如今的電子電路設計當中，已經(jīng)開始大量使用開關電源。因為這種技術能夠控制開關管開通和關斷時間的比率，也就能對電流進行控制。但是很多新人對開關電源技術卻望而卻步，覺得學習起來比較困難，不知從何開始。本篇文章就針對此類問題對開關電源的整體設計流程進行了梳理性的講解，方便新手們系統(tǒng)性的學習。

開關電源設計的第一步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過，設計開關電源的第一步就是需要對規(guī)格進行確認，這里就以一款寬范圍輸入的12V2A常規(guī)隔離開關電源為例。首先我們要確定功率，根據(jù)具體要求來選擇相應的拓撲結構，這樣的一個開關電源通常會選擇反激式(flyback)，基本上可以滿足要求。

在決定使用flyback拓撲來完成設計之后。就有必要選擇相應的PWM IC與MOS來對初始的電路原理圖進行設計(sch)。無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。

在這里對兩種模式進行一下分析

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，缺點是設計和調(diào)試的周期會變長(僅從設計角度來說)。

集成式：就是將PWM IC與MOS集成在一個封裝里，省去設計者很多的計算和調(diào)試分步，適合于剛入門或快速開發(fā)的環(huán)境。

在確定了使用哪一款芯片之后，我們就可以著手來制作原理圖了。在本文中我們選用了ST VIPer53DIP(集成了MOS)來進行設計。設計之前最好都先看一下相應的datasheet，對初始的一些參數(shù)進行確認。

需要注意的是，無論設計開關電源時選用的是PI集成還是84x系列、OB系列、LD系列等分立，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計依據(jù)。當我們將原理圖完成以后，需要確定相應的參數(shù)才能進入下一步PCB Layout。

最重要的是，不同的公司會有不同的流程。我們在進行設計時要遵照相應的流程，以便養(yǎng)成良好的習慣。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。

先附上相應的原理圖

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，也可以這樣：

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。

順便我們在這里模擬一個故障情景，如果由于故障的原因，R205長期處于斷開狀態(tài)，那么會出現(xiàn)什么樣的后果?

R205斷開或光耦拆掉(相當于副邊失反饋)，電源依然會正常工作，此時進入原邊反饋模式PSR，參考框圖部分Vdd引腳的中間那個運放，此時會與COMP腳上的一階慣性環(huán)節(jié)形成穩(wěn)定的PWM控制系統(tǒng)。

參考電路圖如下：

確定開關頻率 選擇磁芯確定變壓器

這里確定芯片工作頻率為0KHz，芯片的頻率可以通過外部的RC來設定，工作頻率就等于開關頻率，這個外設的功能有利于我們更好的設計開關電源，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AC-DC的變換器，工作頻率不宜設超過100kHz，主要是開關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。如果頻率太高，相應的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，就會總結出關于芯片選擇的經(jīng)驗，在開關頻率和功率的基礎當中，經(jīng)驗選取尤為重要。當然計算的話，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。20W~40W 范圍內(nèi)EE25、EER25、EER28、EFD25、EFD30等均都可以。

加入頻率調(diào)制，就是在正常的工作頻率里添加周期的中低頻波，在EMC測試時，用于平均峰值達到降低EMC的作用，再直白一點就是頻率抖動。

EMC難過與否，主要還是取決于電路當中的di/dt、dv/dt的變化，針對分立的可能要調(diào)試的會有很多。但針對那些集成Power MOS的單芯片來說就要容易許多，內(nèi)部的驅(qū)動，電流檢測，MOS的匹配等都是半導體廠優(yōu)化好的，不需要擔心太多。

總的來說：頻率調(diào)制(或頻率抖動)對電源來說，弊大于利。畢竟正常的工作頻率里迭加其它頻率進去，對電源本身穩(wěn)定性等性能還是有所下降的，它只是針對EMC設備，平均了峰值起到一個欺騙的作用。

下圖是VIPer53開關電源頻率RC設定表，具體也可以參考datasheet里的特性曲線進行設定。

磁芯與傳輸功率對照表

設計變壓器進行計算

輸入input:85~265Vac

輸出output:12V2A

開關頻率Fsw:70kHz

磁芯core:EER28/28L

磁芯參數(shù)：Ae82mm2

以上均是已知參數(shù)，還需要設定一些參數(shù)，就可以進入下一步計算。

設定參數(shù)：

效率η=80%

最大占空比：Dmax=0.45

磁感應強度變化：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。

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，不建議再去計算和驗證。

漏感Lleakage<5%*Lp

也許有人會好奇，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。至于推導，不用那么麻煩，可以通過下面的圖來進行解釋，下面是DCM時的電流波形。至于CCM加一個平臺，可以自行推導，很簡單。

