大牛开关电源设计全过程笔记！.docx

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1、Partl概述开关电源的设计是一份非常耗时费力的苦差事，需要不断地修正多个设计变量，直到性能达到设计目标为止。本文step-by-step介绍反激变换器的设计步骤，并以一个6.5W隔离60W)开关电源应用场合，反激变换器(FlybaCkConverter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点。Part2设计步骤ffl2接下来，参考图2所示的设计步骤，一步一步设计反激变换器Stepl：初始化系统参数一输入电压范围：VinminAC及VinlnaXAC电网频率：fline(国内为50HZ)一输出功率：(等于各路输出功率之和)PO=曦1OUtX

2、+曦2X，刖2+一初步估计变换器效率：(低压输出时，取0.70.75,高压输出时，取0.8-0.85)根据预估效率，估算输入功率：PT7对多路输出，定义KL(n)为第n路输出功率与输出总功率的比值：Klm=(3)1.n)p单路输出时，KL(n)=1(范例)Stepl:初始化系统参数输入电压范围：90265VAC电网频率：fii11e=50Hz输出：(主路)Vmtl=5V,IoutI=IA;辅路)Vout2=15V,Iout2=0,1A则：2=噎/心+嚏XQ2=6预估变换器的效率：11=0.8则：&=8.25犷7KlJ=O.769,Kl2=0231Step2:确定输入电容CbUlkCbUIk的取

3、值与输入功率有关，通常，对于宽输入电压(85265VAC),取23FW;对窄范围输入电压(176265VAC),取luF/W即可，电容充电占空比DCh一般取0.2即可。VE ln_DC每个周期只仃TI时间段内，电同 对CbUik电容充电图3Cbulk电容充放电一般在整流后的最小电压Vinmin_DC处设计反激变换器，可由Cbulk计算Vinmin_DC：JDC = J(0JJ 一 xf(4)（范例）Step2:确定输入电容宽压输入，取23uFW:CbUik取20uF即可，实际设计中可采用15uF+47uF的两个400V高压电解电容并联。贝J:Cblilk=I9.7UFe一一计算整流后最小直流电

4、压：匕b-DCy -匕xQ-i) = 98/ CbMk xflmStep3:确定最大占空比DmaX反激变换器有两种运行模式：电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM）。两种模式各有优缺点，相对而言，DCU模式具有更好的开关特性，次级整流二极管零电流关断，因此不存在CCM模式的二极管反向恢复的问题。此外，同功率等级下，由于DCM模式的变压器比CeM模式存储的能量少，故DCM模式的变压器尺寸更小。但是，相比较CCM模式而言，Dal模式使得初级电流的RMS增大，这将会增大UOS管的导通损耗，同时会增加次级输出电容的电流应力。因此，CCM模式常被推荐使用在低压大电流输出的场合，DCU模式常

5、被推荐使用在高压小电流输出的场合。n:iQ图4反激变换器对CCM模式反激变换器而言，输入到输出的电压增益仅仅由占空比决定。而DCM模式反激变换器，输入到输出的电压增益是由占空比和负载条件同时决定的，这使得DCM模式的电路设计变得更复杂。但是，如果我们在DCM模式与CCM模式的临界处(BCM模式)、输入电压最低(Vinmin_DC)、满载条件下，设计DCM模式反激变换器，就可以使问题变得简单化。于是,无论反激变换器工作于CCM模式,还是DCM模式,我们都可以按照CCM模式进行设计。如图4(b)所示，UOS管关断时，输入电压Vin与次级反射电压nVo共同叠加在MOS的DS两端。最大占空比DmaX确

6、定后，反射电压Vor(即nVo)、次级整流二极管承受的最大电压VD以及MOS管承受的最大电压Vdsmax,可由下式得到：Vo=-V.dc(5)xaxV-vD=-vo+vo(6)。尸通过公式(5)(6)(7),可知，Dmax取值越小，Vor越小，进而MOS管的应力越小，然而，次级整流管的电压应力却增大。因此，我们应当在保证MoS管的足够裕量的条件下,尽可能增大Dmax,来降低次级整流管的电压应力。Dmax的取值，应当保证Vdsmax不超过MOS管耐压等级的80机同时，对于峰值电流模式控制的反激变换器，CCM模式条件下，当占空比超过0.5时，会发生次谐波震荡。综合考虑，对于耐压值为700V(NCP

