一步一步精通單端反激式開關電源設計

一步一步精通單端反激式開關電源設計

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

從事開關電源，特種高壓電源、脈沖電源設計多年，感觸頗深，期間走過不少彎路，遇到不少困難，每一個電源的設計研發(fā)都需要扎實的電子方面的知識。借著這篇文章主要想總結一下這些年來自己在單端反激式開關電源設計方面的一些經驗和技巧，期間走了太多的彎路，也吸取了很多的教訓，當然也仍然有很多的不解，由于主題涉及的知識面比較廣，內容篇幅也比較多，先來個提綱，我們大家一起來一步一步學習反激式開關電源的設計。

步驟1_確定應用需求

步驟2_根據(jù)應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_對應相應的工作模式及電流波形設定電流波形參數(shù)KP：當KP≤1時，KP=KRP;當KP≥1時，KP=KDP

步驟7_根據(jù)VMIN和VOR確定DMAX

步驟8_計算初級峰值電流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_設定外部限流點降低的ILIMIT降低因數(shù)KI

步驟11_通過IP和ILIMIT的比較驗證MOS芯片選擇的正確性

步驟12_計算功率開關管熱阻選擇散熱片驗證MOS芯片選擇的正確性

步驟13_計算初級電感量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)計算初級繞組圈數(shù)NP

步驟16_計算次級繞組圈數(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/骨架的方法對其進行迭代，直到滿足規(guī)定的范圍

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

步驟25 –計算次級峰值電流ISP

步驟26 –計算次級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，選用相應的反饋電路元件

步驟37 –環(huán)路動態(tài)補償設計，以TOP-GX系列芯片為例

步驟1_確定應用需求

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單想市電輸出標準，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，詳細信息可百度下世界電網頻率表即可。本例設計取50HZ.

1.1.3 開關頻率：Fs, 單位kHz

大于20KHZ，常用50KHZ~200KHZ，具體由開關芯片決定.

1.1.4 電源效率：η

低電壓(5V以下)輸出時，效率可取75%;

中等電壓(5V到12V之間)輸出時，可選80%;

高壓(12V以上)輸出時，效率可取85%;

可參考開關芯片廠商數(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

取決于用戶應用需求，主要由負載工作電壓決定.

1.2.2、輸出電流：IO，單位A

取決于用戶應用需求，主要由負載工作電流決定。

1.2.3、穩(wěn)壓精度：電壓調整率，負載調整率，紋波及噪聲;

1.2.4、瞬態(tài)特性：啟動時間，保持時間，輸出電壓的上升時間、

下降時間、過沖、欠沖。

1.3 保護功能及附屬功能

1.3.1、 OCP，OVP，OTP，欠壓保護，限功率;

1.3.2、 絕緣電阻、絕緣電壓、漏電流。

1.4 結構要求：

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)標準及EMC標準：

1、認證標志，3C，UL，GS，PSE，

2、EMI測試標準。

1.6 使用環(huán)境條件：

溫度、濕度，耐振動沖擊

1.7 壽命

1.8 開關電源專業(yè)術語

SMPS------------------------------開關電源

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

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

PWM--------------------------------脈寬調制

FET-----------------------------------場效應管

MTBF---------------------------------平均無故障時間

NTC------------------------------------負溫度系數(shù)

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

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

OCP-------------------------------------過流保護

OVP-------------------------------------過壓保護

OTP-------------------------------------過溫保護

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-------------------------------------危害性物質限制指令

步驟2_根據(jù)應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，其他品牌開關芯片的選取原則同樣可以基于此原則。首先解釋個名詞術語：

2.1、負載調整率

百度百科是這樣解釋的：

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

負載調整率=(空載時輸出電壓-滿載時輸出電壓)/(額定負載時輸出電壓)*100%

這是穩(wěn)壓電源的一項重要指標，體現(xiàn)當負載電流變化時穩(wěn)壓電源的輸出電壓相應的變化情況，通常以輸出電流從0變化到額定最大電流時，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除以標稱輸出電壓5V，得10%這就是該電源的負載調整率。

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/增強反饋電路

3、光耦/穩(wěn)壓管反饋電路

4、光耦器/TL431反饋電路