实用开关电源分析与设计
开关电源电路设计实例分析
开关电源电路设计实例分析开关电源电路是一种常用的电源供电方式，其优点包括高效能、体积小、重量轻等特点，因此在电子设备中得到广泛应用。
本文将介绍开关电源电路设计的一般流程，并以设计一个12VDC输出的开关电源电路为例进行分析。
1.确定需求和规格在设计开关电源电路之前，首先要确定需求和规格。
例如，我们要设计一个12VDC输出电源，输出电流为1A，并且需要输入电压范围为220VAC。
此外，我们还需要确定开关电源的效率、功率因数等要求。
2.选取开关电源拓扑结构根据需求和规格，选择适合的开关电源拓扑结构。
常见的开关电源拓扑包括反激式、半桥或全桥式等。
根据需求，我们选择反激式开关电源。
3.选择主要元件根据选取的拓扑结构，选择适当的主要元件，包括主变压器、开关管、输出电容和滤波电感等。
选取主变压器时需要考虑输入输出电压比例、功率等因素；选择开关管时需要考虑导通电阻、开通速度等因素。
4.电路图设计根据所选的开关电源拓扑结构和主要元件，设计电路图。
包括输入滤波电路、整流电路、开关电路和输出滤波电路。
同时，需要设计开关电源的保护电路，如过流保护、过压保护等。
5.计算关键参数根据设计的电路图，计算关键参数。
例如，计算输入电流、输出电流、开关频率等。
这些参数可以通过电路图中的公式和关系计算得出。
6.仿真和优化通过电路仿真软件，对设计的电路进行仿真和优化。
可以通过调整元件参数和拓扑结构来优化电路性能，如提高效率或降低成本。
7.PCB布局设计在完成电路图设计和仿真优化后，需要进行PCB布局设计。
将电路图转化为实际的PCB布局，并考虑元件之间的布置、走线、散热等因素。
8.元件选型和采购根据PCB布局设计，选择合适的元件，并进行采购。
需要考虑元件的性能、价格、可靠性等因素。
9.确定元件焊接方式根据元件选型和PCB布局，确定元件的焊接方式。
根据焊接方式，可以选择手工焊接或波峰焊接等。
10.制作和调试样机根据设计和选型的元件，制作和调试样机。
开关电源设计-开关电源损耗分析与减小的方法
1.4 同步整流器可以使输出整流器导 通损耗的降低
为了降低输出整流器的导通损耗，可以采 用MOSFET构成同步整流器，如果一个导 通电阻为10mΩ的MOSFET流过20A电流， 其导通电压降仅仅0.2V！明显低于肖特基 二极管的在这个电流下的导通电压，如果 流过10A电流，则导通电压会更低。 这就是现在的高效率开关电源的输出整流 器采用同步整流器的最主要的原因。
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尽可能增加占空比可以降低导通损 耗
在开关管额定电流相同的条件下。占空比 为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的 80%、是占空比0.4的导通损耗的60%。 这种损耗的减少是在不增加成本和电路复 杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得 到的。
常规技术下开关管的导通损耗比例
MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占 开关管总损耗的2/3； IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关 管总损耗的1/3。
开关管的驱动 驱动MOSFET实际上是对MOSFET的栅极 电容的充放电过程。 例如在100ns时间内驱动一个100nC栅极电 荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关 断需要1A驱动电流，如果是200mA则驱动 时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会 增加到1A驱动电流的5倍。 因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非 常重要。
开关电源工程化实用设计指南
开关电源工程化实用设计指南开关电源是一种非常重要的电力转换设备，它可以将输入的直流电压转换为输出的交流电压，从而满足各种电子设备的供电需求。
开关电源的工程化实用设计是一项涉及到多个领域的技术工作，包括电路设计、磁性元件设计、功率转换器设计、控制器设计和可靠性设计等。
下面将介绍开关电源的工程化实用设计指南。
一、电路设计开关电源的电路设计是整个设计的核心，也是最关键的一步。
在电路设计中，需要考虑以下几个方面的因素：输入和输出电压：开关电源的输入和输出电压需要根据电子设备的实际需求来确定。
在输入电压方面，需要考虑到电网电压的波动和噪声等因素，确保开关电源能够稳定工作。
在输出电压方面，需要根据电子设备的功率和负载特性来进行设计，确保输出的电压能够满足电子设备的供电需求。
功率容量：开关电源的功率容量需要根据电子设备的功率需求来确定。
在确定功率容量时，需要考虑到开关电源的最大负载和可能出现的峰值负载等因素，确保开关电源的功率容量足够且不会出现过载或损坏的情况。
电路拓扑：开关电源的电路拓扑是指其基本电路结构。
根据不同的需求，可以选择不同的电路拓扑来进行设计。
常用的电路拓扑包括BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型等，需要根据实际情况来选择合适的电路拓扑。
控制方式：开关电源的控制方式是指如何控制开关管的导通和关断，以达到稳定输出电压的目的。
常用的控制方式包括脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和电流模式控制等，需要根据实际情况来选择合适的控制方式。