7、1015)的MoS管，设计中，DmaX不超过0.45为宜。(范例)Step3:确定最大占空比D5里一一NCPl015需工作于DCM模式，低压满载时,占空比最大，此时：Dma=0.45由公式(5)计算反射电压：Vor=DC=80PmaxStep4:确定变压器初级电感Lm对于CCM模式反激，当输入电压变化时，变换器可能会从CCM模式过渡到DCM模式，对于两种模式，均在最恶劣条件下(最低输入电压、满载)设计变压器的初级电感Lmo由下式决定：Y(匕ZJminDCXOmaX)zx1.m=(8)2xPinxf5WxKRF其中，fsw为反激变换器的工作频率，KRF为电流纹波系数，其定义如下图所示:DCMtp

8、erain:KKr-/图5流过MoS管的电流波形及电流纹波系数对于DCM模式变换器，设计时KRF=1。对于CCM模式变换器，KRF凡s=022行Step5:选择合适的磁芯以及变压器初级电感的匝数开关电源设计中，铁氧体磁芯是应用最广泛的一种磁芯，可被加工成多种形状，以满足不同的应用需求，如多路输出、物理高度、优化成本等。实际设计中，由于充满太多的变数，磁芯的选择并没有非常严格的限制，可选择的余地很大。其中一种选型方式是，我们可以参看磁芯供应商给出的选型手册进行选型。如果没有合适的参照，可参考卜.表:OutputPowerElcoreEEcoreEPCreEERre0-10W日12.5EI16EI

9、19EE8EE10EE13EE16EPC10EPC13EPC1710-20WEI22EE19EPC1920-30WEI25EE22EPC25EER25.530-50WEI28EI30EE25EPC30EER2850-70WEI35EE30EER28L70-1WEI40EE35EER351-15OW日50EE40EER40EER42150-200WEI60EE50EE60EER49选定磁芯后，通过其DataShCet查找AC值，及磁化曲线，确定磁通摆幅AB,次级线圈图6不同形状的铁氧体磁芯及骨架匝数由下式确定:BAe(14)其中，DCM模式时，ZiB取0.2O.26T；CCM时，AB取0.120

10、.18T图7磁芯特性（范例）Step5:选择合适的磁芯并确定初级电感上的匝数磁芯选择EFD20,查看磁芯手册可知，Ae=31mmj一DCM模式，磁通摆幅ZkB取0.21T,由公式（14）计算初级电感Ln匝数:V=LmXldSPeak=68PMx4Step6:确定各路输出的匝数先确定主路反馈绕组匝数，其他绕组的匝数以主路绕组匝数作为参考即可。主反馈回路绕组匝数为：NJM+嚏XM（15）Vor?则其余输出绕组的匝数为：N嗑+A）XN（I6）5（）曦+噎1辅助线圈绕组的匝数Na为:(17)（范例）*卬6：确定各路输出的匝数一由公式15确定主路输出的匝数:N八=%*XNif=5or由公式16确定辅路匝

11、数:IC供电绕组电压为20V由公式17确定辅助绕组匝数:M=嚷+NXNT=I9乙十%”Step7:确定每个绕组的线径根据每个绕组流过的电流RMS值确定绕组线径。D=2(18)p初级电感绕组电流RMS：Irns=Id5rmsprmsCtsrms(19)次级绕组电流RMS由下式决定:I-Dr=x/masecrw(n)dsrms*jVAZmaX(20)P为电流密度，单位：Amm2,通常，当绕组线圈的比较长时Olm）,线圈电流密度取5Amm2;当绕组线圈长度较短时，线圈电流密度取61OA/InnI2。当流过线圈的电流比较大时，可以采用多组细线并绕的方式，以减小集肤效应的影响。4=KF(21)其中，AC

