开关电源设计步骤

中心议题：
       *电源设计步骤

步骤1 确定开关电源的基本参数

① 交流输入电压最小值umin

② 交流输入电压最大值umax

③ 电网频率Fl  开关频率f

④ 输出电压VO（V）：已知

⑤ 输出功率PO（W）：已知

⑥ 电源效率η：一般取80％

⑦ 损耗分配系数Z：Z表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级，Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5

步骤2 根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB

步骤3 根据u，PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin

① 令整流桥的响应时间tc=3ms

② 根据u，查处CIN值

③ 得到Vimin

确定CIN,VImin值
u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)
固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240

步骤4 根据u，确定VOR、VB

① 根据u由表查出VOR、VB值

② 由VB值来选择TVS
u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管              反向击穿电压VB(V)

固定输入:100/115 60 90
通用输入:85~265 135 200
固定输入:230±35 135 200

步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax
               
① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)

② 应在u=umin时确定Dmax值，Dmax随u升高而减小

步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP，KRP=IR/IP
u(V) KRP

最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)
固定输入:100/115 0.4 1
通用输入:85~265 0.4 1
固定输入:230±35 0.6 1

步骤7 确定初级波形的参数

① 输入电流的平均值IAVG

② 初级峰值电流IP

③ 初级脉动电流IR

④ 初级有效值电流IRMS

步骤8 根据电子数据表和所需IP值 选择TOPSwitch芯片

① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足：0.9 ILIMIT(min)≥IP

步骤9和10 计算芯片结温Tj

① 按下式结算：
Tj＝[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ＋25℃
式中CXT是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容

② 如果Tj＞100℃，应选功率较大的芯片

步骤11 验算IP  IP=0.9ILIMIT(min)

① 输入新的KRP且从最小值开始迭代，直到KRP=1

② 检查IP值是否符合要求

③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)

步骤12 计算高频变压器初级电感量LP，LP单位为μH
                
步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数：

① 磁芯有效横截面积Sj（cm2），即有效磁通面积。

② 磁芯的有效磁路长度l（cm）

③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)

④ 骨架宽带b（mm）

步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值

① 开始时取d＝2（在整个迭代中使1≤d≤2）

② 取Ns=1(100V/115V交流输入)，或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)

③ Ns=0.6×(VO+VF1)

④ 在使用公式计算时可能需要迭代
  
步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF

① 设定输出整流管正向压降VF1

② 设定反馈电路整流管正向压降VF2

③ 计算NP
                    
④ 计算NF
                    
  
步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ，进行迭代。

① 设置安全边距M，在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm，在110V/115V交流输入时M=1.5mm。使用三重绝缘线时M=0

② 最大磁通密度BM=0.2～0.3T
          
 若BM＞0.3T，需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP，使BM在0.2~0.3T范围之内。如BM＜0.2T，就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值。

③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm
δ＝40πSJ(NP2/1000LP－1/1000AL)
要求δ≥0.051mm，若小于此值，需增大磁芯尺寸或增加NP值。

④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2

若J＞10A/mm2，应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架，使J＜10A/mm2。若J＜4A/mm2，宜选较细的导线和较小的磁芯骨架，使J＞4A/mm2；也可适当增加NP的匝数。

⑤ 确定初级绕组最小直径（裸线）DPm(mm)

⑥ 确定初级绕组最大外径（带绝缘层）DPM(mm)

⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be（mm）
                be=d(b－2M)
然后计算初级导线外径（带绝缘层）DPM：DPM＝be/NP

步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm

① 次级峰值电流ISP(A)
ISP=IP×(NP/NS)
    
② 次级有效值电流ISRMS(A)                     
    
③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)
                
⑤ 次级导线最小直径（裸线）DSm(mm)
                  
⑥ 次级导线最大外径（带绝缘层）DSM(mm)
                  
步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB

① 次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S
V(BR)S＝VO+VImax×NS/NP

② 反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB
V(BR)FB＝VFB+ VImax×NF/NP
  
步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管

步骤26 选择输出整流管

步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT

① 滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI

② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容

③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容的r0值和等效电感L0

④ COUT的容量与最大输出电流IOM有关
  
步骤28～29 当输出端的纹波电压超过规定值时，应再增加一级LC滤波器

① 滤波电感L=2.2~4.7μH。当IOM＜1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠；大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈。

② 为减小L上的压降，宜选较大的滤波电感或增大线径。通常L=3.3μH

③ 滤波电容C取120μF /35V，要求r0很小
    
步骤30 选择反馈电路中的整流管
    
步骤31 选择反馈滤波电容 
反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器
    
步骤32 选择控制端电容及串连电阻
 控制端电容一般取47μF /10V，采用普通电解电容即可。与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W，在不连续模式下可省掉此电阻。
      
步骤33选定反馈电路
      
步骤34选择输入整流桥
          
① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2  umax

③ 设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS。计算IRMS公式如下：
      cosθ为开关电源功率因数，一般为0.5～0.7，可取cosθ＝0.5
 
步骤35 设计完毕
在所有的相关参数中，只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内。它们是最大磁通密度BM（要求BM=0.2T~0.3T）、磁芯的气隙宽度δ（要求δ≥0.051mm）、初级电流密度J（规定J=4～10A/mm2）。这3个参数在设计的每一步都要检查，确保其在允许的范围之内。