作為一個變壓器工程師，需要那些技能才能很好的駕馭這份工作，才能夠在這個工作鏈中扮演一個角色。首先，必須要了解變壓器在電路中起的作用，學(xué)習(xí)變壓器在電路工作時的電壓電流波形。只有了解這些知識才有可能創(chuàng)新出一些新穎的結(jié)構(gòu)。也只有了解這些原理，在變壓器使用出現(xiàn)故障的時候才能找到解決方法。

電源變壓器在最近幾年的發(fā)展和應(yīng)用中，逐漸呈現(xiàn)出了專業(yè)性的特點，小功率的開關(guān)電源變壓器設(shè)計和制作也更加符合民用要求。在今天的方案分享中，我們將會為大家分享一種小功率的電源變壓器設(shè)計和制作過程，方便工程師進行參考借鑒。

開關(guān)電源設(shè)計的第一步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過；也可以提出來供大家參考，我?guī)兔Ψ治觥?/p>

我只帶大家設(shè)計一款寬范圍輸入的12V2A 的常規(guī)隔離開關(guān)電源

1. 首先確定功率。

根據(jù)具體要求來選擇相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)；這樣的一個開關(guān)電源多選擇反激式（flyback） 基本上可以滿足要求。

注：在這里我會更多的選擇是經(jīng)驗公式來計算，有需要分析的，可以拿出來再討論。

2.當(dāng)我們確定用 flyback 拓撲進行設(shè)計以后，我們需要選擇相應(yīng)的PWM IC 和 MOS 來進行初步的電路原理圖設(shè)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：PWM IC 與 MOS 是分開的，這種優(yōu)點是功率可以自由搭配，缺點是設(shè)計和調(diào)試的周期會變長（僅從設(shè)計角度來說）；

集成式：就是將 PWM IC 與 MOS 集成在一個封裝里，省去設(shè)計者很多的計算和調(diào)試分步，適合于剛?cè)腴T或快速開發(fā)的環(huán)境。

3. 確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖（sch）。

在這里我選用 ST VIPer53DIP（集成了MOS） 進行設(shè)計，原因為何（因為我們是銷售這一顆芯片的）？

設(shè)計之前最好都先看一下相應(yīng)的 datasheet，自己確認一下簡單的參數(shù)：

無論是選用 PI 的集成，或384x 或 OB LD 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(shè)計依據(jù)。

4. 當(dāng)我們將原理圖完成以后，需要確定相應(yīng)的參數(shù)才能進入下一步 PCB Layout。

當(dāng)然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應(yīng)的流程，養(yǎng)成一個良好的設(shè)計習(xí)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(yīng)的原理圖

不需要啟動電阻的，因為這顆片子里已經(jīng)集成了一個 高壓啟動電流源 如下圖：

當(dāng)然針對 UC384X 等需要啟動電阻的芯片來說，計算啟動電阻阻值的話，可以這樣

Rstart = （Vin（min） - Vdd ） / Istart

Rstart： 啟動電阻

Vin（min）： 輸入最低直流電壓

Vdd： 芯片的供電電壓

Istart： 芯片的啟動電流

一個很有深度的問題，同時也是 VIPer53 異于其它 single chip power 的優(yōu)點

R205 斷開或相當(dāng)于光耦拆掉（相當(dāng)于副邊失反饋），電源依然會正常工作，此時進入原邊反饋模式 PSR，參考框圖部分 Vdd 引腳的中間那個運放，此時會與 COMP 腳上的 一階慣性環(huán)節(jié)形成穩(wěn)定的 PWM 控制系統(tǒng)

參考電路圖如下：

5. 確定開關(guān)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(shè)定，工作頻率就等于開關(guān)頻率，這個外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計開關(guān)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(shè)超過 100kHz，主要是開關(guān)電源的頻率過高以后，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更不利于 EMC 的通過性，頻率太高，相應(yīng)的 di/dt dv/dt 都會增加，除 PI 132kHz 的工作頻率之外，大家可以多參考其它家的芯片，就會總結(jié)自己的經(jīng)驗出來。

對于磁芯的選擇，是在開關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)，更多的是經(jīng)驗選取。當(dāng)然計算的話，你需要得到更多的磁芯參數(shù)，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(nèi) EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以。

6. 設(shè)計變壓器進行計算（續(xù)2）上面計算了變壓器的電感量，現(xiàn)在我們還需要得到相應(yīng)的匝數(shù)才可以完成整個變壓器的工作

1）計算導(dǎo)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(shù)Np = Vin（min）*Ton/（ΔB &TImes; Ae） = 120Vdc * 6.43us/（0.2 * 82mm2） = 47 T（這里的數(shù)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(shù)圈）