12、是所有绕组导线截面积的总和，KF为填充系数，一般取0.20.3。检查磁芯的窗口面积(如图7(a)所示)，大于公式21计算出的结果即可。(范例)Step7:确定每个绕坦线径一一-初级Lm线径:一一同理可计算出次级主路及次级辅路绕组线径：D,=O.53Imm.EXj=O.188mnu所以，初级线圈可选线径为0.16mm的漆包线：次级主路绕组可选择线径为022mm的漆包线.三根并绕；次级辆路可选择线径为018mm的漆包线。Step8:为每路输出选择合适的整流管每个绕组的输出整流管承受的最大反向电压值VD(n)和均方根值IDrms(n)如下:-V out(n)序X产黑(22)(23)选用的二极管反向耐

13、压值和额定正向导通电流需满足:(24)rrmNL3XIZD(25)(范例)Step8:为每路输出选择合适的整流管由公式22、公式23分别计算每一路整流二极管的最大反向耐压值，和电流RMS值C次级主路：Vdi=30V,lD11nsi=1.77A所以，可选用SK360,或SR360.次级辅路：Vdj=92V,Id111u2=0.188A所以，可选用SS1200.Step9:为每路输出选择合适的滤波器第n路输出电容COUt(n)的纹波电流ICaPrmS(n)为:选取的输出电容的纹波电流值Iripple需满足:ripple12ICaPnnSS)(27)输出电压纹波由下式决定：/_I刖XDmla+/与*

14、X曦XRCs)XK”)(28)outCfV,our()Jswour()rF(w)有时候，单个电容的高ESR,使得变换器很难达到我们想要的低纹波输出特性，此时可通过在输出端多并联几个电容,或加一级LC滤波器的方法来改善变换器的纹波噪声。注意：LC滤波器的转折频率要大于1/3开关频率，考虑到开关电源在实际应用中可能会带容性负载，L不宜过大，建议不超过4.7HZ范例)Step9:为每路输出选择合适的造波器一一次级主路：由公式26可得：Icaprmsl=1.46A可选择两个470HF(16V)的RUbyCon电解电容组成CLC滤波器,L取lH0次级辅路：LaPnnSI=O.12A可选择两个IOoUF(

15、25V)的电】即些电解电容组成CLC漉波器,L取3.3HSteplO:钳位吸收电路设计如图8所示，反激变换器在MOS关断的瞬间，由变压器漏感LLK与MoS管的输出电容造成的谐振尖峰加在MOS管的漏极，如果不加以限制，MOS管的寿命将会大打折扣。因此需要采取措施，把这个尖峰吸收掉。图8 MOS管关断时漏极电压波形反激变换器设计中，常用图9(a)所示的电路作为反激变换器的钳位吸收电路(RCD钳位吸收)。RClanlP由下式决定，其中VeIamP一般比反射电压VOr高出50100V,LLK为变压器初级漏感，以实测为准:(29)R xclan2vd(y,-v)ClCm 、 ClQ9T OT J图9 R

16、CD钳位吸收CClamp由下式决定，其中Vripple一般取Vclamp的5%10%是比较合理的:(30)输出功率比较小（201.以下）时，钳位二极管可采用慢恢更二极管，如1N4007；反之,则需要使用快恢复二极管。（范例）SteplO:吸收缓冲电路设计计算RCUmP由下式决定的LLkXfCXCaamP由下式决定：,danpV*XfCRUK=3.SnFStepll:补偿电路设计开关电源系统是典型的闭环控制系统，设计时,补偿电路的调试占据了相当大的工作量。目前流行于市面上的反激控制器，绝大多数采用峰值电流控制控制模式。峰值电流模式反激的功率级小信号可以简化为一阶系统,所以它的补偿电路容易设计。通

