开关电源变压器设计 - 全文

　　作为一个变压器工程师，需要那些技能才能很好的驾驭这份工作，才能够在这个工作链中扮演一个角色。首先，必须要了解变压器在电路中起的作用，学习变压器在电路工作时的电压电流波形。只有了解这些知识才有可能创新出一些新颖的结构。也只有了解这些原理，在变压器使用出现故障的时候才能找到解决方法。

　　电源变压器在最近几年的发展和应用中，逐渐呈现出了专业性的特点，小功率的开关电源变压器设计和制作也更加符合民用要求。在今天的方案分享中，我们将会为大家分享一种小功率的电源变压器设计和制作过程，方便工程师进行参考借鉴。

　　详解设计开关电源

　　开关电源设计的第一步就是看规格，具体的很多人都有接触过；也可以提出来供大家参考，我帮忙分析。

　　我只带大家设计一款宽范围输入的12V2A 的常规隔离开关电源

　　1. 首先确定功率。

　　根据具体要求来选择相应的拓扑结构；这样的一个开关电源多选择反激式（flyback） 基本上可以满足要求。

　　注：在这里我会更多的选择是经验公式来计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论。

　　2.当我们确定用 flyback 拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWM IC 和 MOS 来进行初步的电路原理图设计（sch）。

　　无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。对里面的计算我还会进行分解。

　　分立式：PWM IC 与 MOS 是分开的，这种优点是功率可以自由搭配，缺点是设计和调试的周期会变长（仅从设计角度来说）；

　　集成式：就是将 PWM IC 与 MOS 集成在一个封装里，省去设计者很多的计算和调试分步，适合于刚入门或快速开发的环境。

　　3. 确定所选择的芯片以后，开始做原理图（sch）。

　　在这里我选用 ST VIPer53DIP（集成了MOS） 进行设计，原因为何（因为我们是销售这一颗芯片的）？

　　设计之前最好都先看一下相应的 datasheet，自己确认一下简单的参数：

　　无论是选用 PI 的集成，或384x 或 OB LD 等分立的都需要参考一下 datasheet，一般 datasheet 里都会附有简单的电路原理图，这些原理图是我们的设计依据。

　　4. 当我们将原理图完成以后，需要确定相应的参数才能进入下一步 PCB Layout。

　　当然不同的公司不同的流程，我们需要遵守相应的流程，养成一个良好的设计习惯，这一步可能会有初步评估，原理图确认，等等，签核完毕后就可以进行计算了。

　　先附上相应的原理图

　　

　　不需要启动电阻的，因为这颗片子里已经集成了一个 高压启动电流源 如下图：

　

　　当然针对 UC384X 等需要启动电阻的芯片来说，计算启动电阻阻值的话，可以这样

　　Rstart = （Vin（min） - Vdd ） / Istart

　　Rstart： 启动电阻

　　Vin（min）： 输入最低直流电压

　　Vdd： 芯片的供电电压

　　Istart： 芯片的启动电流

　　一个很有深度的问题，同时也是 VIPer53 异于其它 single chip power 的优点

　　R205 断开或相当于光耦拆掉（相当于副边失反馈），电源依然会正常工作，此时进入原边反馈模式 PSR，参考框图部分 Vdd 引脚的中间那个运放，此时会与 COMP 脚上的 一阶惯性环节形成稳定的 PWM 控制系统

　　参考电路图如下：

　

　　5. 确定开关频率，选择磁芯确定变压器

　　这里确定芯片工作频率为 70KHz，芯片的频率可以通过外部的 RC 来设定，工作频率就等于开关频率，这个外设的功能有利于我们更好的设计开关电源，也可以采取外同步功能。与 UC384X 功能相近，变压器磁芯为 EER28/28L，一般 AC2DC 的变换器，工作频率不宜设超过 100kHz，主要是开关电源的频率过高以后，不利于系统的稳定性，更不利于 EMC 的通过性，频率太高，相应的 di/dt dv/dt 都会增加，除 PI 132kHz 的工作频率之外，大家可以多参考其它家的芯片，就会总结自己的经验出来。

　　对于磁芯的选择，是在开关频率和功率的基础，更多的是经验选取。当然计算的话，你需要得到更多的磁芯参数，包括磁材，居里温度，频率特性等等，这个是需要慢慢建立的。

　　20W ~ 40W 范围内 EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以。

　　6. 设计变压器进行计算（续2）上面计算了变压器的电感量，现在我们还需要得到相应的匝数才可以完成整个变压器的工作

　　1）计算导通时间 Ton周期时间 T = Ton + Toff = 1/FswTon = T * DmaxFsw ， Dmax 都是已知量 70kHz ， 0.45 代入上式可得Ton = 6.43us

