开关电源的设计步骤

【开篇】

针对开关电源很多人觉得难，主要是理论与实践相结合；万事开头难，我在这里只能算抛砖引玉，慢慢讲解如何设计，有任何技术问题可以随时打断，我将尽力来进行解答。设计一款开关电源并不难，难就难在做精；我也不是一个很精熟的工程师，只能算一个领路人。希望大家喜欢大家一起努力!!

【第一步】

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

备注一个，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【第二步】

2.当我们确定用flyback 拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWM IC 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：PWM IC 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PWM IC 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

集成式，多是指PWM controller 和power switch 集成在一起的芯片

不限定于是PSR 还是SSR

【第三步】

3. 确定所选择的芯片以后，开始做原理图(sch)，在这里我选用ST VIPer53DIP(集成了MOS) 进行设计，原因为何(因为我们是销售这一颗芯片的)？

设计之前最好都先看一下相应的datasheet，自己确认一下简单的参数

无论是选用PI 的集成，或384x 或OB LD 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

【第四步】

4. 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PCB Layout

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

一般有芯片厂家提供相关资料

【第五步】

5. 确定开关频率，选择磁芯确定变压器

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。

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/dt dv/dt 都会增加，除PI 132kHz 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EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以

【第六步】

6. 设计变压器进行计算

输入input: 85~265Vac

输出output: 12V 2A

开关频率Fsw: 70kHz

磁芯core: EER28/28L

磁芯参数：Ae 82mm2

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

计算开始

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 ) = 770 uH

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) = 47 T（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):

12 Vdc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= 120 Vdc / 47 T = 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)= (12 Vdc + 0.7Vdc +

0.5Vdc) / 2.55 = 6 T (已取整)

4）计算变压器辅助绕组(aux turning)输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为ST VIPer53DIP 副边反馈需低于14.5 Vdc，故选取12 Vdc 作为辅助电压；Na = 6 T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。

【第七步】

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 ～90 uF

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/400Vdc 85℃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