原標(biāo)題：一文學(xué)會(huì)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源以其高效、輕便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。下面將從設(shè)計(jì)流程、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)、元件選型、PCB設(shè)計(jì)以及調(diào)試與優(yōu)化等方面，全面介紹開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。

一、設(shè)計(jì)流程

1. 確定需求：明確開(kāi)關(guān)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(biāo)。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)為手機(jī)充電的開(kāi)關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：根據(jù)需求選擇合適的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的有反激式、正激式、半橋式、全橋式和推挽式等。對(duì)于小功率、輸入輸出隔離的應(yīng)用，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是常用選擇；大功率、對(duì)效率要求高的場(chǎng)合，正激式或全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為合適。

3. 計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)：包括變壓器的匝數(shù)比、電感量、電容容量等。

4. 設(shè)計(jì)電路：根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的主電路、控制電路和保護(hù)電路。

5. 元件選型：選擇合適的開(kāi)關(guān)管、二極管、電容、電感、變壓器等元件。

6. PCB 設(shè)計(jì)：合理布局和布線，減小電磁干擾，提高電源的穩(wěn)定性和可靠性。

7. 調(diào)試與優(yōu)化：對(duì)設(shè)計(jì)好的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行調(diào)試，測(cè)量各項(xiàng)性能指標(biāo)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

二、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

變壓器設(shè)計(jì)

• 匝數(shù)比計(jì)算：以反激式開(kāi)關(guān)電源為例，假設(shè)輸入電壓最小值 Vin(min)，輸出電壓 Vo，占空比 D，變壓器的匝數(shù)比 n 可以通過(guò)以下公式近似計(jì)算：

n=Vin(min)×DVo+Vf

其中，Vf 為輸出二極管的正向壓降。例如，Vin(min)=90V，Vo=5V，Vf=0.7V，D=0.4，則 n=90×0.45+0.7≈0.158。

• 磁芯選擇與電感量計(jì)算：根據(jù)功率大小和頻率要求選擇合適的磁芯，然后計(jì)算原邊電感量 Lp：

Lp=2×Ip(peak)Vin(min)×D×Ts

其中，Ts 為開(kāi)關(guān)周期，Ip(peak) 為原邊峰值電流。

輸出濾波電容計(jì)算

輸出濾波電容 Co 的容量可以通過(guò)以下公式估算：

Co=ΔVoIo×Δt

其中，Io 為輸出電流，Δt 為紋波電壓的周期時(shí)間（通常為開(kāi)關(guān)周期），ΔVo 為允許的輸出紋波電壓。例如，Io=2A，Δt=1000001s（開(kāi)關(guān)頻率為 100kHz），ΔVo=50mV，則 Co=0.052×1000001=400μF。

三、電路設(shè)計(jì)

主電路設(shè)計(jì)

• 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(kāi)關(guān)管：根據(jù)功率和電壓電流要求選擇合適的 MOSFET 或 IGBT。

• 變壓器：按照計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)換為直流電，并進(jìn)行濾波，常用的整流二極管有肖特基二極管和快恢復(fù)二極管。

控制電路設(shè)計(jì)

• PWM 控制器：產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。常見(jiàn)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(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定控制。反饋電路通常由光耦和穩(wěn)壓管組成。

保護(hù)電路設(shè)計(jì)

• 過(guò)流保護(hù)：通過(guò)檢測(cè)原邊或副邊電流，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)管，防止電路損壞。

• 過(guò)壓保護(hù)：檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，采取保護(hù)措施，如關(guān)閉輸出或限制電壓。

• 過(guò)熱保護(hù)：在開(kāi)關(guān)電源中安裝溫度傳感器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，降低功率或關(guān)閉電源。

四、元件選型

功率開(kāi)關(guān)管

• 耐壓值：應(yīng)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(yīng)大于原邊峰值電流，并考慮一定的安全系數(shù)。

• 導(dǎo)通電阻：導(dǎo)通電阻越小，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)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(dǎo)通損耗越小。

• 反向恢復(fù)時(shí)間：對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源，應(yīng)選擇反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管，以減少開(kāi)關(guān)損耗。

電容

• 耐壓值：應(yīng)大于電路中的最大工作電壓。

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

電感

• 電感量：按照計(jì)算結(jié)果選擇合適的電感量。

• 飽和電流：應(yīng)大于電路中的最大工作電流，防止電感飽和。

五、PCB 設(shè)計(jì)

布局原則

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

• 熱設(shè)計(jì)：將發(fā)熱量大的元件，如功率開(kāi)關(guān)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(yīng)保持一定的安全距離，避免高壓對(duì)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(yīng)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(huán)路：盡量減小電流環(huán)路的面積，減少電磁輻射。

• 地線設(shè)計(jì)：采用單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地的方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的接地方法，降低地線干擾。

六、調(diào)試與優(yōu)化

調(diào)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(wú)短路或開(kāi)路現(xiàn)象。

2. 空載調(diào)試：先不接負(fù)載，給開(kāi)關(guān)電源上電，觀察 PWM 控制器是否正常工作，測(cè)量輸出電壓是否在合理范圍內(nèi)。

3. 帶載調(diào)試：逐漸增加負(fù)載，測(cè)量輸出電壓、電流和紋波等參數(shù)，檢查電源是否能夠穩(wěn)定工作。

優(yōu)化方法

• 調(diào)整反饋參數(shù)：通過(guò)調(diào)整反饋電路中的電阻和電容值，優(yōu)化輸出電壓的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

• 優(yōu)化布局布線：根據(jù)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的電磁干擾問(wèn)題，對(duì) PCB 的布局布線進(jìn)行優(yōu)化，如增加屏蔽、調(diào)整走線寬度和間距等。

• 元件替換：如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)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(dǎo)通電阻的開(kāi)關(guān)管、更小 ESR 的電容等。

通過(guò)以上步驟，可以完成一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以提高開(kāi)關(guān)電源的性能和可靠性。