17、常,使用DeanVenable提出的TyPCII补偿电路就足够了。在设计补偿电路之前，首先需要考察补偿对象（功率级）的小信号特性。如图8所示，从IC内部比较器的反相端断开，则从控制到输出的传递函数（即控制对象的传递函数）为：图10反激变换器反馈回路V(三)=(31)%G)附录分别给出了CCM模式和DCM模式反激变换器的功率级传递函数模型。NCP1015工作在DCM模式，从控制到输出的传函为：1+H(s)=-=kmX(32)G(三)m+mtlRsXlda1+其中：?1V1明:，WZ=，RLOad=3pRCEsrCEdpNLOadXout3XLoUtroVoUtl为主路输出直流电压,k为误差放大器

18、输出信号到电流比较器输入的衰减系数(对NCPlOI5而言，k=0.25),m为初级电流上升斜率，ma为斜坡补偿的补偿斜率(由于NCPlOI5内部没有斜坡补偿，即ma=0),IdSPeak为给定条件下初级峰值电流。于是我们就可以使用Mathcad(或MatIab)绘制功率级传函的BOdC图：图11功率级传函BOde图在考察功率级传函BOde图的基础上，我们就可以进行环路补偿了。前文提到，对于峰值电流模式的反激变换器，使用DCanVenableTypeII补偿电路即可，典型的接线方式如下图所示:通常，为降低输出纹波噪声，输出端会加一个小型的LC滤波器，如图10所示，L1、1 +%XCIB构成的二阶

19、低通滤波器会影响到环路的稳定性，LUCIB的引入，使变换器的环路分析变得复杂，不但影响功率级传函特性，还会影响补偿网络的传函特性。然而，建模分析后可知：如果LI、CIB的转折频率大于带宽fcross的5倍以上，那么其对环路的影响可以忽略不计，实际设计中，建议Ll不超过4.7H于是我们简化分析时，直接将Ll直接短路即可，推导该补偿网络的传递函数G(三)为：(33)G(三)=7=_Rpun岬XCTR一曝(三)-Rm1+AWP其中：1 1W7=,w”=RBCZPRM岬义(CPOk+c0p)CTR为光耦的电流传输比，RpulIup为光耦次级侧上拉电阻(对应NCP1015,Rpullup=18k),Co

20、p为光耦的寄生电容，与RPUIIUP的大小有关。图13(来源于SharpPC817的数据手册)是光耦的频率响应特性，可以看出，当RL(即RPUlIUP)为18kQ时，将会带来一个约2kHz左右的极点，所以即UIIUP的大小会直接影响到变换器的带宽。ezWVDUJovno0.5125102050100500FREQUENCYf(kHz)(a)光,淄率响应*送电跻(b)光第饼率响应特性图13光耦的频率响应kFactor(k因子法)是DeanVenablc在20世纪80年代提出来的，提供了一种确定补偿网络参数的方法。如图14所示，将TypeII补偿网络的极点WP放到fcross的k倍处，将零点WZ放

21、到fcross的1/k处。图12的补偿网络有三个参数需要计算:RLCd,Cz,Cpolc,下面将用kFactor计算这些参数:图15动态负载时输出电压波形确定补偿后的环路带宽fcross：通过限制动态负载时(AloUt)的输出电压过(34)冲量(或下冲量)AVout,由下式决定环路带宽:out2Cot考察功率级的传函特性，确定补偿网络的中频带增益(Mid-bandGain)：RRLQd=CTRJ能6(35)1.ed-iog(H(r)一确定DeanVenabIe因子k：选择补偿后的相位裕量PM(一般取5580),由公式32得到fcross处功率级的相移(可由Mathcad计算)PS,则补偿网络需

22、要提升的相位BOOSt为：Boost=PM-PS-(36)2则k由下式决定：k-tan(+)(37)24补偿网络极点(wp)放置于fcross的k倍处，可由下式计算出CPole：,pullup X (CMe + CoP)(38)补偿网络零点（WZ）放置于fcross的1/k倍处，可由下式计算出Cz：2RCz（范例）Stepll:补偿电路设计确定补偿后的环路带宽值缪：Vo250mV,Iout-0.8A,Cx11=940F:ferou=也=542HZaALX2xrxj 一一考察功率级的传函特性，确定补偿网络的中频带增益（MKbbandGain）：XSXI=m确定DeanVenabk因子k：取PM=

