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開關電源設計調試全過程

鉅大LARGE  |  點擊量:183次  |  2020年03月31日  

摘要
針對開關電源很多人覺得很難,其實不然。設計一款開關電源并不難,難就難在做精,等你真正入門了,積累一定的經驗,再采用分立的結構進行設計就簡單多了。萬事開頭難,筆者在這就拋磚引玉,慢慢講解如何一步一步設計開關電源。

針對開關電源很多人覺得很難,其實不然。設計一款開關電源并不難,難就難在做精,等你真正入門了,積累一定的經驗,再采用分立的結構進行設計就簡單多了。萬事開頭難,筆者在這就拋磚引玉,慢慢講解如何一步一步設計開關電源。


開關電源設計的第一步就是看規格,具體的很多人都有接觸過,也可以提出來供大家參考,我幫忙分析。


在這里只帶大家設計一款寬范圍輸入的,12V2A的常規隔離開關電源。


1、首先確定功率


根據具體要求來選擇相應的拓撲結構;這樣的一個開關電源多選擇反激式(flyback)基本上可以滿足要求。在這里我會更多的選擇是經驗公式來計算,有需要分析的,可以拿出來再討論。


2、選擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路原理圖設計


當我們確定用flyback拓撲進行設計以后,我們需要選擇相應的PWMIC和MOS來進行初步的電路原理圖設計(sch)。無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對里面的計算我還會進行分解。


分立式:PWMIC與MOS是分開的,這種優點是功率可以自由搭配,缺點是設計和調試的周期會變長(僅從設計角度來說);集成式:就是將PWMIC與MOS集成在一個封裝里,省去設計者很多的計算和調試分步,適合于剛入門或快速開發的環境。


3、做原理圖


確定所選擇的芯片以后,開始做原理圖(sch),在這里我選用STVIPer53DIP(集成了MOS)進行設計。


設計前最好都先看一下相應的datasheet,確認一下簡單的參數。無論是選用PI的集成,或384x或OBLD等分立的都需要參考一下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。


4、確定相應的參數


當我們將原理圖完成以后,需要確定相應的參數才能進入下一步PCBLayout。當然不同的公司不同的流程,我們需要遵守相應的流程,養成一個良好的設計習慣,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。


5、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70KHz,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AC2DC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,不利于系統的穩定性,更不利于EMC的通過性。頻率太高,相應的di/dtdv/dt都會增加,除PI132kHz的工作頻率之外,大家可以多參考其它家的芯片,就會總結自己的經驗出來。


對于磁芯的選擇,是在開關頻率和功率的基礎,更多的是經驗選取。當然計算的話,你需要得到更多的磁芯參數,包括磁材,居里溫度,頻率特性等等,這個是需要慢慢建立的。


20W~40W范圍內EE25EER25EER28EFD25EFD30等均都可以。


關于變壓器磁芯的選擇


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


磁芯與傳輸功率對照表


6、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:Ae82mm2


以上均是已知參數,我們還需要設定一些參數,就可以進入下一步計算。


設定參數:


效率eta=80%


最大占空比:Dmax=0.45


磁感應強度變化:DeltaB=0.2


有了這些參數以后,我們就可以計算得到匝數和電感量。


輸出功率Po=12V*2A=24W


輸入功率Pin=Po/eta=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)=770uH


這里的4是一個經驗值,當然也是我自己獨家的經驗。至于推導,不用那么麻煩,看下面的圖,你就明白了,下面是DCM時的電流波形至于CCM加一個平臺,自己可以推導,很簡單。


到此最重要的一步原邊電感量已經求出,對于漏感及氣隙,我不建議各位再去計算和驗證。


漏感Lleakage5%*Lp


上面計算了變壓器的電感量,現在我們還需要得到相應的匝數才可以完成整個變壓器的工作。


1)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


2)計算變壓器初級匝數


Np=Vin(min)*Ton/(DeltaBAe)=120Vdc*6.43us/(0.2*82mm2)=47T(這里的數是一定要取整的,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圈)


3)計算變壓器12V主輸出的匝數輸出電壓(Vo):


12Vdc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=120Vdc/47T=2.55輸出匝數(Ns)=(輸出電壓(Vo)+整流管壓降(Vd)+繞組壓降(Vs))/原邊匝伏比(K)=(12Vdc+0.7Vdc+0.5Vdc)/2.55=6T(已取整)


4)計算變壓器輔助繞組(auxturning)輸出的匝數計算方法與12V主繞組輸出一樣因為STVIPer53DIP副邊反饋需低于14.5Vdc,故選取12Vdc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腳位耐壓等安規方面的要求提出,就可以發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,不建議大家死搬硬套,自己靈活一些。


上面計算出匝數以后,可以直接確定漆包線的粗細,不需要去進行復雜的計算。


線徑與常規電阻一樣,都是有定值的,記住幾種常用的定值線徑。這里,原邊電流比較小,可以直接選用phi0.25一股。輔助繞組phi0.25一股。主輸出繞組phi0.4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。