二、磁性元件设计开关电源中的磁性元件主要包括电感和变压器，它们在功率转换器中起到重要的作用。
在磁性元件设计中，需要考虑以下几个方面的因素：磁芯材料：磁芯材料的选择是磁性元件设计的关键。
常用的磁芯材料包括铁氧体、坡莫合金和非晶合金等，需要根据实际情况来选择合适的磁芯材料。
线圈设计：线圈设计是磁性元件设计的另一个关键因素。
在电感设计中，需要考虑到线圈的匝数、线径和绕制方式等因素，以确保电感能够满足开关电源的负载需求。
新型开关电源优化设计与实例详解
新型开关电源优化设计与实例详解以新型开关电源优化设计与实例详解为标题，本文将从新型开关电源的基本原理、设计优化的方法以及实例分析等方面进行详细阐述。
一、新型开关电源的基本原理开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源装置，其基本原理是通过开关管的开关动作来实现电源的开关控制。
传统的开关电源在工作过程中存在一些问题，如功率损耗大、效率低、噪声大等。
为了克服这些问题，新型开关电源采用了一些优化设计方法。
二、新型开关电源的设计优化方法1. 降低功率损耗：通过采用功率开关管的低导通电阻材料和优化电路设计，降低功率开关管的导通电阻，从而减少功率损耗。
2. 提高效率：采用高效的开关控制器和高效的变压器设计，减少能量的损耗，提高开关电源的转换效率。
3. 降低噪声：通过优化电路布局和选择低噪声元件，减少开关电源的噪声产生，提高工作环境的舒适性。
4. 提高稳定性：采用先进的控制算法和稳压电路设计，提高开关电源的稳定性，减少输出波动。
5. 减小体积：通过优化元件布局和采用高集成度的芯片设计，减小开关电源的体积，提高电源的集成度和便携性。
三、新型开关电源的实例分析以一款新型开关电源为例进行分析，该开关电源采用了先进的控制算法和高效的变压器设计，具有以下特点：1. 高效率：通过优化的开关控制器和变压器设计，该开关电源的转换效率达到了90%以上，相比传统开关电源提高了20%以上。
2. 低噪声：采用低噪声元件和优化的电路布局，该开关电源的噪声水平明显低于传统开关电源，提高了工作环境的舒适性。
3. 稳定性强：通过先进的控制算法和稳压电路设计，该开关电源的输出稳定性非常好，输出波动小于1%。
4. 小巧便携：采用高集成度的芯片设计和优化的元件布局，该开关电源的体积明显减小，非常适合便携式设备的使用。
以上是对新型开关电源优化设计与实例的详细阐述。
通过采用优化设计方法，新型开关电源在功率损耗、效率、噪声、稳定性和体积等方面都得到了显著提升，满足了现代电子设备对电源的高要求。
开关电源设计(精通型)
开关电源设计（精通型）一、开关电源基本原理及分类1. 基本原理开关电源的工作原理是通过控制开关器件的导通与关断，实现电能的高效转换。
它主要由输入整流滤波电路、开关变压器、输出整流滤波电路和控制电路组成。
在开关电源中，开关器件将输入的交流电压转换为高频脉冲电压，通过开关变压器实现电压的升降，经过输出整流滤波电路，得到稳定的直流电压。
2. 分类（1）PWM（脉冲宽度调制）型开关电源：通过调节脉冲宽度来控制输出电压，具有高效、高精度等特点。
（2）PFM（脉冲频率调制）型开关电源：通过调节脉冲频率来控制输出电压，适用于负载变化较大的场合。
二、开关电源关键技术与设计要点1. 高频变压器设计（1）选用合适的磁芯材料，保证变压器在高频工作时的磁通密度不超过饱和磁通密度。
（2）合理设计变压器的绕组匝数比，以满足输出电压和电流的要求。
（3）考虑变压器损耗，包括铜损、铁损和杂散损耗，确保变压器具有较高的效率。
2. 开关器件的选择与应用（1）开关频率：根据开关电源的设计要求，选择合适的开关频率。
（2）电压和电流等级：确保开关器件能承受最大电压和电流。
（3）功率损耗：选择低损耗的开关器件，提高开关电源的效率。
（4）驱动方式：根据开关器件的特点，选择合适的驱动电路。
3. 控制电路设计（1）稳定性：确保控制电路在各种工况下都能稳定工作。
（2）精度：提高控制电路的采样精度，降低输出电压的波动。
（3）保护功能：设置过压、过流、短路等保护功能，提高开关电源的可靠性。
三、开关电源设计实例分析1. 确定设计指标输入电压：AC 85265V输出电压：DC 24V输出电流：4.17A效率：≥90%2. 高频变压器设计选用EE型磁芯，计算磁芯尺寸、绕组匝数和线径。
3. 开关器件选择根据设计指标，选择一款适合的MOSFET作为开关器件。
4. 控制电路设计采用UC3842作为控制芯片，设计控制电路，实现开关电源的稳压输出。
5. 实验验证搭建实验平台，对设计的开关电源进行测试，验证其性能指标是否符合要求。
【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型
【很完整】⽜⼈教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型1 开关电源介绍此⽂档是作为张占松⾼级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申⼯讲解了变压器设计之后，在此⽂章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路⼯作原理和设计过程中关键器件计算与选型。
开关电源的⼯作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：开关：电⼒电⼦器件⼯作在开关状态⽽不是线性状态⾼频：电⼒电⼦器件⼯作在⾼频⽽不是接近⼯频的低频直流：开关电源输出的是直流⽽不是交流也可以输出⾼频交流如电⼦变压器1.1 开关电源基本组成部分1.2 开关电源分类：开关电源按照拓扑分很多类型：buck boost 正激反激半桥全桥 LLC 等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种⼯作⽅式：正激：是开关管开通时传输能量，反激：开关管关断时传输能量。