3）計算變壓器 12V 主輸出的匝數(shù)輸出電壓（Vo）：

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

4）計算變壓器輔助繞組（aux turning）輸出的匝數(shù)計算方法與12V主繞組輸出一樣因為 ST VIPer53DIP 副邊反饋需低于 14.5 Vdc，故選取 12 Vdc 作為輔助電壓；Na = 6 T到這一步，我們基本上就得出了變壓器的主要參數(shù)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(shù) 腳位 耐壓 等安規(guī)方面的要求提出，就可以發(fā)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

6. 設(shè)計變壓器進行計算（續(xù)3）

上面計算出匝數(shù)以后，可以直接確定漆包線的粗細，不需要去進行復(fù)雜的計算

線徑與常規(guī)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 φ0.25 一股

輔助繞組 φ0.25 一股

主輸出繞組 φ0.4 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(guān)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 ～ 90 uF

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/400Vdc 85℃ 或 105℃ 根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)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(yīng)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(huán)內(nèi)

因為是閉環(huán)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(jīng)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. PCB Layout

上面已經(jīng)確定變壓器，原理圖，以及電解電容，其它的基本上都是標(biāo)準(zhǔn)件了

由 sch 生成網(wǎng)絡(luò)表，在 PCB file 里定義好板邊然后加載相應(yīng)的封裝庫以后，可以直接導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，進行布局；因為這個板相對比較簡單，也可以直接布板，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表是一個非常好的設(shè)計習(xí)慣

PCB layout 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(huán)面積盡量??；這樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)

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

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

附上相應(yīng)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(chǎn)

9. 確定部分參數(shù)

我們前幾步已經(jīng)計算了變壓器，PCB Layout 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(fā)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 ： φ0.25 x 1 x 24T

7 -》 10 ： φ0.50 x 2 x 6T

8 -》 11 ： φ0.50 x 2 x 6T

9 -》 12 ： φ0.50 x 2 x 6T

2 -》 3 ： φ0.25 x 1 x 23T

6 -》 5 ： φ0.25 x 1 x 6T

2，4 并剪腳

L1-3 ： 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材質(zhì)

高壓：

原邊vs副邊 ：3750Vac@1mA 1min 無擊穿無飛弧

副邊vs磁芯 ：1500Vac@1mA 1min 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(nèi)部阻抗

可以將 PCB 和變壓器發(fā)出去打樣了， 剩下就是確定更多的參數(shù)并備料

9. 確定部分參數(shù)（續(xù)1）

D101～D104： Iav = 0.25A 選 1N4007 （1000V@1A） 當(dāng)然選 600V 的也沒有問題

snubber circuit （RCD 吸收） ： R101 - 100k 1W C101 - 103@1kV（高壓瓷片電容）

D105 - FR107（選 600V 的超快恢復(fù)也可以）

這部分可以計算，也可以直接選用經(jīng)典的參數(shù)，在調(diào)試時，再進行繼續(xù)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(nèi)選，調(diào)試時，根據(jù)具體情況調(diào)整

R103，C105： 這部分是 ST VIPER53DIP 設(shè)定開關(guān)頻率的，70kHz 可查datasheet 中的頻率設(shè)定表，可知 R103 - 10k C105 - 222

8腳 TOVL 是一個延時保護的，此處可以直接選 104 具體參數(shù)，根據(jù)應(yīng)用時，來調(diào)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(shù)：R104 - 1k

C104 - 47uF/50V（電解電容） C103 - 104 這是一個一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補償網(wǎng)絡(luò)為主，在失反饋此補償網(wǎng)絡(luò)才變?yōu)橹骶W(wǎng)絡(luò)

IC102 - 選用 PC817C 就OK了，不需要要求太高的 CTR 值

L201 - 10uH 3A 的工字電感，與 E201 E202 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(jù)調(diào)試中所碰到的問題再來調(diào)整

IC201 - TL431 TO92 封裝，ref - 2.5V

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

保證 R205 的選擇能夠在正常狀態(tài)下，有效擊穿光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管

R204 R202 - 18k 4.7k 根據(jù)公式 2.5V/R202 = Vo/（R202+R204） 可計算

C202 - 104 這個也可以到時根據(jù)實際情況來調(diào)整，不需要去用公式進行復(fù)雜的計算

CY103 - 這個是Y電容 可以選 222@400Vac，具體根據(jù)安規(guī)的耐壓來選取，都可以在后續(xù)的工作中進行調(diào)整

10. 調(diào)試過程

到以上部分，基本上一個電源算是設(shè)計完成，后面的就是焊板調(diào)試過程

調(diào)試所需要的簡單設(shè)備（必需的）：

調(diào)壓器，示波器，萬用表

輔助設(shè)備：功率計，LCR電橋，電子負載

焊完板以后，進行靜態(tài)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(shù)以后再焊接

靜態(tài)檢查，主要看有沒有虛焊，連錫等

10. 調(diào)試過程（續(xù)1）

靜態(tài)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(tài)