很多這一步計算過了以后,還會返回計算以驗證變壓器的窗口面積。個人認為返回驗證是多余的,因為繞制不下的話,打樣的變壓器廠也會反饋給你,而你驗證通過的,在實際中也不一定會通過;畢竟與實際繞制過程中的熟練度,及稀疏還是有很大關系的。


再下一步,需要確定輸入輸出的電容的大小,就可以進行布局和布板了。


7、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=45~90uF


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℃根據相應的應用環境來決定;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內。因為是閉環精度控制,故取值470uF/16Vdc


這里電源就可以選兩顆470uF/16Vdc,加一個L,阻成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。


8、PCBLayou


上面已經確定變壓器,原理圖,以及電解電容,其它的基本上都是標準件了。


由sch生成網絡表,在PCBfile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,導入網絡表是一個非常好的設計習慣。


PCBlayout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:


1)RCD吸收部分與變壓器形成的環面積盡量小;這樣可以減小相應的輻射和傳導。


2)地線盡量的短和寬大,保證相應的零電平有利于基準的穩定;同時VIPER53DIP這顆DIP-8的芯片散熱的重要通道。


3)在di/dtdv/dt變化比較大的地方,盡量減小環路和加寬走線,降低不必要的電感特性。


附上相應的圖,N久之前的版本,可以改進的地方很多,各位自行參考:目前這一塊板仍一直在生產。


9、確定部分參數


我們前幾步已經計算了變壓器,PCBLayout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,看各位自己的選擇。


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:phi0.25x1x24T


7-10:phi0.50x2x6T


8-11:phi0.50x2x6T


9-12:phi0.50x2x6T


2-3:phi0.25x1x23T


6-5:phi0.25x1x6T


2,4并剪腳


L1-3:[email protected]漏感低于5%磁材:PC40或等同材質


高壓:


原邊vs副邊:[email protected]無擊穿無飛弧


副邊vs磁芯:[email protected]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部阻抗。可以將PCB和變壓器發出去打樣了,剩下就是確定更多的參數并備料。


D101~D104:Iav=0.25A選1N4007([email protected])當然選600V的也沒有問題


snubbercircuit(RCD吸收):[email protected](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,也可以直接選用經典的參數,在調試時,再進行繼續來檢驗。


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范圍內選,調試時,根據具體情況調整


R103,C105:這部分是STVIPER53DIP設定開關頻率的,70kHz可查datasheet中的頻率設定表,可知R103-10kC105-222


R103與C105組成一個RC網絡,用于設定VIPer53的工作頻率,它的工作頻率可以高達300kHz,不過在AC-DC里我不建議使用那么高的頻率。在VIPer53datasheet里有一個曲線,不過不是很方便,我將常用的頻率設定表,整理一下,貼出來大家參考。


8腳TOVL是一個延時保護的,此處可以直接選104具體參數,根據應用時,來調整這個值。


1腳comp是一個補償反饋腳,給出一組驗證過的參數:R104-1k


C104-47uF/50V(電解電容)C103-104這是一個一階慣性環節,在副邊反饋狀態下,以副邊反饋的補償網絡為主,在失反饋此補償網絡才變為主網絡。


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E201E202形成一個低通濾波器,能更好地抑制紋波,可計算,在這里我不提倡來計算,可以根據調試中所碰到的問題再來調整。


IC201-TL431TO92封裝,ref-2.5V


R205-1k這個值的計算Vo-Vopdiode(光耦內發光二極管的壓降)/Imin(光耦發光二極管最小擊穿電流)


保證R205的選擇能夠在正常狀態下,有效擊穿光耦內部的發光二極管。


R204R202-18k4.7k根據公式2.5V/R202=Vo/(R202+R204)可計算。


C202-104這個也可以到時根據實際情況來調整,不需要去用公式進行復雜的計算。


CY103-這個是Y電容可以選[email protected],具體根據安規的耐壓來選取,都可以在后續的工作中進行調整。


10.調試過程


到以上部分,基本上一個電源算是設計完成,后面的就是焊板調試過程。


調試所需要的簡單設備(必需的):調壓器,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,電感量等參數以后再焊接。


靜態檢查:主要看有沒有虛焊,連錫等;靜態測試以后,可以用萬用表測一下輸入,輸出是否處于短路狀態;剩下就可以進行加電測試了。


開關電源的AC輸入接入調壓器,或者AC輸入接入功率計再接至調壓器,調壓器處于0Vac;示波器接在STVIPER53DIP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)。當調壓器的電壓至40~60Vac區間時,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,在40~60Vac區間時,開關電源會開始工作,STVIPER53DIP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?未達到,退回0Vac檢查采樣,反饋及輸出回路。如果都OK的狀態下,再考慮將輸入電壓升至220Vac。遵循以上步驟調試的話,不會出現爆片或炸機現象。


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。


激動人心的一刻到了,人生的第一塊電源就要誕生了!


帶載還是建議一點一點地加,也監控著示波器,這里就省去一步一步加載過程,直接上手了


最后總結:


其實開關電源入門很簡單,最好的入門是選用單片的,畢竟省去了啟動電阻,電流檢測電阻,MOS及驅動,保護電路等各種不確定因素的問題。等你真正入門了,積累一定的經驗,再采用分立的結構進行設計就簡單多了,凡事先易后難才有進步


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