开关电源设计到调试-笔记

5月前浏览504

针对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。万事开头难，在这就抛砖引玉，慢慢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。在这里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。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.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：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（仅从设计角度来说）；集成式：就是将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)，在这里我选用STVIPer53DIP(集成了MOS)进行设计。

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，或384x或OBLD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.确定相应的参数

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。

6.关于变压器磁芯的选择

功率大小：

小于5w可使用的磁芯：

ER9.5,ER11.5,EE8.3,EE10,EE13,RM4,GU11,EP7,EP10,UI9.8,URS7

5-10W可使用的磁芯：

ER20,EE19,RM5,GU14,EFD15,EI22,EPC13,EF16,EP13,UI11.5

10-20W可使用的磁芯：

ER25,EE20,EE25,RM6,GU18,EPC17,EF20

20-50W可使用的磁芯：

ER28,ETD28,EI28,EE28,EE30,EF25,RM8,GU22,PQ20,EPC19,EFD20

50-100W可使用的磁芯：

ER35,ETD34,EE35,EI35,EF30,RM10,GU30,PQ26,EPC25,EFD25

100-200W可使用的磁芯：

ER40,ER42,ETD39,EI40,RM12,GU36,PQ32,EFD30

200-500W可使用的磁芯：

ER49,ETD49,EC53,EE42,EE55,EI50,RM14,GU42,PQ35,PQ40,UU66

大于500W可使用的磁芯：

ER70,ETD59,EE65,EE85,GU59,PQ50,UU80,UU93

磁芯与传输功率对照表

7.设计变压器进行计算

输入input：85~265Vac

输出output：12V2A

开关频率Fsw：70kHz

磁芯core：EER28/28L

磁芯参数：Ae82mm2

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。

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)=770uH

这里的4是一个经验值，当然也是我自己独家的经验。至于推导，不用那么麻烦，看下面的图，你就明白了，下面是DCM时的电流波形;至于CCM加一个平台，自己可以推导，很简单。

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<>

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)=47T（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)：

12Vdc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=120Vdc/47T=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)=(12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc)/2.55=6T(已取整)

4）计算变压器辅助绕组(auxturning)输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为STVIPer53DIP副边反馈需低于14.5Vdc，故选取12Vdc作为辅助电压；Na=6T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<>

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。

8.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=45～90uF

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/400Vdc85℃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。因为是闭环精度控制，故取值470uF/16Vdc

这里电源就可以选两颗470uF/16Vdc，加一个L，阻成CLC低通滤波器。

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；下一步就可通过前面的原理图(SCH)定义好器件封装。

9.PCBLayout

上面已经确定变压器，原理图，以及电解电容，其它的基本上都是标准件了。

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，导入网络表是一个非常好的设计习惯。

PCBlayout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尽量小；这样可以减小相应的辐射和传导。

2)地线尽量地短和宽大，保证相应的零电平有利于基准的稳定；同时VIPER53DIP这颗DIP-8的芯片散热的重要通道。

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。

附上相应的图，N久之前的版本，可以改进的地方很多，各位自行参考：目前这一块板仍一直在生产。

10.确定部分参数

我们前几步已经计算了变压器，PCBLayout完成以后，此时就可以确定变压器的同名端,完整的定义变压器，并发出去打样或自己绕制。

EER28/28L骨架是6+6

原边：1->3辅助：6->5输出：7，8，9->10，11，12

对于输出的脚位，我们可以用两个，或者全用上，看各位自己的选择。

从原理图及PCB图上，1，6，7，8，9为同名端，自己绕制时，起线需从这几个脚位起，同方向绕制。

变压器正式定义：

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并剪脚

L1-3：0.77mH0.25V@1kHz漏感低于5%磁材：PC40或等同材质

高压：

原边vs副边：3750Vac@1mA1min无击穿无飞弧

副边vs磁芯：1500Vac@1mA1min无击穿无飞弧

阻抗：

原边vs副边/绕组vs磁芯：500Vdc阻抗>100M

备注：这里采用三文治绕法，目的是为了降低漏感。

输出所有脚位全用上，目的是不浪费，同时降低输出绕组的内部阻抗。可以将PCB和变压器发出去打样了，剩下就是确定更多的参数并备料。

D101～D104：Iav=0.25A选1N4007（1000V@1A）当然选600V的也没有问题

snubbercircuit(RCD吸收)：R101-100k1WC101-103@1kV（高压瓷片电容）

D105-FR107(选600V的超快恢复也可以)：

这部分可以计算，也可以直接选用经典的参数，在调试时，再进行继续来检验。

D201：MBR10100

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

D106：FR107（耐压计算同上，选FR101亦可，尽快将电源里器件整合，故选FR107）

R102：是一个分压电阻，主要用来限制Vdd的电压；0～100R范围内选，调试时，根据具体情况调整

R103，C105：这部分是STVIPER53DIP设定开关频率的，70kHz可查datasheet中的频率设定表，可知R103-10kC105-222

R103与C105组成一个RC网络，用于设定VIPer53的工作频率，它的工作频率可以高达300kHz，不过在AC-DC里我不建议使用那么高的频率。在VIPer53datasheet里有一个曲线，不过不是很方便，我将常用的频率设定表，整理一下，贴出来大家参考。