下⾯将以反激电源为例进⾏讲解。
1.3 反激开关电源简介反激⼜被称为隔离buck-boost 电路。
基本⼯作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量反激开关电源根据开关管数⽬可分为双端和单端反激。
根据反激变压器⼯作模式可分为CCM 和DCM 模式反激电源。
根据控制⽅式可分为PFM 和PWM 型反激电源。
根据驱动占空⽐的产⽣⽅式可分为电压型和电流型反激开关电源。
我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM 单端反激电源。
1.4 电流型PWM 单端反激电源此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适⽤⼩功率电源。
此类反激电源缺点：功率较⼩，⼀般在150w 以下，纹波较⼤，电压负载调整率低，⼀般⼤于5%。
此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输⼊电压，多路输出的变压器。
2 举例讲解设计过程为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC 输⼊，+5V±3%（5A），±15±5%（0.5A）三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。
提出上⾯要求，选择思路如下：提出上⾯要求，选择思路如下：电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W 功率较⼩，可以选择反激开关电源。
开关电源PCB设计要点及实例分析
开关电源PCB设计要点及实例分析开关电源PCB设计要点及实例分析开关电源PCB设计要点及实例分析为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC/DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。
由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB设计就变得非常重要。
开关电源PCB设计与数字电路PCB设计完全不一样。
在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。
用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。
所以,设计人员需要对开关电源PCB设计基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。
1 开关电源PCB设计基本要点1.1 电容高频滤波特性图1是电容器基本结构和高频等效模型。
图1 电容器结构和寄生等效串联电阻和电感电容的基本公式是C=Εrε0 （1）式（1）显示，减小电容器极板之间的距离（D）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。
电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。
图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（ZC）。
图2 电容阻抗（ZC）曲线一个电容器的谐振频率（F0）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到，即F0= （2）当一个电容器工作频率在F0以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即ZC= （3）当电容器工作频率在F0以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即ZC=J2πfLESL（4）当电容器工作频率接近F0时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻（RESR）。
电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。
由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。
钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波上。
瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，所以能使用在高频滤波和旁路电路上。
(整理)开关电源电路设计实例分析(设计流程)
开关电源电路设计实例分析(设计流程)1. 目的希望以简短的篇幅，将公司目前设计的流程做介绍，若有介绍不当之处，请不吝指教.2 设计步骤:2.1 绘线路图、PCB Layout.2.2 变压器计算.2.3 零件选用.2.4 设计验证.3 设计流程介绍(以DA-14B33 为例):3.1 线路图、PCB Layout 请参考资识库中说明.3.2 变压器计算:变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的，以下即就DA-14B33 变压器做介绍.3.2.1 决定变压器的材质及尺寸:依据变压器计算公式B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss)Lp = 一次侧电感值(uH)Ip = 一次侧峰值电流(A)Np = 一次侧(主线圈)圈数Ae = 铁心截面积(cm2)B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK FerriteCore PC40 为例，100℃时的B(max)为3900 Gauss，设计时应考虑零件误差，所以一般取3000~3500 Gauss 之间，若所设计的power 为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss 左右，以避免铁心因高温而饱合，一般而言铁心的尺寸越大，Ae 越高，所以可以做较大瓦数的Power。