　　2）计算变压器初级匝数Np = Vin（min）*Ton/（ΔB × Ae） = 120Vdc * 6.43us/（0.2 * 82mm2） = 47 T（这里的数是一定要取整的，而且是进位取整，我们变压器不可能只绕半圈或其它非整数圈）

　　3）计算变压器 12V 主输出的匝数输出电压（Vo）：

　　12 Vdc整流管压降（Vd）： 0.7

　　Vdc绕组压降（Vs）： 0.5

　　Vdc原边匝伏比（K） = Vi_min / Np= 120 Vdc / 47 T = 2.55输出匝数（Ns） = （输出电压（Vo） + 整流管压降（Vd） + 绕组压降（Vs）） / 原边匝伏比（K）= （12 Vdc + 0.7Vdc + 0.5Vdc） / 2.55 = 6 T （已取整）

　　4）计算变压器辅助绕组（aux turning）输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为 ST VIPer53DIP 副边反馈需低于 14.5 Vdc，故选取 12 Vdc 作为辅助电压；Na = 6 T到这一步，我们基本上就得出了变压器的主要参数原边绕组：47T 原边电感量：0.77mH 漏感《 5%* 0.77mH = 39uH12V输出： 6T辅助绕组：6T下一步我们只要将绕组的线径 股数 脚位 耐压 等安规方面的要求提出，就可以发给变压器厂去打样了至于气隙的计算，以及返回验证 Dmax 这些都是一些教科书上的，不建议大家死搬硬套，自己灵活一些

　　6. 设计变压器进行计算（续3）

　　上面计算出匝数以后，可以直接确定漆包线的粗细，不需要去进行复杂的计算

　　线径与常规电阻一样，都是有定值的，记住几种常用的定值线径

　　这里，原边电流比较小，可以直接选用 φ0.25 一股

　　辅助绕组 φ0.25 一股

　　主输出绕组 φ0.4 或 0.5 三股，不用选择更粗的，否则绕制起来，漆包线的硬度会使操作工人很难绕

　　很多这一步“计算”过了以后，还会返回计算以验证变压器的窗口面积

　　个人认为返回验证是多余的，因为绕制不下的话，打样的变压器厂也会反馈给你，而你验证通过的，在实际中也不一定会通过；

　　毕竟与实际绕制过程中的熟练度，及稀疏还是有很大关系的

　　再下一步，需要确定输入输出的电容的大小，就可以进行布局和布板了。

　　7. 输入输出电解电容计算

　　输入滤波电解电容

　　Cin = （1.5~3）*Pin

　　输出滤波电解电容

　　Cout = （200~300）* Io

　　上面我们计算出输入功率 30W

　　所以 Cin = 45 ～ 90 uF

　　从理论上来说，这个值选的越大，对后级就越好；从成本上考虑，我们不会无限制的去选取大容量

　　此处选值 47uF/400Vdc 85℃ 或 105℃ 根据相应的应用环境来决定；电容不需要高频，普通低阻抗的就可以了

　　输出电流是 2A

　　Cout = 400～600uF

　　此处电容需要适应高频低阻的特性，这个值也可以选值变大，但前提必须是在反馈环内

　　因为是闭环精度控制，故取值 470uF/16Vdc

　　这里电源就可以选两颗 470uF/16Vdc，加一个 L，阻成 CLC 低通滤波器

　　基本上到这里，PCB 上需要外形确定的器件已经完成，即PCB封装完成；

　　下一步就可通过前面的原理图（SCH） 定义好器件封装。

　　8. PCB Layout

　　上面已经确定变压器，原理图，以及电解电容，其它的基本上都是标准件了

　　由 sch 生成网络表，在 PCB file 里定义好板边然后加载相应的封装库以后，可以直接导入网络表，进行布局；因为这个板相对比较简单，也可以直接布板，导入网络表是一个非常好的设计习惯

　　PCB layout 重点不是怎么连线，最重要的是如何布局；一般来说布局OK的话，画板就轻松多了

　　在布局与布板方面，

　　1） RCD 吸收部分与变压器形成的环面积尽量小；这样可以减小相应的辐射和传导

　　2） 地线尽量的短和宽大，保证相应的零电平有利于基准的稳定；同时 VIPER53DIP 这颗 DIP-8 的芯片散热的重要通道

　　3） 在 di/dt dv/dt 变化比较大的地方，尽量减小环路和加宽走线，降低不必要的电感特性

　　附上相应的图， N久之前的版本，可以改进的地方很多，各位自行参考：目前这一块板仍一直在生产

　　

