開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理及全過程(一)

一、概論

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間

電源有如人體的心臟，是所有電設(shè)備的動力。但電源卻不像心臟那樣形式單一。因?yàn)?，?biāo)志電源特性的參數(shù)有功率、電源、頻率、噪聲及帶載時(shí)參數(shù)的變化等等;在同一參數(shù)要求下，又有體積、重量、形態(tài)、效率、可靠性等指標(biāo)，人可按此去塑造和完美電源，因此電源的形式是極多的。

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。

一般電力要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。轉(zhuǎn)換的例子有：交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率中取小功率等等。

開關(guān)電源的工作原理是：

1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

2.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管，將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級上;

3.開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;

4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。

開關(guān)電源設(shè)計(jì)全過程

1 目的

希望以簡短的篇幅，將公司目前設(shè)計(jì)的流程做介紹，若有介紹不當(dāng)之處，請不吝指教。

2 設(shè)計(jì)步驟：

2.1 繪線路圖、PCB Layout.

2.2 變壓器計(jì)算。

2.3 零件選用。

2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

3 設(shè)計(jì)流程介紹(以DA-14B33為例)：

3.1 線路圖、PCB Layout請參考資識庫中說明。

3.2 變壓器計(jì)算：

變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心，所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的，以下即就DA-14B33變壓器做介紹。

3.2.1 決定變壓器的材質(zhì)及尺寸：

依據(jù)變壓器計(jì)算公式

B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss)

Lp = 一次側(cè)電感值(uH)

Ip = 一次側(cè)峰值電流(A)

Np = 一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)

Ae = 鐵心截面積(cm2)

B(max)依鐵心的材質(zhì)及本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40為例，100℃時(shí)的B(max)為3900 Gauss,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮零件誤差，所以一般取3000~3500 Gauss之間，若所設(shè)計(jì)的power為Adapter(有外殼)則應(yīng)取3000 Gauss左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做較大瓦數(shù)的Power.

3.2.2 決定一次側(cè)濾波電容：

濾波電容的決定，可以決定電容器上的Vin(min)，濾波電容越大，Vin(win)越高，可以做較大瓦數(shù)的Power,但相對價(jià)格亦較高。

3.2.3 決定變壓器線徑及線數(shù)：

當(dāng)變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，依據(jù)Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數(shù)，亦可計(jì)算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設(shè)計(jì)而言，只能當(dāng)做參考值，最終應(yīng)以溫N記錄為準(zhǔn)。

3.2.4 決定Duty cycle (工作周期)：

由以下公式可決定Duty cycle ,Duty cycle的設(shè)計(jì)一般以50%為基準(zhǔn)，Duty cycle若超過50%易導(dǎo)致振蕩的發(fā)生。

NS = 二次側(cè)圈數(shù)

NP = 一次側(cè)圈數(shù)

Vo = 輸出電壓

VD= 二極體順向電壓

Vin(min) = 濾波電容上的谷點(diǎn)電壓

D =工作周期(Duty cycle)

3.2.5 決定Ip值：

Ip = 一次側(cè)峰值電流

Iav = 一次側(cè)平均電流

Pout = 輸出瓦數(shù)

效率

PWM震蕩頻率

3.2.6 決定輔助電源的圈數(shù)：

依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可決定輔助電源的圈數(shù)及電壓。

3.2.7 決定MOSFET及二次側(cè)二極體的Stress(應(yīng)力)：

依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系，可以初步計(jì)算出變壓器的應(yīng)力(Stress)是否符合選用零件的規(guī)格，計(jì)算時(shí)以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準(zhǔn)。

3.2.8 其它：

若輸出電壓為5V以下，且必須使用TL431而非TL432時(shí)，須考慮多一組繞組提供Photo coupler及TL431使用。

3.2.9 將所得資料代入 公式中，如此可得出B(max)，若B(max)值太高或太低則參數(shù)必須重新調(diào)整。

3.2.10 DA-14B33變壓器計(jì)算：

輸出瓦數(shù)13.2W(3.3V/4A)，Core = EI-28,可繞面積(槽寬)=10mm,Margin Tape =? 2.8mm(每邊)，剩余可繞面積=4.4mm.

假設(shè)fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,? =0.7,P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600 Uh

計(jì)算式：

變壓器材質(zhì)及尺寸：l

由以上假設(shè)可知材質(zhì)為PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可繞面積(槽寬)=10mm,因Margin Tape使用2.8mm,所以剩余可繞面積為4.4mm.

假設(shè)濾波電容使用47uF/400V,Vin(min)暫定90V.