《快快乐乐跟我学开关电源设计》
2009/05/12 asdjf@163.com www.armecos.com
“我想DIY开关电源，要具备哪些理论知识、实践技能和工程素质啊？”
“如何从给定的设计规格设计出开关电源？具体步骤是什么？”
“开关电源中的电感、变压器怎么自己制作？控制芯片如何选型？”
“如何选择磁芯外形、变频器类型、工作频率、计算各种参数呢？”
“如何进行优化和折中？”
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电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。《增值包》用户希望了解目前最流行的开关电源设计制作方法，为此，我们提供此入门文档，完善《增值包》知识库体系，满足用户需求。虽然市面上有很多介绍开关电源的书籍，但仍然缺少快速入门及经验总结类的资料，所以，尽管资料丰富，但还是有很多人不知道怎样利用。当然这篇文档只是入门介绍，深入研究还要看其他专著。
从电网得到的交流电或由电池取得的直流电是随环境温度、时间和负载所变化的，它们不能直接成为电子设备所需的内部电源。电子设备由于要完成许多高级的功能，对其供电电源的精度随环境的变化，动态响应能力，还有很多其他的指标都有非常高的要求。将电网或电池的一次电能转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备就是我们这里要讲的电源。
随着片状电子元件、表面安装技术及大规模集成电路的发展，电子产品越来越小型化、轻型化，如何缩小电源的体积减轻重量，提高电源的转换效率，增强对电网电压的适应性，是人们致力于研究的重点。
一个比较好的解决方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器，采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源，即我们马上就要讲到的开关电源。
开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点，目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。
开关电源按变换方式可分为以下四大类：
1、AC/DC 开关电源
2、DC/DC 开关电源
3、DC/AC 逆变器
4、AC/AC 变频器
目前只将前面两类称为开关电源，将后面两类分别称为逆变器和变频器。
开关电源按应用方式可分为以下三大类：
1、外置电源
与设备分开放置的电源模块或电源系统，如：
---通信用一次电源模块和系统
---电力操作电源模块和系统
---手机电池充电器
---笔记本电脑的Adapter
---各类手提设备、便携设备的电池充电器等等
2、内置电源
放在设备内部的电源模块或电源系统，如：
---计算机内部的SilverBox和VRM
---家电(如：普通电视机、等离子电视机、液晶电视机)内部的供电电源
---工业控制设备内部的电源
---仪器中使用的电源
---通信设备内部的电源模块和系统
---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等
3、板上电源
放在设备内单板上的电源模块，如：
---标准砖类电源(全砖、半砖、1/4砖、1/8砖)
---非隔离POL(Point of Load 负载点)变换器
---VRM(Voltage regulator module电压调节模块)和VRD(Voltage regulator down)
---小功率SMD电源
---SIP和DIP电源等等
开发一个开关电源产品所需要的基本技能：
1、认识组成开关电源的所有元器件
2、掌握各种元器件的电气性能和电路符号
3、会自己制作各种磁芯元件
4、会正确装配电源中的各个部分
5、了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法
6、会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试，优化和折中
7、会对获得的实验结果进行分析，并进行总结
8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人交流
开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识：
1、有源PFC的拓扑分析，控制与设计
2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态分析
3、开关电源的功率级参数设计
4、开关电源的控制与动态分析
5、开关电源的小信号分析与设计
6、开关电源的大信号分析与设计
7、开关电源的EMI分析与设计
8、开关电源的热分析与设计
9、开关电源的容差分析与设计
10、开关电源的各种保护技术
11、开关电源的同步整流技术
12、开关电源的模块均流控制技术
有些技术很成熟了，只要查表或者使用现成电路或专用芯片就可以做好。
EMI比较困难，因为元件特性会变化。PCB布线也比较讲究，可以参考《快快乐乐跟我学高速PCB设计》一书。
这些专业知识如何获得呢？
1、参加专业会议
2、书本上
3、参加培训
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ATX电源
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一个非常容易找到的开关电源就是PC机里用的ATX电源了。拆开电源可以看到里面的构造：
1、220V 50HZ交流输入
2、保险管
3、交流互感滤波(对高于50HZ高次谐波滤波，避免对后面电路的高频干扰)
4、二极管桥式整流电路
5、滤波电容
6、开关管
7、开关变压器
8、辅助电源(为电源监控部件、保护电路、控制电路等电路供电。)
9、开关激励脉冲形成电路(集成电路TL494和LM339比较器，开关振荡稳压控制，控制开关管)
10、光耦/激励变压器(将激励脉冲送到开关管的桥梁)
11、高频滤波电感和电容(滤除高次谐波)
12、直流电压输出
ATX接口定义：(有防插反缺口)