經(jīng)過上面的計算，得到了變壓器的電感量。有了它，就需要相應的匝數(shù)才能夠使變壓器正常的工作。

計算導通時間

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

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)

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=6T(已取整)。

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=6T

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，不建議死搬硬套。

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。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。

很多人在經(jīng)過這一步計算后，還會返回計算以驗證變壓器的窗口面積。實際上，經(jīng)過實踐之后，證明返回驗證是多余的。因為一旦繞制不下，變壓器廠會及時進行反饋。而驗證通過的，在實際中也不一定會通過。因為實際繞制過程中的熟練度，及稀疏還是起到很大的影響作用的。

再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進行布局及布板。

輸入輸出電解電容計算

輸入濾波電解電容：

Cin=(1.5~3)*Pin

輸出濾波電解電容：

Cout=(200~300)*Io

上面我們計算出輸入功率30W。所以Cin=45～90 uF。從理論上來說，這個值選的越大，對后級就越好。從成本上考慮，我們不會無限制的去選取大容量。此處選值47uF/400Vdc85℃或105℃，根據(jù)相應的應用環(huán)境來決定。電容不需要高頻，普通低阻抗的就可以了。

輸出電流是2A，Cout=400～600uF。此處電容需要適應高頻低阻的特性，這個值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內(nèi)。

因為是閉環(huán)精度控制，故取值470uF/16Vdc。這里電源就可以選兩顆470uF/16Vdc，加一個L，組成CLC低通濾波器。

基本上到這里，PCB上需要外形確定的器件已經(jīng)完成，即PCB封裝完成。下一步就可通過前面的原理圖(SCH)定義好器件封裝。

PCB Layout

上面已經(jīng)確定變壓器、原理圖、以及電解電容，其它的基本上都是標準件了。

由sch生成網(wǎng)絡表，在PCB file里定義好板邊然后加載相應的封裝庫以后，可以直接導入網(wǎng)絡表，進行布局。因為這個板相對比較簡單，也可以直接布板。導入網(wǎng)絡表是一個非常好的設計習慣。PCB layout重點不是怎么連線，最重要的是如何布局，一般來說布局OK的話，畫板就輕松多了。

在布局與布板方面，RCD吸收部分與變壓器形成的環(huán)面積要盡量小，這樣可以減小相應的輻射和傳導。

地線盡量的短和寬大，保證相應的零電平有利于基準的穩(wěn)定。同時，VIPER53DIP這顆DIP-8的芯片散熱的重要通道，應該放在di/dt、dv/dt 變化比較大的地方，盡量減小環(huán)路和加寬走線，降低不必要的電感特性。

附上一個老版本的圖，雖然可以改進的地方很多，但是目前仍舊在生產(chǎn)，供大家自行參考。

PCB Layout 完成以后，此時就可以確定變壓器的同名端，完整的定義變壓器，并發(fā)出去打樣或自己繞制。

EER28/28L骨架是6 6

原邊：1->3 輔助：6->5 輸出：7、8、9->10、11、12

對于輸出的腳位，我們可以用兩個，或者全用上，根據(jù)情況選擇。從原理圖及PCB圖上，1、6、7、8、9為同名端，自己繞制時，起線需從這幾個腳位起，同方向繞制。

變壓器正式定義：

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并剪腳。

L1-3: 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于5%

磁材：PC40或等同材質(zhì)。

高壓：

原邊vs副邊：3750Vac@1mA 1min，無擊穿無飛弧。

副邊vs磁芯：1500Vac@1mA 1min，無擊穿無飛弧。

阻抗：

原邊vs副邊/繞組vs磁芯 ：500Vdc阻抗>100M。

備注：這里采用三文治繞法，目的是為了降低漏感。

輸出所有腳位全用上，目的是不浪費，同時降低輸出繞組的內(nèi)部阻抗。接下來就可以將 PCB 和變壓器發(fā)出去打樣了， 剩下就是確定更多的參數(shù)并備料。

