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一文學會開關電源的設計

來源: 維庫電子網
2020-10-20
類別:設計應用
eye 24
文章創建人 拍明

原標題:一文學會開關電源的設計

開關電源以其高效、輕便、體積小等優點,在電子設備中得到了廣泛應用。下面將從設計流程、關鍵參數計算、電路設計、元件選型、PCB設計以及調試與優化等方面,全面介紹開關電源的設計方法。

一、設計流程

  1. 確定需求:明確開關電源的輸入電壓范圍、輸出電壓和電流、功率、效率、紋波等性能指標。例如,設計一個為手機充電的開關電源,輸入電壓為交流 100 - 240V,輸出電壓為 5V,輸出電流為 2A,功率為 10W,效率要求大于 85%,紋波小于 50mV。

  2. 選擇拓撲結構:根據需求選擇合適的開關電源拓撲結構,常見的有反激式、正激式、半橋式、全橋式和推挽式等。對于小功率、輸入輸出隔離的應用,反激式拓撲結構是常用選擇;大功率、對效率要求高的場合,正激式或全橋式拓撲結構更為合適。

  3. 計算關鍵參數:包括變壓器的匝數比、電感量、電容容量等。

  4. 設計電路:根據拓撲結構和計算結果,設計開關電源的主電路、控制電路和保護電路。

  5. 元件選型:選擇合適的開關管、二極管、電容、電感、變壓器等元件。

  6. PCB 設計:合理布局和布線,減小電磁干擾,提高電源的穩定性和可靠性。

  7. 調試與優化:對設計好的開關電源進行調試,測量各項性能指標,根據測試結果進行優化。

二、關鍵參數計算

變壓器設計

  • 匝數比計算:以反激式開關電源為例,假設輸入電壓最小值 ,輸出電壓 ,占空比 ,變壓器的匝數比  可以通過以下公式近似計算:

其中, 為輸出二極管的正向壓降。例如,,則 

  • 磁芯選擇與電感量計算:根據功率大小和頻率要求選擇合適的磁芯,然后計算原邊電感量 

其中, 為開關周期, 為原邊峰值電流。

輸出濾波電容計算

輸出濾波電容  的容量可以通過以下公式估算:

其中, 為輸出電流, 為紋波電壓的周期時間(通常為開關周期), 為允許的輸出紋波電壓。例如,(開關頻率為 100kHz),,則 

三、電路設計

主電路設計

  • 輸入濾波電路:用于抑制輸入電源中的高頻干擾,通常由電容和電感組成。

  • 功率開關管:根據功率和電壓電流要求選擇合適的 MOSFET 或 IGBT。

  • 變壓器:按照計算結果繞制或選擇合適的成品變壓器。

  • 輸出整流濾波電路:將變壓器輸出的交流電轉換為直流電,并進行濾波,常用的整流二極管有肖特基二極管和快恢復二極管。

控制電路設計

  • PWM 控制器:產生脈沖寬度調制信號,控制功率開關管的導通和關斷時間,從而調節輸出電壓。常見的 PWM 控制器芯片有 UC3842、TL494 等。

  • 反饋電路:將輸出電壓采樣并反饋給 PWM 控制器,實現輸出電壓的穩定控制。反饋電路通常由光耦和穩壓管組成。

保護電路設計

  • 過流保護:通過檢測原邊或副邊電流,當電流超過設定值時,關閉功率開關管,防止電路損壞。

  • 過壓保護:檢測輸出電壓,當電壓過高時,采取保護措施,如關閉輸出或限制電壓。

  • 過熱保護:在開關電源中安裝溫度傳感器,當溫度過高時,降低功率或關閉電源。

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四、元件選型

功率開關管

  • 耐壓值:應大于輸入電壓的最大值和輸出電壓反射到原邊的電壓之和,并留有一定的余量。

  • 電流容量:應大于原邊峰值電流,并考慮一定的安全系數。

  • 導通電阻:導通電阻越小,開關管的導通損耗越小,效率越高。

二極管

  • 正向壓降:正向壓降越小,二極管的導通損耗越小。

  • 反向恢復時間:對于高頻開關電源,應選擇反向恢復時間短的二極管,以減少開關損耗。

電容

  • 耐壓值:應大于電路中的最大工作電壓。

  • 容量和 ESR:根據濾波要求選擇合適的容量,同時盡量選擇等效串聯電阻(ESR)小的電容,以減少紋波。

電感

  • 電感量:按照計算結果選擇合適的電感量。

  • 飽和電流:應大于電路中的最大工作電流,防止電感飽和。

五、PCB 設計

布局原則

  • 功能分區:將輸入電路、功率電路、控制電路和輸出電路進行合理分區,減少相互干擾。

  • 熱設計:將發熱量大的元件,如功率開關管、整流二極管等,分散布置,并保證有良好的散熱通道。

  • 高壓與低壓隔離:輸入高壓部分與輸出低壓部分應保持一定的安全距離,避免高壓對低壓部分造成干擾或擊穿。

布線原則

  • 寬走線:功率電路的走線應盡量寬,以減小線路電阻和電感,降低損耗和電磁干擾。

  • 避免環路:盡量減小電流環路的面積,減少電磁輻射。

  • 地線設計:采用單點接地或多點接地的方式,根據實際情況選擇合適的接地方法,降低地線干擾。

六、調試與優化

調試步驟

  1. 上電前檢查:檢查電路連接是否正確,元件安裝是否牢固,有無短路或開路現象。

  2. 空載調試:先不接負載,給開關電源上電,觀察 PWM 控制器是否正常工作,測量輸出電壓是否在合理范圍內。

  3. 帶載調試:逐漸增加負載,測量輸出電壓、電流和紋波等參數,檢查電源是否能夠穩定工作。

優化方法

  • 調整反饋參數:通過調整反饋電路中的電阻和電容值,優化輸出電壓的穩定性和動態響應。

  • 優化布局布線:根據調試過程中發現的電磁干擾問題,對 PCB 的布局布線進行優化,如增加屏蔽、調整走線寬度和間距等。

  • 元件替換:如果發現某個元件的性能不滿足要求,可以嘗試替換為性能更好的元件,如選擇更低導通電阻的開關管、更小 ESR 的電容等。

通過以上步驟,可以完成一個開關電源的設計。在實際設計過程中,需要不斷積累經驗,根據具體情況進行調整和優化,以提高開關電源的性能和可靠性。


責任編輯:David

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標簽: 開關電源

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