开关电源设计


    随着科学技术的迅速发展,日常生活和工业生产中电气设备越来越多,高压设备击穿空气放电和大功率电机启动停止产生大量干扰,对供电电源也提出了新的要求。开关电源因转化效率高,体积小等优势得到广泛的应用,国外开关电源研究起步较早,1955 年美国科学家罗耶提出了利用磁芯饱和的特点来进行自激振荡的晶体管直流变换器;1964 年美国提出串联开关电源,促进开关电源的发展;1988年,国外科学家提出移相全桥变换器的概念;2000年,Hiromitsu 提出了带有变压器隔离的半桥变换器。相比而言国内发展相对缓慢,2007年,钱荔提出了推挽全桥双向 DCDC 变换器;2016 年史春玉提出软开关推挽正激变换器。
    带变压器的隔离电源可以实现两个模块之间的电源线隔离,防止危险信号的相互串扰,实现每个模块独立供电,防止一个模块因受高压放电或其它原因导致的损坏波及其它模块,提高了电路的可靠性。
目前市场上常见的变压器隔离电源是将实验的输入电源采用 1:1 的工频变压器与市电进行隔离,这样工作人员不论接触哪条线都不会发生触电的危险,但是工频变压器体积较大。本文用 SG3525 为控制核心,提高隔离变压器的工作频率,隔离变压器的工作频率不再是 50Hz,减小变压器体积,采用半桥的变压器驱动方式,输出经过全桥整流与滤波,设计相关过流保护电路,并给出实验结果及分析。

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。
注: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)?
设计之前最好都先看一下相应的 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。
先附上相应的开关电源电路图


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3)
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。

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

7. 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 ST VIPER53DIP 的 D S 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,ST VIPER53DIP 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

结语
开关电源的热设计应充分考虑产品所处的工作环境及实际的工作状态并将上述几种方法综合运用才能设计出既经济又能充分保证半导体散热的开关电源产品。

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