3.2.2 决定一次侧滤波电容:滤波电容的决定，可以决定电容器上的Vin(min)，滤波电容越大，Vin(win)越高，可以做较大瓦数的Power，但相对价格亦较高。
3.2.3 决定变压器线径及线数:当变压器决定后，变压器的Bobbin即可决定，依据Bobbin的槽宽，可决定变压器的线径及线数，亦可计算出线径的电流密度，电流密度一般以6A/mm2为参考，电流密度对变压器的设计而言，只能当做参考值，最终应以温升记录为准。
设计流程简介3.2.4 决定Duty cycle (工作周期):由以下公式可决定Duty cycle ，Duty cycle 的设计一般以50%为基准，Duty cycle 若超过50%易导致振荡的发生。
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容性负载：1000uF-8000uF 4. 输出纹波和噪音(ripple and noise): 120mVpp 5. 闭环稳定性：Phase margin>50°；Gain margin>10dB Institute of Electrical Engineering Yanshan University
输出(Output repuirements) 1. 电压容差(Voltage tolerance)： 2. 电流和功率：
3. 动态负载响应(dynamic)： Turn on overshoot: <10% 负载变化(load variation): 10Hz-10KHz, duty:10%-90%
Basic Theory
Vin1 Vin2 Vini-2
Vin0 Vini-1
Iin t i Vin(t ) L L t Ton
Keep Ton at every switching cycle, then Iin(t) will follow with Vin(t). --- TM PFC realized
开关电源设计规格书和技术指标(Specification)
电气规范(Electrical specification) 机械规范(Mechanical specification)
噪音要求(Acoustic requirements)
兼容性(Regulatory compliance) 可靠性和测试计划(Reliability requirement and test plan)
QR Flyback适合于小功率开关电源，一般功率小于200W
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
QR Flyback 主电路
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
开关电源设计规格书和技术指标(Specification)
噪音要求(Acoustic requirements) 兼容性(Regulatory compliance)
Safety Certifications EMC Requirements Environmental Regulatory Compliance
EMI and CCM PFC Parts
Hale Waihona Puke Institute of Electrical Engineering Yanshan University
EMI and CCM PFC Parts
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
开关电源设计规格书和技术指标(Specification)
电气规范(Electrical specification)
输入(Input requirement)
1. 输入电压：
2. 输入过流保护：fuse 3. 交流浪涌电流： I2t 4. 漏电流: <3.5mA 5. 电压浪涌和hold up time: 300Vrms for 100ms; >20ms 6. AC line brown out: <80Vrms shut down 7. 效率和能源之星(Energy Star)
8. 功率因数：>90% @50%load, >95%@100%load
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
开关电源设计规格书和技术指标(Specification)
电气规范(Electrical specification)
开关电源设计规格书和技术指标(Specification)
电气规范(Electrical specification)
保护(Circuit protection) 1. Over Voltage Protection(OVP) The OVP shall be latch mode. There shall be no mis-trigger of the OVP under normal operation. Recycle the AC source is required to reset the PS after OVP.