8脚TOVL是一个延时保护的，此处可以直接选104具体参数，根据应用时，来调整这个值。

1脚comp是一个补偿反馈脚，给出一组验证过的参数：R104-1k

C104-47uF/50V(电解电容)C103-104这是一个一阶惯性环节，在副边反馈状态下，以副边反馈的补偿网络为主，在失反馈此补偿网络才变为主网络。

IC102-选用PC817C就OK了，不需要要求太高的CTR值。

L201-10uH3A的工字电感，与E201E202形成一个低通滤波器，能更好地抑制纹波，可计算，在这里我不提倡来计算，可以根据调试中所碰到的问题再来调整。

IC201-TL431TO92封装，ref-2.5V

R205-1k这个值的计算>Vo-Vopdiode(光耦内发光二极管的压降)/Imin(光耦发光二极管最小击穿电流)

保证R205的选择能够在正常状态下，有效击穿光耦内部的发光二极管。

R204R202-18k4.7k根据公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)可计算。

C202-104这个也可以到时根据实际情况来调整，不需要去用公式进行复杂的计算。

CY103-这个是Y电容可以选222@400Vac，具体根据安规的耐压来选取,都可以在后续的工作中进行调整。

11.调试过程

到以上部分，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（必需的）：调压器，示波器，万用表；辅助设备：功率计，LCR电桥，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。

开关电源的AC输入接入调压器，或者AC输入接入功率计再接至调压器，调压器处于0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS两端或初级绕组两端亦可，交流耦合；万用表电压档测输出，并空载。

接通调压器电源，开始升压，不需要快速，同时观看示波器。

从0Vac开始升，会看到示波器上波形会有浮动（改成直流耦合会很清楚看到电压在上升）。当调压器的电压至40～60Vac区间时，如果示波器波形还没有变化的话，退回0Vac，重新检查电源板。

一般空载状态，在40～60Vac区间时，开关电源会开始工作，STVIPER53DIP也会进入工作模式，示波器上Vds波形会开始正常。

看输出电压是否达到预设值？未达到，退回0Vac检查采样，反馈及输出回路。如果都OK的状态下，再考虑将输入电压升至220Vac。遵循以上步骤调试的话，不会出现爆片或炸机现象。

备注：示波器需要隔离，或只允许LN输入，未隔离条件下PE的线不能接入，否则极易造成短路。

激动人心的一刻到了，人生的第一块电源就要诞生了！

带载还是建议一点一点地加，也监控着示波器，这里就省去一步一步加载过程，直接上手了。

12.最后总结

其实开关电源入门很简单，最好的入门是选用单片的，毕竟省去了启动电阻，电流检测电阻，MOS及驱动，保护电路等各种不确定因素的问题。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。

说明：本文来源网络；文中观点仅供分享交流，不代表本公众号立场，转载请注明出处，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。

来源：电力电子技术与新能源

车载充电器（OBC）结构原理（一）

01车载充电机电路板原理车载充电机是将交流充电桩的交流电转换为高压直流电给动力电池充电的设备。其工作原理大致分为以下几个步骤：输入交流电：220伏的交流电从充电器输入，通常有三根线，即火线L1、零线N和地线G。消除干扰：输入的交流电经过EMI（电磁干扰）电路进行处理，EMI电路包含了一些X电容、Y电容、共模电感以及热敏电阻、压敏电阻等元件，用于消除信号中的干扰。整流：将交流电转换为直流电，通过整流桥完成。PFC校准：由于电压和电流的相位不一致，需要使用PFC（功率因素校准）电路进行调整，使电压和电流的相位和频率一致。一般采用BOOST（升压）电路，通过电感、开关管、二极管和电容进行处理。LLC电路震荡：直流电压通过开关管，转换为交流变化的电压，再通过变压器进行升压或降压。整流和滤波：经过二极管整流和电容滤波后，得到400伏的高压直流电，用于给电池充电。然后会经过 PFC (Power Factor Correction) 功率因数校正（可能是有桥PFC或者无桥PFC，下面有针对PFC的详细介绍），经过整流控制器（电源转换电路）整流电路，交流电转直流电，再通过 DC/DC 升压或降压，给电池包慢充。PFC和DC/DC都需要通过开关管来控制，开关管需要通过驱动芯片控制，驱动芯片需要主控芯片控制。因此，需要通过主控芯片来控制驱动芯片，驱动芯片通过开关管来控制PFC和DC/DC。 02车载充电机的分类1、车载充电机功能可分为： ① 单向充电：交流转直流 ② 双向充电：交流转直流、直流转交流（户外供电）。 2、内部是否有变压器可分为： ① 隔离型车载充电机：交流电与直流电经过变压器隔离 ② 非隔离型车载充电机。说明：本文来源网络；文中观点仅供分享交流，不代表本公众号立场，转载请注明出处，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。来源：电力电子技术与新能源