一步一步精通單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

電源是指能夠向電子設(shè)備提供能量的裝置。開關(guān)電源，它是內(nèi)部功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，可輸出直流電源(或者恒定電流)的高效率電源裝置。

從事開關(guān)電源，特種高壓電源、脈沖電源設(shè)計(jì)多年，感觸頗深，期間走過不少彎路，遇到不少困難，每一個(gè)電源的設(shè)計(jì)研發(fā)都需要扎實(shí)的電子方面的知識。借著這篇文章主要想總結(jié)一下這些年來自己在單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方面的一些經(jīng)驗(yàn)和技巧，期間走了太多的彎路，也吸取了很多的教訓(xùn)，當(dāng)然也仍然有很多的不解，由于主題涉及的知識面比較廣，內(nèi)容篇幅也比較多，先來個(gè)提綱，我們大家一起來一步一步學(xué)習(xí)反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。

步驟1_確定應(yīng)用需求

步驟2_根據(jù)應(yīng)用需求選擇反饋電路和偏置電壓

步驟3_確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX，并基于輸入電壓和PO選擇輸入存儲電容CIN的容量

3.1、選擇輸入存儲電容CIN的容量

3.2、確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX.

步驟4_輸入整流橋的選擇

步驟5_確定反射的輸出電壓VOR以及鉗位穩(wěn)壓管電壓VCLO

步驟6_對應(yīng)相應(yīng)的工作模式及電流波形設(shè)定電流波形參數(shù)KP：當(dāng)KP≤1時(shí)，KP=KRP;當(dāng)KP≥1時(shí)，KP=KDP

步驟7_根據(jù)VMIN和VOR確定DMAX

步驟8_計(jì)算初級峰值電流IP、輸入平均電流IAVG和初級RMS電流IRMS

步驟9_基于AC輸入電壓，VO、PO以及效率選定MOS管芯片

步驟10_設(shè)定外部限流點(diǎn)降低的ILIMIT降低因數(shù)KI

步驟11_通過IP和ILIMIT的比較驗(yàn)證MOS芯片選擇的正確性

步驟12_計(jì)算功率開關(guān)管熱阻選擇散熱片驗(yàn)證MOS芯片選擇的正確性

步驟13_計(jì)算初級電感量LP

步驟14_選擇磁芯和骨架，再從磁芯和骨架的數(shù)據(jù)手冊中得到Ae，le，AL，和BW的參考值

步驟15_根據(jù)初級電感量大小以及磁芯參數(shù)計(jì)算初級繞組圈數(shù)NP

步驟16_計(jì)算次級繞組圈數(shù)NS以及偏置繞組圈數(shù)NB

步驟17_確定初級繞組線徑參數(shù)OD、DIA、AWG

步驟18_步驟23-檢查BM、CMA以及Lg。如果有必要可以通過改變L、NP或NS或磁芯/骨架的方法對其進(jìn)行迭代，直到滿足規(guī)定的范圍

步驟24 –確認(rèn)BP≤4200高斯。如有必要，減小限流點(diǎn)降低因數(shù)KI

步驟25 –計(jì)算次級峰值電流ISP

步驟26 –計(jì)算次級RMS電流ISRMS

步驟27 –確定次級繞組線徑參數(shù)ODS、DIAS、AWGS

步驟28 –確定輸出電容的紋波電流IRIPPLE

步驟29 –確定次級及偏置繞組的最大峰值反向電壓PIVS,PIVB

步驟30 –根據(jù)VR和ID選擇輸出整流管

步驟31 –輸出電容的選擇

步驟32 –后級濾波器電感L和電容C的選擇

步驟33 –從表10選擇偏置繞組的整流管

步驟34 –偏置繞組電容的選擇

步驟35 –控制極引腳電容及串聯(lián)電阻的選擇

步驟36 –根據(jù)圖3、4、5及6中所示的參考反饋電路的類型，選用相應(yīng)的反饋電路元件

步驟37 –環(huán)路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)，以TOP-GX系列芯片為例

步驟1_確定應(yīng)用需求

1.1 輸入要求：

1.1.1輸入交流電壓：

交流輸入最小電壓：VAC(min) ,交流輸入最大電壓：VAC(MAX)

單位： V

交流輸入電壓大小主要受限于國家電網(wǎng)單想市電輸出標(biāo)準(zhǔn)，常見的交流電壓輸入范圍有：

(1) 寬電壓范圍; AC85V---265V。

(2) 230或115倍壓整流AC195-265V。

(3) 自定義輸入范圍。

1.1.2輸入交流電壓頻率: FL,單位Hz

50HZ或者60HZ，詳細(xì)信息可百度下世界電網(wǎng)頻率表即可。本例設(shè)計(jì)取50HZ.

