开关电源设计流程(含变压器计算)详解

设计流程简介

目的

希望以简短的篇幅，将公司目前设计的流程做介绍，若有介绍不当之处，请不吝指教. 设计步骤:

绘线路图、PCB Layout. 变压器计算. 零件选用. 设计验证.

设计流程介绍(以DA-14B33为例):

Ns(Vo+VD)x(1 D)

=

NpVin(min)xD

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

w

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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. =

=

决定变压器的材质及尺寸:

=

依据变压器计算公式 =

=

LpxIp

B(max)=x100Gauss

线路图、PCB Layout请参考资识库中说明.

NpxAe

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。

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。

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。 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。

设计流程简介

D = 工作周期(Duty cycle) 决定Ip值:

Ip=Iav+

1ΔI 2

Iav=

Pout

Vin(min)xDxη

ΔI=

Vin(min)P

x

Lpf

Ip = 一次侧峰值电流 Iav = 一次侧平均电流 Pout = 输出瓦数

η=效率

假设NP使用0.32ψ的线 电流密度=

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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。 决定MOSFET及二次侧二极管的Stress(应力): 器上为380V)为基准。 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。 将所得资料代入B(max)=调整。

DA-14B33变压器计算:

假设fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V，η=0.7，P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600 Uh 计算式:

变压器材质及尺寸: 余可绕面积为4.4mm.

假设滤波电容使用47uF/400V，Vin(min)暂定90V。 决定变压器的线径及线数:

f=PWM震荡频率

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

LpxIp

x100Gauss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

NpxAe

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.

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

Iin=

13.2Pout

==0.42A

Vin(min)xηxcosθ90x0.7x0.5

0.42

2

0.32 3.14x

2

=

0.42

=1.286A

3.14x0.1024

可绕圈数=

4.4剩餘可繞面績==12.57圈 0.32+0.03線徑

假设Secondary使用0.35ψ的线

设计流程简介

电流密度=

4 0.35 3.14x

2

2

=

4

=44.07A

3.14x0.0289

假设使用4P，则 电流密度=

44.07

=11.02A 4

4.4

=11.57圈

0.35+0.03 可绕圈数=

若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V

决定MOSFET及二次侧二极管的Stress(应力): MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+=463.6V

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

决定Duty cycle:

Ns(Vo+VD)(1 D)= NpVin(min)D

2(3.3+0.5)(1 D)= D=48.2% 4490D

决定Ip值:

1Ip=Iav+ΔI

2Iav=

Pout13.2

==0.435A

Vin(min)xηxD90x0.7x0.482

ΔI=

Vin(min)D900.482

xx==0.603A

f1600u45KLp

0.603

=0.737A 2

Ip=0.435+

决定辅助电源的圈数: 假设辅助电源=12V

Ns3.823.8

==

NA112NA112

NA1=6.3圈

假设使用0.23ψ的线 可绕圈数=

4.4

=19.13圈

(0.23+0.02)

Np

(Vo+VD) =380+44(3.3+0.5) Ns2

Diode(D5)=输出电压(Vo)+

Ns

x最高输入电压(380V) Np

=3.3+

2

x380 44

Ns

x最高輸入電壓(380V) Np

=20.57V

Diode(D4)=輸出電壓(NA2)+

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其它:

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 可绕圈数=

=6.6+

4

x380=41.4V 44

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

4.4

=11.58T，所以可将NA2定为4Tx2P

0.35+0.0323.8=4VA2

VA2=7.6V

3.8Ns

=

NA2VA2

B(max)=

LpxIp1600x0.737

x100(Gauss)=x100=3116.3Gauss

44x0.86NpxAe

变压器的接线图:

0.32Φx1Px22T

0.35Φx4Px2T

0.32Φx1Px22T

0.35Φx2Px4T

0.23Φx2Px6T

零件选用:

零件位置(标注)请参考线路图: (DA-14B33 Schematic) FS1:

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。 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)。

范围在90V~264V(或180V~264V)，因Vc1电压最高约380V，所以必须使用耐压400V的电容。

D2(辅助电源二极管):

整流二极管，一般常用FR105(1A/600V)或BYT42M(1A/1000V)，两者主要差异: 耐压不同(在此处使用差异无所谓) VF不同(FR105=1.2V，BYT42M=1.4V) R10(辅助电源电阻):

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