剩下就可以進行加電測試了

開關(guān)電源的AC輸入 接入調(diào)壓器，或者 AC輸入 接入功率計再接至調(diào)壓器

調(diào)壓器處于 0Vac

示波器 接在 ST VIPER53DIP 的 D S 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(diào)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(dāng)調(diào)壓器的電壓 至 40～60Vac 區(qū)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(tài)，在 40～60Vac 區(qū)間時，開關(guān)電源會開始工作，ST VIPER53DIP 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(yù)設(shè)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(tài)下，再考慮將輸入電壓升至 220Vac

遵循以上步驟調(diào)試的話，不會出現(xiàn)爆片或炸機現(xiàn)象

備注：示波器需要隔離，或只允許 L N 輸入，未隔離條件下 PE 的線不能接入，否則極易造成短路

由于一次側(cè)和二次側(cè)繞組間寄生電容的存在，變壓器“開關(guān)”時，在分界處存在dV/dt，將“靜默層”布置在絕緣膠帶的兩側(cè)，即一次側(cè)和Vin相連的一端，二次側(cè)和地相連的一端，分別布置在絕緣膠帶兩側(cè)，可以減小分界處寄生電容的dV/dt。由于場效應(yīng)管的漏極電壓是波動的，將其繞為骨架的第一層，這樣外層可屏蔽內(nèi)層發(fā)射的電磁場。圖1和圖2給出了兩種低噪聲的繞線技術(shù)，可應(yīng)用在典型的反激變換器變壓器中。

方法一：如圖1所示，二次側(cè)繞組與二極管連接的末端必須緊鄰絕緣膠帶，因此絕緣膠帶的兩端將有一定大小的dV/dt，但該dV/dt比一次側(cè)繞組的漏極相連端與絕緣膠帶相鄰時小得多。此變壓器的優(yōu)點是二次側(cè)繞組的“靜默端”位于最外層，它本身就能很好的屏蔽變壓器的輻射。

方法二：如圖2所示，使兩個靜默端與絕緣膠帶相鄰，此變壓器的優(yōu)點是穿越邊界的共模噪聲減小，但變壓器的外部噪聲比較大，需要在外部繞上銅皮屏蔽（即法拉第屏蔽）。

在變壓器骨架窗口裕量充足的情況下，通常還需要在變壓器內(nèi)部一次側(cè)和二次側(cè)之間使用銅皮“隔離”，從而屏蔽繞組產(chǎn)生的噪聲。如果窗口裕量不是很充分，可以考慮將一次側(cè)的IC供電繞組作為法拉第屏蔽。如圖3所示，繞組的兩端均交流耦合至一次側(cè)地，使一次側(cè)主繞組發(fā)射的容性噪聲減小，因此傳導(dǎo)至二次側(cè)的共模噪聲大大減小。使用法拉第屏蔽的缺點是漏感大大增加，從而降低了效率。所以我們在反激變換器變壓器內(nèi)部一般不使用任何常規(guī)的屏蔽，但經(jīng)常使用法拉第屏蔽。

在為客戶設(shè)計定制產(chǎn)品時，客戶要求在不加外圍輔助電路的情況下，要求傳導(dǎo)過CLASS B，根據(jù)方法一，在結(jié)合使用傳統(tǒng)的“三明治繞法”不僅解決了傳導(dǎo)的問題，還解決了只用方法一帶來的變壓器漏感大的問題，從而提高了電源的穩(wěn)定性，也達到了客戶的要求。該定制產(chǎn)品繞線順序如表1所示，傳導(dǎo)結(jié)果如圖4所示，峰值最少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

對于帶變壓器拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源來說，變壓器的電磁兼容性（EMC）設(shè)計對整個開關(guān)電源的EMC水平影響較大。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑制傳導(dǎo)EMI的必要措施。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑制干擾往往會導(dǎo)致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加、電容量的增大受到漏電流安全標(biāo)準(zhǔn)的限制。本文提出了新的變壓器設(shè)計方法。不僅能減少電源線濾波器的體積，對傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）的抑制能力更強，且能降低變壓器的制作成本和工藝復(fù)雜程度。