1.1.3 開關(guān)頻率：Fs, 單位kHz

大于20KHZ，常用50KHZ~200KHZ，具體由開關(guān)芯片決定.

1.1.4 電源效率：η

低電壓(5V以下)輸出時(shí)，效率可取75%;

中等電壓(5V到12V之間)輸出時(shí)，可選80%;

高壓(12V以上)輸出時(shí)，效率可取85%;

可參考開關(guān)芯片廠商數(shù)據(jù)手冊建議，如果沒有更好的參考依據(jù)，可以使用80%~85%

1.2 輸出要求：

1.2.1、輸出電壓：Vo，單位V

取決于用戶應(yīng)用需求，主要由負(fù)載工作電壓決定.

1.2.2、輸出電流：IO，單位A

取決于用戶應(yīng)用需求，主要由負(fù)載工作電流決定。

1.2.3、穩(wěn)壓精度：電壓調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，紋波及噪聲;

1.2.4、瞬態(tài)特性：啟動(dòng)時(shí)間，保持時(shí)間，輸出電壓的上升時(shí)間、

下降時(shí)間、過沖、欠沖。

1.3 保護(hù)功能及附屬功能

1.3.1、 OCP，OVP，OTP，欠壓保護(hù)，限功率;

1.3.2、 絕緣電阻、絕緣電壓、漏電流。

1.4 結(jié)構(gòu)要求：

1、外形尺寸，2、外包裝，3、安裝條件，4、冷卻方式，5、接口方式，6、重量，7、名牌。

1.5 安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及EMC標(biāo)準(zhǔn)：

1、認(rèn)證標(biāo)志，3C，UL，GS，PSE，

2、EMI測試標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 使用環(huán)境條件：

溫度、濕度，耐振動(dòng)沖擊

1.7 壽命

1.8 開關(guān)電源專業(yè)術(shù)語

SMPS------------------------------開關(guān)電源

PCB--------------------------------印制電路板

PFC---------------------------------功率因數(shù)校正

PWM--------------------------------脈寬調(diào)制

FET-----------------------------------場效應(yīng)管

MTBF---------------------------------平均無故障時(shí)間

NTC------------------------------------負(fù)溫度系數(shù)

SOA------------------------------------安全工作區(qū)

UVLO-----------------------------------欠壓鎖定

OCP-------------------------------------過流保護(hù)

OVP-------------------------------------過壓保護(hù)

OTP-------------------------------------過溫保護(hù)

Irms, Iavg, Ir, Ip------電流的有效值，平均值，紋波值，峰值

EMC------------------------------------電磁兼容

RFI---------------------------------------射頻干擾

ROHS-------------------------------------危害性物質(zhì)限制指令

步驟2_根據(jù)應(yīng)用需求選擇反饋電路和偏置電壓

以PI公司的TOP系列芯片為例，其他品牌開關(guān)芯片的選取原則同樣可以基于此原則。首先解釋個(gè)名詞術(shù)語：

2.1、負(fù)載調(diào)整率

百度百科是這樣解釋的：

負(fù)載調(diào)整率 (LOAD REGULATION)電源負(fù)載的變化會引起電源輸出的變化，負(fù)載增加，輸出降低，相反負(fù)載減少，輸出升高。好的電源負(fù)載變化引起的輸出變化較小，通常指標(biāo)為3%--5%。負(fù)載調(diào)整率是衡量電源好壞的指標(biāo)。好的電源輸出接負(fù)載時(shí)電壓降較小。

負(fù)載調(diào)整率=(空載時(shí)輸出電壓-滿載時(shí)輸出電壓)/(額定負(fù)載時(shí)輸出電壓)*100%

這是穩(wěn)壓電源的一項(xiàng)重要指標(biāo)，體現(xiàn)當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)穩(wěn)壓電源的輸出電壓相應(yīng)的變化情況，通常以輸出電流從0變化到額定最大電流時(shí)，輸出電壓的變化量和輸出電壓的百分比值來表示。例如某5V直流穩(wěn)壓電源的輸出電流從0增加到最大電流1A，它的輸出電壓從5.00V降到了4.50V，降落值0.5V除以標(biāo)稱輸出電壓5V，得10%這就是該電源的負(fù)載調(diào)整率。

2.2、反饋電路和偏置電壓參考

·使用初級反饋成本最低(僅適合低功率的應(yīng)用)

·使用光耦器/穩(wěn)壓管反饋成本低且輸出精度好

·使用光耦器/TL431反饋輸出精度最好

(1)初級/基本反饋電路

2初級/增強(qiáng)反饋電路

3、光耦/穩(wěn)壓管反饋電路

4、光耦器/TL431反饋電路