA1min无击穿无飞弧 副边vs磁芯:1500Vac@1mA1min无击穿无飞弧 阻抗: 原边vs副边/绕组vs磁芯:500Vdc阻抗>100M 备注:这里采用三文治绕法,目的是为了降低漏感。 输出所有脚位全用上,目的是不浪费,同时降低输出绕组的内部阻抗。可以将PCB和变压器发出去打样了,剩下就是确定更多的参数并备料。 D101~D104:Iav=0.25A选1N4007(1000V@1A)当然选600V的也没有问题 snubbercircuit(RCD吸收):R101-100k1WC101-103@1kV(高压瓷片电容) D105-FR107(选600V的超快恢复也可以): 这部分可以计算,也可以直接选用经典的参数,在调试时,再进行继续来检验 D201:MBR10100 耐压:>Vo+Vin(max)*Ns/Np=12V+375Vdc*6/47=60V D106:FR107(耐压计算同上,选FR101亦可,尽快将电源里器件整合,故选FR107) R102:是一个分压电阻,主要用来限制Vdd的电压;0~100R范围内选,调试时,根据具体情况调整 R103,C105:这部分是STVIPER53DIP设定开关频率的,70kHz可查datasheet中的频率设定表,可知R103-10kC105-222 R103与C105组成一个RC网络,用于设定VIPer53的工作频率,它的工作频率可以高达300kHz,不过在AC-DC里我不建议使用那么高的频率。在VIPer53datasheet里有一个曲线,不过不是很方便,我将常用的频率设定表,整理一下,贴出来大家参考。 8脚TOVL是一个延时保护的,此处可以直接选104具体参数,根据应用时,来调整这个值。 1脚comp是一个补偿反馈脚,给出一组验证过的参数:R104-1k C104-47uF/50V(电解电容)C103-104这是一个一阶惯性环节,在副边反馈状态下,以副边反馈的补偿网络为主,在失反馈此补偿网络才变为主网络。 IC102-选用PC817C就OK了,不需要要求太高的CTR值。 L201-10uH3A的工字电感,与E201E202形成一个低通滤波器,能更好地抑制纹波,可计算,在这里我不提倡来计算,可以根据调试中所碰到的问题再来调整。 IC201-TL431TO92封装,ref-2.5V R205-1k这个值的计算>Vo-Vopdiode(光耦内发光二极管的压降)/Imin(光耦发光二极管最小击穿电流) 保证R205的选择能够在正常状态下,有效击穿光耦内部的发光二极管。 R204R202-18k4.7k根据公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)可计算。 C202-104这个也可以到时根据实际情况来调整,不需要去用公式进行复杂的计算。 CY103-这个是Y电容可以选222@400Vac,具体根据安规的耐压来选取,都可以在后续的工作中进行调整。   10.调试过程 到以上部分,基本上一个电源算是设计完成,后面的就是焊板调试过程。 调试所需要的简单设备(必需的):调压器,示波器,万用表;辅助设备:功率计,LCR电桥,电子负载 焊完板以后,进行静态检查,如果有LCR电桥的话,可以先测一下变压器同名端,电感量等参数以后再焊接。 静态检查:主要看有没有虚焊,连锡等;静态测试以后,可以用万用表测一下输入,输出是否处于短路状态;剩下就可以进行加电测试了。 开关电源的AC输入接入调压器,或者AC输入接入功率计再接至调压器,调压器处于0Vac;示波器接在STVIPER53DIP的DS两端或初级绕组两端亦可,交流耦合;万用表电压档测输出,并空载。 接通调压器电源,开始升压,不需要快速,同时观看示波器。 从0Vac开始升,会看到示波器上波形会有浮动(改成直流耦合会很清楚看到电压在上升)。当调压器的电压至40~60Vac区间时,如果示波器波形还没有变化的话,退回0Vac,重新检查电源板。 一般空载状态,在40~60Vac区间时,开关电源会开始工作,STVIPER53DIP也会进入工作模式,示波器上Vds波形会开始正常。 看输出电压是否达到预设值?未达到,退回0Vac检查采样,反馈及输出回路。如果都OK的状态下,再考虑将输入电压升至220Vac。遵循以上步骤调试的话,不会出现爆片或炸机现象。 备注:示波器需要隔离,或只允许LN输入,未隔离条件下PE的线不能接入,否则极易造成短路。 激动人心的一刻到了,人生的第一块电源就要诞生了! 带载还是建议一点一点地加,也监控着示波器,这里就省去一步一步加载过程,直接上手了 最后总结: 其实开关电源入门很简单,最好的入门是选用单片的,毕竟省去了启动电阻,电流检测电阻,MOS及驱动,保护电路等各种不确定因素的问题。等你真正入门了,积累一定的经验,再采用分立的结构进行设计就简单多了,凡事先易后难才有进步。

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