　

　　9. 确定部分参数

　　我们前几步已经计算了变压器，PCB Layout 完成以后，此时就可以确定变压器的同名端，完整的定义 变压器，并发出去打样或自己绕制

　　EER28/28L 骨架是 6 + 6

　　原边： 1 -》 3 辅助： 6 -》 5 输出：7，8，9 -》 10，11，12

　　对于输出的脚位，我们可以用两个，或者全用上，看各位自己的选择

　　从原理图及 PCB 图上，1，6，7，8，9 为同名端，自己绕制时，起线需从这几个脚位起，同方向绕制

　　变压器正式定义：

　　1 -》 2 ： φ0.25 x 1 x 24T

　　7 -》 10 ： φ0.50 x 2 x 6T

　　8 -》 11 ： φ0.50 x 2 x 6T

　　9 -》 12 ： φ0.50 x 2 x 6T

　　2 -》 3 ： φ0.25 x 1 x 23T

　　6 -》 5 ： φ0.25 x 1 x 6T

　　2，4 并剪脚

　　L1-3 ： 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材质

　　高压：

　　原边vs副边 ：3750Vac@1mA 1min 无击穿无飞弧

　　副边vs磁芯 ：1500Vac@1mA 1min 无击穿无飞弧

　　阻抗：

　　原边vs副边/绕组vs磁芯 ：500Vdc 阻抗》100M

　　备注：这里采用三文治绕法，目的是为了降低漏感

　　输出所有脚位全用上，目的是不浪费，同时降低输出绕组的内部阻抗

　　可以将 PCB 和变压器发出去打样了， 剩下就是确定更多的参数并备料

　　9. 确定部分参数（续1）

　　D101～D104： Iav = 0.25A 选 1N4007 （1000V@1A） 当然选 600V 的也没有问题

　　snubber circuit （RCD 吸收） ： R101 - 100k 1W C101 - 103@1kV（高压瓷片电容）

　　D105 - FR107（选 600V 的超快恢复也可以）

　　这部分可以计算，也可以直接选用经典的参数，在调试时，再进行继续来检验

　　D201： MBR10100

　　耐压：》 Vo + Vin（max）* Ns/Np = 12V + 375Vdc * 6/47 = 60V

　　D106： FR107 （耐压计算同上，选 FR101亦可，尽快将电源里器件整合，故选 FR107）

　　R102： 是一个分压电阻，主要用来限制 Vdd 的电压；0～100R 范围内选，调试时，根据具体情况调整

　　R103，C105： 这部分是 ST VIPER53DIP 设定开关频率的，70kHz 可查datasheet 中的频率设定表，可知 R103 - 10k C105 - 222

　　8脚 TOVL 是一个延时保护的，此处可以直接选 104 具体参数，根据应用时，来调整这个值

　　1脚 comp 是一个补偿反馈脚，给出一组验证过的参数：R104 - 1k

　　C104 - 47uF/50V（电解电容） C103 - 104 这是一个一阶惯性环节，在副边反馈状态下，以副边反馈的补偿网络为主，在失反馈此补偿网络才变为主网络

　　IC102 - 选用 PC817C 就OK了，不需要要求太高的 CTR 值

　　L201 - 10uH 3A 的工字电感，与 E201 E202 形成一个低通滤波器，能更好地抑制纹波，可计算，在这里我不提倡来计算，可以根据调试中所碰到的问题再来调整

　　IC201 - TL431 TO92 封装，ref - 2.5V

　　R205 - 1k 这个值的计算》 Vo - Vopdiode（光耦内发光二极管的压降）/Imin（光耦发光二极管 最小击穿电流）

　　保证 R205 的选择能够在正常状态下，有效击穿光耦内部的发光二极管

　　R204 R202 - 18k 4.7k 根据公式 2.5V/R202 = Vo/（R202+R204） 可计算

　　C202 - 104 这个也可以到时根据实际情况来调整，不需要去用公式进行复杂的计算

　　CY103 - 这个是Y电容 可以选 222@400Vac，具体根据安规的耐压来选取，都可以在后续的工作中进行调整

　　10. 调试过程

　　到以上部分，基本上一个电源算是设计完成，后面的就是焊板调试过程

　　调试所需要的简单设备（必需的）：

　　调压器，示波器，万用表

　　辅助设备：功率计，LCR电桥，电子负载

　　焊完板以后，进行静态检查，如果有 LCR 电桥的话，可以先测一下变压器同名端，电感量等参数以后再焊接

　　静态检查，主要看有没有虚焊，连锡等

　　

