简单的开关电源电路设计教程

开关电源电路设计指南

设计步骤：

2.1 绘线路图、PCB Layout.

2.2 变压器计算。

2.3 零件选用。

2.4 设计验证。

 设计流程介绍（以DA-14B33 为例）：

3.1 线路图、PCB Layout 请参考资识库中说明。

3.2 变压器计算：

变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的，以下即就DA-14B33 变压器做介绍。

3.2.1 决定变压器的材质及尺寸：

依据变压器计算公式

B（max） = 铁心饱合的磁通密度（Gauss）

Lp = 一次侧电感值（uH）

Ip = 一次侧峰值电流（A）

Np = 一次侧（主线圈）圈数

Ae = 铁心截面积（cm2）

B（max） 依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK Ferrite Core PC40 为例，100℃时的B（max）为3900 Gauss，设计时应考虑零件误差，所以一般取3000~3500 Gauss 之间，若所设计的power 为Adapter（有外壳）则应取3000 Gauss 左右，以避免铁心因高温而饱合，一般而言铁心的尺寸越大，Ae 越高，所以可以做较大瓦数的Power。

3.2.2 决定一次侧滤波电容：

滤波电容的决定，可以决定电容器上的Vin（min），滤波电容越大，Vin（win）越高，可以做较大瓦数的Power，但相对价格亦较高。

3.2.3 决定变压器线径及线数：

当变压器决定后，变压器的Bobbin即可决定，依据Bobbin的槽宽，可决定变压器的线径及线数，亦可计算出线径的电流密度，电流密度一般以6A/mm2为参考，电流密度对变压器的设计而言，只能当做参考值，最终应以温升记录为准。

设计流程简介

3.2.4 决定Duty cycle （工作周期）：

由以下公式可决定Duty cycle ，Duty cycle 的设计一般以50%为 基准，Duty cycle 若超过50%易导致振荡的发生。

NS = 二次侧圈数

NP = 一次侧圈数

Vo = 输出电压

VD= 二极管顺向电压

Vin（min） = 滤波电容上的谷点电压

D = 工作周期（Duty cycle）

3.2.5 决定Ip 值：

Ip = 一次侧峰值电流

Iav = 一次侧平均电流

Pout = 输出瓦数

h =效率

f = PWM 振荡频率

3.2.6 决定辅助电源的圈数：

依据变压器的圈比关系，可决定辅助电源的圈数及电压。

3.2.7 决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress（应力）：依据变压器的圈比关系，可以初步计算出变压器的应力（Stress）是否符合选用零件的规格，计算时以输入电压264V（电容器上为380V）为基准。

3.2.8 其它：

若输出电压为5V 以下，且必须使用TL431 而非TL432 时，须考虑多一组绕组提供Photo coupler 及TL431 使用。

3.2.9 将所得资料代入

公式中，如此可得出 B（max），若B（max）值太高或太低则参数必须重新调整。

3.2.10 DA-14B33 变压器计算：

输出瓦数13.2W（3.3V/4A），Core = EI-28，可绕面积（槽宽）=10mm，Margin Tape = 2.8mm（每边），剩余可绕面积=4.4mm.

假设fT = 45 KHz ，Vin（min）=90V，η =0.7，P.F.=0.5（cos θ），Lp=1600 Uh

计算式：

变压器材质及尺寸：

由以上假设可知材质为PC-40，尺寸=EI-28，Ae=0.86cm2，可绕面积（槽宽）=10mm，因Margin Tape使用2.8mm，所以剩余可绕面积为4.4mm.

2 假设滤波电容使用47uF/400V，Vin（min）暂定90V。

l 决定变压器的线径及线数：

2 假设NP使用0.32ψ的线

电流密度

可绕圈数

假设Secondary使用0.35ψ的线

假设使用4P，则

决定Duty cycle：

假设Np=44T，Ns=2T，VD=0.5（使用schottky Diode）

决定Ip 值：

决定辅助电源的圈数：

假设辅助电源=12V

假设使用0.23ψ的线

若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V

决定MOSFET 及二次侧二极管的Stress（应力）：

Ns

其它：

因为输出为3.3V，而TL431 的Vref值为2.5V，若再加上photo coupler 上的压降约1.2V，将使得输出电压无法推动Photo coupler 及TL431，所以必须另外增加一组线圈提供回授路径所需的电压。

假设NA2 = 4T 使用0.35ψ线，则

所以可将NA2定为4Tx2P

变压器的接线图：

3.3 零件选用：

零件位置（标注）请参考线路图： （DA-14B33 Schematic）

3.3.1 FS1保险丝：

由变压器计算得

到Iin 值，以此Iin值（0.42A）可知使用公司共享料2A/250V，设计时亦须考虑Pin（max）时的Iin是否会超过保险丝的额定值。

3.3.2 TR1（热敏电阻）：

电源启动的瞬间，由于C1（一次侧滤波电容）短路，导致Iin电流很大，虽然时间很短暂，但亦可能对Power 产生伤害，所以必须在滤波电容之前加装一个热敏电阻，以限制开机瞬间Iin在Spec 之内（115V/30A，230V/60A），但因热敏电阻亦会消耗功率，所以不可放太大的阻值（否则会影响效率），一般使用SCK053（3A/5Ω），若C1 电容使用较大的值，则必须考虑将热敏电阻的阻值变大（一般使用在大瓦数的Power 上）。

3.3.3 VDR1（突波吸收器）：

当雷极发生时，可能会损坏零件，进而影响Power 的正常动作，所以必须在靠AC 输入端 （Fuse 之后），加上突波吸收器来保护

0.32Φx1Px22T

0.32Φx1Px22T

0.35Φx2Px4T

0.35Φx4Px2T

0.23Φx2Px6T

设计流程简介

Power（一般常用07D471K），但若有价格上的考虑，可先忽略不装。

3.3.4 CY1，CY2（Y-Cap）：

Y-Cap 一般可分为Y1 及Y2 电容，若AC Input 有FG（3 Pin）一般使用Y2- Cap ， AC Input 若为2Pin（只有L，N）一般使用Y1-Cap，Y1与Y2 的差异，除了价格外（Y1 较昂贵），绝缘等级及耐压亦不同（Y1称为双重绝缘，绝缘耐压约为Y2 的两倍，且在电容的本体上会有“回”符号或注明Y1），此电路因为有FG 所以使用Y2-Cap，Y-Cap会影响EMI特性，一般而言越大越好，但须考虑漏电及价格问题，漏电（Leakage Current ）必须符合安规须求（3Pin 公司标准为750uAmax）。

3.3.5 CX1（X-Cap）、RX1：

X-Cap 为防制EMI零件，EMI 可分为Conduction及Radiation 两部分，Conduction 规范一般可分为： FCC Part 15J Class B 、 CISPR22（EN55022） Class B 两种 ， FCC测试频率在450K~30MHz，CISPR22 测试频率在150K~30MHz， Conduction可在厂内以频谱分析仪验证，Radiation 则必须到实验室验证，X-Cap 一般对低频段（150K ~数M 之间）的EMI 防制有效，一般而言X-Cap 愈大，EMI 防制效果愈好（但价格愈高），若X-Cap 在0.22uf 以上（包含0.22uf），安规规定必须要有泄放电阻（RX1，一般为1.2MΩ 1/4W）。

3.3.6 LF1（Common Choke）：

EMI 防制零件，主要影响Conduction 的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI特性及温升，以同样尺寸的Common Choke 而言，线圈数愈多（相对的线径愈细），EMI 防制效果愈好，但温升可能较高。

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