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如何进行开关电源设计

来源:未知 编辑:电工吧 时间:2019-12-16 19:04:17
摘要: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

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bbbbb: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,,;辅助设备:功率计,lcr电桥,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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