23、70（即7n/18）.PS=100（由MaIhCad计算得出）.IjBoost=PM-PS-90,iBoost”、_“k=tan（-+）=3.24 补箧网络极点（如）放置于金照的k倍处，由公式38计算出G,Cv=2nF:Cpeie=5C=6S0pF2xRtkxfcrou8 补偿网络零点（出）放置亍叁螃的1/k倍处，可由下式计算出Q:C=T=220nF2xx三Part3仿真验证计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短开发周期。本例采用经典的电流型控制器UC3843（与NCP101

24、5控制原理类似），搭建反激变换器。其中，变压器和环路补偿参数均采用上文的范例给出的计算参数。仿真测试条件：低压输入（90VAC,双路满载）1.原理图图17仿真原理图2.瞬态信号时域分析图18启动60ms内 整流桥后电压波形从图18可以看出，最低CbUlk上的最低电压为97.3V,与理论值98V大致相符。图19Cclamp吸收电容两端电压波形图20启动60ms内mos管DS电压波形图21相定时C)S电ft遗形3.交流信号频域分析4.动态负载波形测试测试条件：低压输入,满载，主路输出电流0.1A-IA-0.1A,间隔2.5ms,测试输出电压波形。PartlPCB设计指导1. PCBlayout-大

25、电流环路包围的面积应极可能小，走线要宽。2. PCBlayout一高频（di/dt、dvdt）走线a.整流二级，钳位吸收二极管，MOS管与变压器引脚，这些高频处，引线应尽可能短,layout时避免走直角；b.MOS管的驱动信号，检流电阻的检流信号，到控制IC的走线距离越短越好;c.检流电阻与MoS和GND的距离应尽可能短。图29PCBIayOUt-高频走线3. PCBIayoUt一接地初级接地规则:a.所有小信号GND与控制IC的GND相连后,连接到PowerGND（即大信号GND）；b.反馈信号应独立走到IC,反馈信号的GND与IC的GND相连。次级接地规则：a.输出小信号地与相连后，与输出

26、电容的的负极相连；b.输出采样电阻的地要与基准源（TL431）的地相连。地.号，的处句后W相极出价出负tsPart5PCBlayout实例Vin免走八角图31PCBIayOUt实例H)-0.5ms17口 U)2(42)其中：嗫.IR(1-0)2(1+0)，二kWz=，I7=2ny，Wp=p丫P。EsrCoutnDLmHXXC皿上式中，PO为输出总功率，k为误差放大器输出信号到电流比较器输入的衰减系数,VOUtl为反馈主路输出电压，RS为初级侧检流电阻，D为变换器的占空比，n为初级线圈NP与主路反馈线圈NSI的匝比，m为初级电流上升斜率，Ina为斜坡补偿的补偿斜率，ESr为输出电容的等效串联电阻

27、，Cout是输出电容之和。注意：CCM模式反激变换器，从控制到输出的传函，由公式40可知，有一个右半平面零点，它在提升幅值的同时，带来了90。的相位衰减，这个零点不是我们想要的，设计时应保证带宽频率不超过右半平面零点频率的1/3；由公式41可知，如果不加斜坡补偿(ma=O),当占空比超过50%时，电流环震荡，表现为驱动大小波，即次谐波震荡。因此，设计CCM模式反激变换器时，需加斜坡补偿。对DCM模式反激，控制到输出的传函为：(43)(三)=其中：21V2mVIV=-,W=-,RLoQd=a,G,=kPCoutEsr义COUtAPom+巩RtIdipakVoutl为主路输出直流电压，k为误差放大器输出信号到电流比较器输入的衰减系数，m为初级电流上升斜率，ma为斜坡补偿的补偿斜率，IdSPeak为给定条件下初级峰值电流。