QR(quasi-resonant) Flyback
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
QR Flyback 优点：
利用寄生参数产生的谐振，可以减小开关的开通损耗； 对减小EMI有利；
电流临界，MOS是零电流开通；
EMI Filter and Rectifier
NCP1605 Control Circuit
Vbus Discharge Circuit
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
连续导电模式PFC电路(CCM)
电路原理
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
CRM PFC for lower switching loss and diode reverse recovery loss.
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
临界连续模式PFC电路(TM or CRM) 优点：
消除了Boost 二极管的反向恢复，减小反向恢复引起的损耗，并且可以使用快恢 复二极管； 引入适当的延时可以实现功率MOS的近似零电压开通； 可实现MOS的零电流开通； 开关损耗低； 控制较为简单，功率因数高。 缺点： 流过器件的电流应力大，通态损耗增加； 输入、输出电流脉动大，增加输入、输出滤波器负担；
实用开关电源分析与设计
主要内容
1. 开关电源设计规格书和技术指标; 2. 常用的基本拓扑简介及适用的领域和功率等级； 3. 小功率辅助电源和电源适配器设计； 4. 台式机电源及无外壳内置式电源设计; 5. 传统服务器一次电源设计； 6. 原理图设计及PCB布局和布线。
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
可靠性和测试计划(Reliability requirement and test plan)
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
常用的基本拓扑简介及适用的领域和功率等级
功率因数校正电路(PFC)
1. 临界连续模式PFC电路(TM or CRM)
2. Short circuit protection(SCP) 输出短路电阻小于0.1Ω, PS shut down and latch off. 3. Over current protection(OCP) OCP 触发点在30A~38A之间。 4. Over temperature protection(OTP) Institute of Electrical Engineering Yanshan University
完整的电路
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
正激变换器(Forward)
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
开关电源设计规格书和技术指标(Specification)
机械规范(Mechanical specification)
1. 2. 3. 冷却(Cooling) 风速(Airflow) 器件温度和风扇控制 热保护 治具和连接(Harness and connector, wires) 外形、尺寸和重量
采用快恢复二极管时，二极管反向恢复电流大；
功率开关MOS开通的电流大，开通损耗大； 为了减小二极管反向恢复，需选择价格较高的SiC二极管，成本较高；
CCM PFC适合于中大功率开关电源，一般功率大于300W Institute of Electrical Engineering Yanshan University
功率因数校正电路(PFC)
临界连续模式PFC电路(TM or CRM) 连续导电模式PFC电路(CCM)
Institute of Electrical Engineering Yanshan University
临界连续模式PFC电路(TM or CRM)
Operation Theories _ TM PFC controlled by NCP1605
连续导电模式PFC电路(CCM)
控制方式
峰值电流控制
滞环电流控制
平均电流控制 Institute of Electrical Engineering Yanshan University
连续模式PFC电路(CCM)