開關電源設計原理及全過程(一)

一、概論

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發展空間

電源有如人體的心臟，是所有電設備的動力。但電源卻不像心臟那樣形式單一。因為，標志電源特性的參數有功率、電源、頻率、噪聲及帶載時參數的變化等等;在同一參數要求下，又有體積、重量、形態、效率、可靠性等指標，人可按此去塑造和完美電源，因此電源的形式是極多的。

隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。

一般電力要經過轉換才能符合使用的需要。轉換的例子有：交流轉換成直流，高電壓變成低電壓，大功率中取小功率等等。

開關電源的工作原理是：

1.交流電源輸入經整流濾波成直流;

2.通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管，將那個直流加到開關變壓器初級上;

3.開關變壓器次級感應出高頻電壓，經整流濾波供給負載;

4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達到穩定輸出的目的。

開關電源設計全過程

1 目的

希望以簡短的篇幅，將公司目前設計的流程做介紹，若有介紹不當之處，請不吝指教。

2 設計步驟：

2.1 繪線路圖、PCB Layout.

2.2 變壓器計算。

2.3 零件選用。

2.4 設計驗證。

3 設計流程介紹(以DA-14B33為例)：

3.1 線路圖、PCB Layout請參考資識庫中說明。

3.2 變壓器計算：

變壓器是整個電源供應器的重要核心，所以變壓器的計算及驗證是很重要的，以下即就DA-14B33變壓器做介紹。

3.2.1 決定變壓器的材質及尺寸：

依據變壓器計算公式

B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss)

Lp = 一次側電感值(uH)

Ip = 一次側峰值電流(A)

Np = 一次側(主線圈)圈數

Ae = 鐵心截面積(cm2)

B(max)依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40為例，100℃時的B(max)為3900 Gauss,設計時應考慮零件誤差，所以一般取3000~3500 Gauss之間，若所設計的power為Adapter(有外殼)則應取3000 Gauss左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做較大瓦數的Power.

3.2.2 決定一次側濾波電容：

濾波電容的決定，可以決定電容器上的Vin(min)，濾波電容越大，Vin(win)越高，可以做較大瓦數的Power,但相對價格亦較高。

3.2.3 決定變壓器線徑及線數：

當變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，依據Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數，亦可計算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設計而言，只能當做參考值，最終應以溫N記錄為準。

3.2.4 決定Duty cycle (工作周期)：

由以下公式可決定Duty cycle ,Duty cycle的設計一般以50%為基準，Duty cycle若超過50%易導致振蕩的發生。

NS = 二次側圈數

NP = 一次側圈數

Vo = 輸出電壓

VD= 二極體順向電壓

Vin(min) = 濾波電容上的谷點電壓

D =工作周期(Duty cycle)

3.2.5 決定Ip值：

Ip = 一次側峰值電流

Iav = 一次側平均電流

Pout = 輸出瓦數

效率

PWM震蕩頻率

3.2.6 決定輔助電源的圈數：

依據變壓器的圈比關系，可決定輔助電源的圈數及電壓。

3.2.7 決定MOSFET及二次側二極體的Stress(應力)：

依據變壓器的圈比關系，可以初步計算出變壓器的應力(Stress)是否符合選用零件的規格，計算時以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準。

3.2.8 其它：

若輸出電壓為5V以下，且必須使用TL431而非TL432時，須考慮多一組繞組提供Photo coupler及TL431使用。

3.2.9 將所得資料代入 公式中，如此可得出B(max)，若B(max)值太高或太低則參數必須重新調整。

3.2.10 DA-14B33變壓器計算：

輸出瓦數13.2W(3.3V/4A)，Core = EI-28,可繞面積(槽寬)=10mm,Margin Tape =? 2.8mm(每邊)，剩余可繞面積=4.4mm.

假設fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,? =0.7,P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600 Uh

計算式：

變壓器材質及尺寸：l

由以上假設可知材質為PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可繞面積(槽寬)=10mm,因Margin Tape使用2.8mm,所以剩余可繞面積為4.4mm.

假設濾波電容使用47uF/400V,Vin(min)暫定90V.