D101～D104：Iav =0.25A選 1N4007(1000V@1A)，當然選600V的也沒有問題。

snubber circuit(RCD 吸收) ：R101-100k 1W C101 - 103@1kV(高壓瓷片電容)。

D105-FR107(選600V的超快恢復也可以)。

這部分可以計算，也可以直接選用經(jīng)典的參數(shù)，在調(diào)試時，再進行繼續(xù)來檢驗。

D201: MBR10100

耐壓：>Vo Vin(max)*Ns/Np=12V 375Vdc*6/47=60V。

D106: FR107(耐壓計算同上，選FR101亦可，盡快將電源里器件整合，故選 FR107)。

R102: 是一個分壓電阻，主要用來限制Vdd的電壓，0～100R范圍內(nèi)進行選擇，調(diào)試時，根據(jù)具體情況調(diào)整。

R103、C105: 這部分是ST VIPER53DIP設定開關頻率的，70kHz可查datasheet中的頻率設定表，可知R103-10k C105–222。

8腳TOVL是一個延時保護，此處可以直接選104具體參數(shù)，根據(jù)應用來調(diào)整這個值。

1腳comp是一個補償反饋腳，給出一組驗證過的參數(shù)：R104-1k。

C104-47uF/50V(電解電容)

C103-104這是一個一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補償網(wǎng)絡為主，在失反饋此補償網(wǎng)絡才變?yōu)橹骶W(wǎng)絡。

IC102-選用PC817C就OK了，不需要要求太高的CTR值。

L201-10uH3A的工字電感，與E201 E202形成一個低通濾波器，能更好地抑制紋波。雖然可計算，但是不提倡來計算，可以根據(jù)調(diào)試中所碰到的問題再來調(diào)整。

IC201-TL431 TO92封裝，ref-2.5V。

R205-1k ：值的計算>Vo-Vopdiode(光耦內(nèi)發(fā)光二極管的壓降)/Imin(光耦發(fā)光二極管 最小擊穿電流)。

保證R205的選擇能夠在正常狀態(tài)下，有效擊穿光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管。

R204 R202-18k 4.7k ：根據(jù)公式2.5V/R202=Vo/(R202 R204)可計算。

C202-104：這個也可以到時根據(jù)實際情況來調(diào)整，不需要去用公式進行復雜的計算。CY103-這個是Y電容 可以選222@400Vac，具體根據(jù)安規(guī)的耐壓來選取，都可以在后續(xù)的工作中進行調(diào)整。

調(diào)試過程

到以上部分，基本上一個電源算是設計完成，后面的就是焊板調(diào)試過程。

調(diào)試所需要的簡單設備(必需的)：

調(diào)壓器、示波器、萬用表。

輔助設備：功率計、LCR電橋、電子負載。

焊完板以后，進行靜態(tài)檢查，如果有LCR電橋的話，可以先測一下變壓器同名端，電感量等參數(shù)以后再焊接。

靜態(tài)檢查：主要看有沒有虛焊，連錫等。

靜態(tài)測試以后，可以用萬用表測一下輸入，輸出是否處于短路狀態(tài)，剩下就可以進行加電測試了。開關電源的AC輸入接入調(diào)壓器，或者AC輸入接入功率計再接至調(diào)壓器，調(diào)壓器處于0Vac。

示波器接在ST VIPER53DIP的DS兩端或初級繞組兩端亦可，交流耦合萬用表電壓檔測輸出，并空載接通調(diào)壓器電源，開始升壓，不需要快速，同時觀看示波器。

從0Vac開始升，會看到示波器上波形會有浮動(改成直流耦合會很清楚看到電壓在上升)。當調(diào)壓器的電壓至40～60Vac區(qū)間時，如果示波器波形還沒有變化的話，退回0Vac，重新檢查電源板一般空載狀態(tài)，在40～60Vac 區(qū)間時，開關電源會開始工作，ST VIPER53DIP也會進入工作模式，示波器上Vds波形會開始正常。

看輸出電壓是否達到預設值，如果未達到，退回0Vac檢查采樣，反饋及輸出回路，如果都OK的狀態(tài)下，再考慮將輸入電壓升至220Vac。

遵循以上步驟調(diào)試的話，不會出現(xiàn)爆片或炸機現(xiàn)象。

備注：示波器需要隔離，或只允許LN輸入，未隔離條件下PE的線不能接入，否則極易造成短路。

至此，我們將開關電源設計當中涉及的全部過程進行了分析和講解。實際上開關電源是一種非常簡單的入門級別技術，最簡單的開關電源是采用單片機來進行設計的。為什么這么說呢?因為這種電路省去了啟動電阻，電流檢測電阻，MOS及驅(qū)動，保護電路這一系列的不確定因素。所以是非常適合新手來進行練習的。

到在逐漸累積經(jīng)驗達到入門級別之后，再去接觸采用分立的結構設計就簡單多了。在學習的過程當中，不妨先從簡單的入手，逐步過渡到較難的設計，這樣才能取得進步