詳解一步一步設計開關電源【開篇】針對開關電源很多人覺得難，主要是理論與實踐相結合；萬事開頭難，我在這里只能算拋磚引玉，慢慢講解如何設計，有任何技術問題可以隨時打斷，我將盡力來進行解答。設計一款開關電源并不難，難就難在做精；我也不是一個很精熟的工程師，只能算一個領路人。希望大家喜歡大家一起努力!【第一步】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。我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備注一個，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【第二步】2.當我們確定用 flyback 拓撲進行設計以后，我們需要選擇相應的PWM IC 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：PWM IC 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 PWM IC 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集成式，多是指 PWM controller 和 power switch 集成在一起的芯片不限定于是 PSR 還是 SSR【第三步】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) 進行設計，原因為何(因為我們是銷售這一顆芯片的)？設計之前最好都先看一下相應的 datasheet，自己確認一下簡單的參數無論是選用 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計依據【第四步】4. 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 PCB Layout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一般有芯片廠家提供相關資料【第五步】5. 確定開關頻率，選擇磁芯確定變壓器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。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/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 EE25 EER25 EER28EFD25 EFD30 等均都可以【第六步】6. 設計變壓器進行計算輸入 input: 85265Vac輸出 output: 12V 2A開關頻率 Fsw: 70kHz磁芯 core: EER28/28L磁芯參數：Ae 82mm2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 = 80%最大占空比：Dmax = 0.45磁感應強度變化：B= 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計算開始輸出功率 Po = 12V * 2A = 24W輸入功率 Pin = Po/ = 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 ) = 770 uH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 Lleakage 5% * 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 = 6.43us2）計算變壓器初級匝數Np = Vin(min)*Ton/(B Ae) = 120Vdc * 6.43us/(0.2 * 82mm2) = 47 T（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): 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(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原邊繞組：47T 原邊電感量：0.77mH 漏感 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 : 0.25 x 1 x 24T7 - 10 : 0.50 x 2 x 6T8 - 11 : 0.50 x 2 x 6T9 - 12 : 0.50 x 2 x 6T2 - 3 : 0.25 x 1 x 23T6 - 5 : 0.25 x 1 x 6T2,4 并剪腳L1-3 : 0.77mH 0.25V1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材質高壓：原邊vs副邊 ：3750Vac1mA 1min 無擊穿無飛弧副邊vs磁芯 ：1500Vac1mA 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【第十步】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【第十一部】10. 調試過程(續1)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 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 4060Vac 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 4060Vac 區間時，開關電源會開始工作，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 L N 輸入，未隔離條件下 PE 的線不能接入，否則極易造成短路作為一個電子工程師設計電路是一項必備的硬功夫，但是原理設計再完美，如果電路板設計不合理性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。根據我的經驗，我總結出以下一些設計中應該注意的地方，希望能對您有所啟示。不管用什么軟件，設計有個大致的程序，按順序來會省時省力，因此我將按制作流程來介紹一下。（由于界面風格與視窗接近，操作習慣也相近，且有強大的仿真功能，使用的人比較多，將以此軟件作說明。）原理圖設計是前期準備工作，經常見到初學者為了省事直接就去畫板了，這樣將得不償失，對簡單的板子，如果熟練流程，不妨可以跳過。但是對于初學者一定要按流程來，這樣一方面可以養成良好的習慣，另一方面對復雜的電路也只有這樣才能避免出錯。在畫原理圖時，層次設計時要注意各個文件最后要連接為一個整體，這同樣對以后的工作有重要意義。由于，軟件的差別有些軟件會出現看似相連實際未連（電氣性能上）的情況。如果不用相關檢測工具檢測，萬一出了問題，等板子做好了才發現就晚了。因此一再強調按順序來做的重要性，希望引起大家的注意。原理圖是根據設計的項目來的，只要電性連接正確沒什么好說的。下面我們重點討論一下具體的制板程序中的問題。 1制作物理邊框封閉的物理邊框對以后的元件布局、走線來說是個基本平臺，也對自動布局起著約束作用，否則，從原理圖過來的元件會不知所措的。但這里一定要注意精確，否則以后出現安裝問題麻煩可就大了。還有就是拐角地方最好用圓弧，一方面可以避免尖角劃傷工人，同時又可以減輕應力作用。以前我的一個產品老是在運輸過程中有個別機器出現面殼板斷裂的情況，改用圓弧后就好了。2元件和網絡的引入把元件和網絡引人畫好的邊框中應該很簡單，但是這里往往會出問題，一定要細心地按提示的錯誤逐個解決，不然后面要費更大的力氣。這里的問題一般來說有以下一些：元件的封裝形式找不到，元件網絡問題，有未使用的元件或管腳，對照提示這些問題可以很快搞定的。3元件的布局元件的布局與走線對產品的壽命、穩定性、電磁兼容都有很大的影響，是應該特別注意的地方。一般來說應該有以下一些原則：（1）放置順序先放置與結構有關的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件之類，這些器件放置好后用軟件的功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動。再放置線路上的特殊元件和大的元器件，如發熱元件、變壓器、IC等。最后放置小器件。（2）注意散熱元件布局還要特別注意散熱問題。對于大功率電路，應該將那些發熱元件如功率管、變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發，不要集中在一個地方，也不要高電容太近以免使電解液過早老化。 4布線布線原則走線的學問是非常高深的，每人都會有自己的體會，但還是有些通行的原則的。高頻數字電路走線細一些、短一些好大電流信號、高電壓信號與小信號之間應該注意隔離（隔離距離與要承受的耐壓有關，通常情況下在2時板上要距離2mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應在3.5以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。）兩面板布線時，兩面的導線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸人及輸出用的印制導線應盡量避兔相鄰平行，以免發生回授，在這些導線之間最好加接地線。走線拐角盡可能大于度，杜絕度以下的拐角，也盡量少用度拐角同是地址線或者數據線，走線長度差異不要太大，否則短線部分要人為走彎線作補償走線盡量走在焊接面，特別是通孔工藝的盡量少用過孔、跳線單面板焊盤必須要大，焊盤相連的線一定要粗，能放淚滴就放淚滴，一般的單面板廠家質量不會很好，否則對焊接和都會有問題大面積敷銅要用網格狀的，以防止波焊時板子產生氣泡和因為熱應力作用而彎曲，但在特殊場合下要考慮的流向，大小，不能簡單的用銅箔填充了事，而是需要去走線元器件和走線不能太靠邊放，一般的單面板多為紙質板，受力后容易斷裂，如果在邊緣連線或放元器件就會受到影響必須考慮生產、調試、維修的方便性 對模擬電路來說處理地的問題是很重要的，地上產生的噪聲往往不便預料，可是一旦產生將會帶來極大的麻煩，應該未雨綢緞。對于功放電路，極微小的地噪聲都會因為后級的放大對音質產生明顯的影響；在高精度轉換電路中，如果地線上有高頻分量存在將會產生一定的溫漂，影響放大器的工作。這時可以在板子的角加退藕電容，一腳和板子上的地連，一腳連到安裝孔上去（通過螺釘和機殼連），這樣可將此分量慮去，放大器及也就穩定了。另外，電磁兼容問題在目前人們對環保產品倍加關注的情況下顯得更加重要了。一般來說電磁信號的來源有個：信號源，輻射，傳輸線。晶振是常見的一種高頻信號源，在功率譜上晶振的各次諧波能量值會明顯高出平均值。可行的做法是控制信號的幅度，晶振外殼接地，