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如何独自设计一款开关电源?其实没有你想象中那么难

发布时间:2019-06-27 责任编辑:wenwei

【导读】设计开关电源很多人觉得很难,其实不然。设计一款开关电源并不难,难就难在做精,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。本文将讲解如何一步一步设计开关电源。
 
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,今天我给大家简单讲下设计一款宽范围输入的隔离开关电源。
 
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一般选择反激式(flyback)基本上可以满足要求。在这里我会选择用公式来计算,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还是集成的设计,对里面的计算我都会进行分解。
 
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。
 
集成式: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)。
 
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、384x或OBLD等分立的设计,你都需要参考一下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PCB Layout。当然不同的公司各有不同的流程,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,签核完毕后就可以进行计算了。
 
如何独自设计一款开关电源?其实没有你想象中那么难
开关电源原理图
 
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AC-DC的变换器,工作频率不宜设成超过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PI的132kHz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,关键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、居里温度和频率特性等等,这个是需要慢慢建立的。
 
6、设计变压器进行计算
 
我们根据输入/输出、开关频率和所选磁芯参数,同时设置好效率、最大占空比、磁感应强度变化等参数,就可以进入下一步计算,得出功率、平均及峰值电压电流、匝数和电感量。这里的输入峰值电流,大约是输入平均电流的4倍,这是个经验,也可以根据下图来推导,很简单的。
 
如何独自设计一款开关电源?其实没有你想象中那么难
峰值电流与平均电流的关系
 
确认匝数以后,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就可以。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。
 
很多人在这一步“计算”过了以后,还会做返回计算,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。
 
7、输入输出电解电容计算
 
这里按照上步计算的输入功率和输出电流,最终确定电解电容的规格,根据应用环境选取频率和阻抗,电容Cin理论选值越大,对后级越好,但从成本考虑却不会无限制选取大容量。
 
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;下一步就可通过原理图(sch)定义好器件封装。
 
8、PCB Layout
 
上面已经确定变压器,原理图,以及电解电容,接下都是标准件了。
 
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,但导入网络表是一个非常好的设计习惯。
 
PCB layout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应尽量??;这样可以减小相应的辐射和传导。
 
2)地线应尽量的短和宽大,保证相应的零电平有利于基准的稳定。
 
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。
 
如何独自设计一款开关电源?其实没有你想象中那么难
如何独自设计一款开关电源?其实没有你想象中那么难
PCB布局图
 
9、确定部分参数
 
我们前几步已经计算了变压器。PCB Layout完成以后,就可以确定变压器的同名端,完整地定义变压器,并发出去打样或自己绕制。
 
10、调试过程
 
完成了以上部分,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:调压器,示波器,万用表;辅助设备:功率计,LCR电桥和电子负载。
 
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。
 
如何独自设计一款开关电源?其实没有你想象中那么难
电子元器件安装完成
 
其实开关电源入门很简单,最好的入门是选用单片的结构,毕竟省去了启动电阻,电流检测电阻,MOS及驱动,?;さ缏返雀髦植蝗范ㄒ蛩氐奈侍?。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。
 
开关电源是一切电子设备的心脏,哪里有电器哪里就有“开关电源”,在硬件行业中有着非常重要的地位。
 
 
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