ATX主板电源接口
+3.3VDC +3.3VDC COM +5VDC COM +5VDC COM PWR_OK +5VSB +12VDC
+3.3VDC -12VDC COM PS_ON# COM COM COM -5VDC +5VDC +5VDC
硬盘、光驱电源接口
+12VDC COM COM +5VDC
软驱电源接口
+5VDC COM COM +12VDC
AUX电源接口
COM COM COM +3.3VDC +3.3VDC +5VDC
p4主板12V电源接口
COM COM
+12VDC +12VDC
ATX采用颜色区分，仅凭颜色就可以知道电压值：
白色 -5V
红色 +5V
黑色 地
黄色 +12V
蓝色 -12V
橙色 +3.3V
灰色 POW_OK +5V 开机自检启动信号
紫色 +5VSB 待机电源
绿色 PS_ON# +5V 电源启停控制
几个控制信号的说明：
POW_OK信号(在AT电源中及部分电源板上称P.G信号)为微机开机自检启动信号，为了防止开机时各路输出电路时序不定，CPU或各部件未进入初始化状态造成工作错误及突然停电时，硬盘磁头来不及移至着陆区造成盘片划伤，微机电源中均设置了POW_OK信号。
PS_ON#信号：ATX电源最主要的特点就是，它不采用传统的市电开关来控制电源是否工作，而是采用“＋5VSB、PS_ON#”的组合来实现电源的开启和关闭，只要控制 “PS_ON#”信号电平的变化，就能控制电源的开启和关闭。电源中的S-ON控制电路接受PS_ON#信号的控制，当“PS_ON#”小于1V伏时开启电源，大于4.5伏时关闭电源。主机箱面上的触发按钮开关(非锁定开关)控制主板的“电源监控部件”的输出状态，同时也可用程序来控制“电源监控件”的输出，如在WIN9X平台下，发出关机指令，使“PS_ON#”变为＋5V，ATX电源就自动关闭。
+5VSB：待机电源，上电后一直存在，该输出连接到ATX主板的“电源监控部件”，作为它的工作电压，使操作系统可以直接对电源进行管理。通过此功能，实现远程开机，完成电脑唤醒功能。
ATX电源需要短接PS_ON#和COM(即ATX主板电源接口的14脚和15脚短接)才能启动(此时电源散热风扇转动)。
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开关电源变压器设计
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开关电源变压器是开关电源中的核心部件，作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。由于开关变压器的工作频率很高，因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小，同时变压器的分布参数亦不能忽略。设计时需要考虑磁芯材料选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等。
开关电源变压器工作于高频状态，分布参数有漏感、分布电容和电流趋肤效应。一般根据开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应则作为选择导线规格的条件之一。
开关电源变压器的工作状态与开关型功率变换器的电路形式有关，一般根据功率大小，使用要求，采用不同形式的功率变换器。不同的电路形式，开关电源变压器工作状态也不同，对开关电源变压器也提出了不同的设计要求。
变换器形式有：双极性(推挽式、全桥式、半桥式)，单端正激式，单端反激式等。
开关电源变压器中使用的是软磁材料。比如：铁氧体材料。铁氧体材料很容易加工成各种形状，可根据开关变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁芯形状。磁芯型号主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每种型号又有很多尺寸规格可以选择。
开关电源变压器参数计算：漏感计算、分布电容计算、穿透深度(导线选择)、交流电阻计算、电流有效值。
开关电源变压器设计
设计内容：
1、磁芯规格
2、匝数与导线规格
3、损耗与温升
4、导线结构：多股线或扁平线
5、绕组结构：多层或分段饶制
6、端空设计：按绝缘电位设计端空
设计条件：
1、电路形式：给出变换器的形式，输入输出电路及所用元器件
2、工作频率或周期
3、变换器输入最高、最低电压
4、输出电压和电流
5、开关管最大导通时间
6、开关管导通电压降及整流二极管正向电压降
7、隔离电位
8、要求的漏感或分布电容
9、温升要求
10、磁芯形状
11、工作环境条件
设计参数的确定：
1、磁感应强度B和电流密度J
磁感应强度B、变压器铜耗Pm、电流密度J
2、变压器和线圈的结构参数
铜线占空系数、平均匝长、变压器表面积、磁芯结构常数
开关电源变压器设计举例(略)
铁氧体材料的开关电源变压器采用标准化设计，通过查表的方法简化工作量。
表格包含了如下信息：
变换器类型
工作频率
变压器温升
磁芯规格
技术指标
直流功率、增量磁感、剩余磁感、电流密度、电压调整率、电感系数
损耗指标
磁芯损耗、线圈铜耗、散热面积、单位损耗、效率
结构参数
结构常数、平均匝长、等效截面、磁路长度、气隙厚度、磁芯体积
线圈参数
初级每匝伏数、次级每匝伏数、绕线宽度、绕线厚度、占空系数
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不同形状的铁氧体磁芯电感计算
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略
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开关电源设计举例
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开关电源设计优化
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开关电源设计折中
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