【入门必读】详解一步一步设计开关电源

 新闻资讯     |      2019-07-22 14:18
【入门必读】详解一步一步设计开关电源
开关电源设计的步就是看规格,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
 
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
 
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
 
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了
 
不需要启动电阻的,因为这颗片子里已经集成了一个 高压启动电流源  
 
当然针对 UC384X 等需要启动电阻的芯片来说,计算启动电阻阻值的话,可以这样
Rstart = (Vin(min) - Vdd ) / Istart
Rstart: 启动电阻
Vin(min): 输入低直流电压
Vdd: 芯片的供电电压
Istart: 芯片的启动电流
 
一个很有深度的问题,同时也是 VIPer53 异于其它 single chip power 的优点
R205 断开或相当于光耦拆掉(相当于副边失反馈),电源依然会正常工作,此时进入原边反馈模式 PSR,参考框图部分 Vdd 引脚的中间那个运放,此时会与 COMP 脚上的 一阶惯性环节形成稳定的 PWM 控制系统
 
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/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
 
6. 设计变压器进行计算(续)
计算开始
输出功率 Po = 12V * 2A = 24W
输入功率 Pin = Po/η = 24W/0.8 = 30W
输入低电压 Vin(min) = Vac(min)*sqr(2) = 85Vac * 1.414 = 120Vdc
输入高电压 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
 
7. 设计变压器进行计算(续2)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       
     
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