　　10. 调试过程（续1）

　　静态测试以后，可以用万用表测一下输入，输出是否处于短路状态

　　剩下就可以进行加电测试了

　　开关电源的AC输入 接入调压器，或者 AC输入 接入功率计再接至调压器

　　调压器处于 0Vac

　　示波器 接在 ST VIPER53DIP 的 D S 两端 或 初级绕组两端亦可，交流耦合

　　万用表电压档测输出，并空载

　　接通调压器电源，开始升压，不需要快速，同时观看示波器

　　从 0Vac 开始升，会看到示波器上波形会有浮动（改成直流耦合会很清楚看到电压在上升）

　　当调压器的电压 至 40～60Vac 区间时，如果示波器波形还没有变化的话，退回 0Vac，重新检查电源板

　　一般空载状态，在 40～60Vac 区间时，开关电源会开始工作，ST VIPER53DIP 也会进入工作模式，示波器上 Vds 波形会开始正常

　　看输出电压是否达到预设值？ 未达到，退回 0Vac 检查采样，反馈及输出回路

　　如果都 OK 的状态下，再考虑将输入电压升至 220Vac

　　遵循以上步骤调试的话，不会出现爆片或炸机现象

　　备注：示波器需要隔离，或只允许 L N 输入，未隔离条件下 PE 的线不能接入，否则极易造成短路

　　开关电源变压器设计方法

　　由于一次侧和二次侧绕组间寄生电容的存在，变压器“开关”时，在分界处存在dV/dt，将“静默层”布置在绝缘胶带的两侧，即一次侧和Vin相连的一端，二次侧和地相连的一端，分别布置在绝缘胶带两侧，可以减小分界处寄生电容的dV/dt。由于场效应管的漏极电压是波动的，将其绕为骨架的第一层，这样外层可屏蔽内层发射的电磁场。图1和图2给出了两种低噪声的绕线技术，可应用在典型的反激变换器变压器中。

　　

　　方法一：如图1所示，二次侧绕组与二极管连接的末端必须紧邻绝缘胶带，因此绝缘胶带的两端将有一定大小的dV/dt，但该dV/dt比一次侧绕组的漏极相连端与绝缘胶带相邻时小得多。此变压器的优点是二次侧绕组的“静默端”位于最外层，它本身就能很好的屏蔽变压器的辐射。

　　

　　方法二：如图2所示，使两个静默端与绝缘胶带相邻，此变压器的优点是穿越边界的共模噪声减小，但变压器的外部噪声比较大，需要在外部绕上铜皮屏蔽（即法拉第屏蔽）。

　　

　　在变压器骨架窗口裕量充足的情况下，通常还需要在变压器内部一次侧和二次侧之间使用铜皮“隔离”，从而屏蔽绕组产生的噪声。如果窗口裕量不是很充分，可以考虑将一次侧的IC供电绕组作为法拉第屏蔽。如图3所示，绕组的两端均交流耦合至一次侧地，使一次侧主绕组发射的容性噪声减小，因此传导至二次侧的共模噪声大大减小。使用法拉第屏蔽的缺点是漏感大大增加，从而降低了效率。所以我们在反激变换器变压器内部一般不使用任何常规的屏蔽，但经常使用法拉第屏蔽。

　　在为客户设计定制产品时，客户要求在不加外围辅助电路的情况下，要求传导过CLASS B，根据方法一，在结合使用传统的“三明治绕法”不仅解决了传导的问题，还解决了只用方法一带来的变压器漏感大的问题，从而提高了电源的稳定性，也达到了客户的要求。该定制产品绕线顺序如表1所示，传导结果如图4所示，峰值最少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

　

　

　　对于带变压器拓扑结构的开关电源来说，变压器的电磁兼容性（EMC）设计对整个开关电源的EMC水平影响较大。通常情况下，加装电源线滤波器是抑制传导EMI的必要措施。但是，仅仅依靠电源输入端的滤波器来抑制干扰往往会导致滤波器中元件的电感量增加和电容量增大。而电感量的增加使体积增加、电容量的增大受到漏电流安全标准的限制。本文提出了新的变压器设计方法。不仅能减少电源线滤波器的体积，对传导电磁干扰（EMI）的抑制能力更强，且能降低变压器的制作成本和工艺复杂程度。