从头开始，DIY一个45W的开关电源的全部过程

bg1trk · 发表于 2019-4-20 22:58:43

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本帖最后由 bg1trk 于 2019-4-22 09:30 编辑

前一阵子做电子负载，配套的改装电源板功率稍显不足，手上开关电源的相关备件都有存货，于是干脆自己做了一块电源板，这是此次DIY的来由。
水平有限，以下内容如有错误，还请各位老师多多指正。

电源选择用反激拓扑，主芯片用手上的存货TOP246。反激拓扑结构简单，是100W以下功率时常见的选择，TOP246集成了功率开关管，电路能稍微简化一些。

电源主要参数如下：
输入电压    ：AC 180-260V
最小输入电压：Vinmin=180*1.2=216V,取整为220VDC
最大输入电压：Vinmax=260*1.414=368V,取整为370VDC
输出电压：Vout=15V+15V
功率       ：Pout=45W
频率       ：fs=66KHz
效率       ：η=80%

第一步：计算变压器各项参数：

一、计算初级电感量Lp，公式：Lp=(Vinmin×Dmax)/(fs×(IPmax-Ipmin))
   Lp=( Vinmin × Dmax ) / ( (Ipmax-Ipmin) × fs)
上式中各项参数及含义为：
Lp    ：初级电感量
Vinmin：最小输入电压，220V
Fs    ：开关频率，66KHz
Dmax ：最大占空比，未知
Ipmin ：初级电感最小电流，未知
Ipmax：初级电感最大电流。未知

分别计算以上未知量：

1、求最大占空比Dmax，公式：Dmax=Vf/(Vin+Vf)
   Dmax=Vf/(Vin+Vf)
上式中各项参数及含义为：
Vf：反射电压，未知
Vin：输入电压，最大占空比出现在最小输入电压时，此处取Vin=Vinmin=220V。
反射电压Vf为输出电压按匝比反射到初级的电压，Vf与Vinmax相加不能大于MOS管的耐压，否则开关管会被击穿。
反射电压最大可取：Vf=Vds-Vinmax
TOP246耐压700V，留30%耐压余量，Vds可以用到约500V。
Vf=Vds-Vinmax=500-380=120V。
将反射电压Vf、最小输入电压Vinmin代入公式：
Dmax=Vf/(Vinmin+Vf)= 120/(220+120)=0.35
以上为Dmax的理论计算值，Dmax越大，次级的占空比越小、峰值电流越大，输出波纹也就越大，对MOS的耐压要求也越高。这里优化一下，将Dmax取小一些，暂定为0.31。

2、求初级电感最小电流Ipmin、最大电流Ipmax，公式：Ipmin+Ipmax=2×Pout/(Vinmin×η×Dmax)
    Ipmin+Ipmax=2×Pout/(Vinmin×η×Dmax)
上式中各项参数及含义为：
Ipmin  ：最小电流，未知
Ipmax ：最大电流，未知
Pout ：输出功率，45W
Vinmin：最小输入电压，220V
η       ：效率，80%
Dmax  ：最大占空比，0.31

反激拓扑基本工作模式有DCM（电流断续）、CCM（电流连续）两种，各有优缺点，以下按CCM计算。
DCM模式，Ipmin=0。
CCM模式的两个未知数，一般选择Ipmax为2至3倍的Ipmin。（Ipmax与Ipmin不宜过于接近）。
这里取Ipmax=3Ipmin
IpmIn+Ipmax=2×Pout/(VInmiIn×η×Dmax)=2*45/(220×0.8×0.31)=90/54.56=1.65A
IpmIn=0.41A
Ipmax=1.24A

3、计算初级电感量Lp，将以上计算所得参数代入最初的公式 Lp=( Vinmin × Dmax ) / ( (Ipmax-Ipmin) × fs)
Lp=(Vinmin×Dmax)/(fs×(Ipmax-Ipmin))  = (220×0.31)/(66000×(1.24-0.41))  =1245uH

二、计算初级匝数Np，公式：Np=[(L×Ip)/(ΔB×Ae)]×10^4
计算初级匝数首先要选择磁芯型号，常用AP法选择磁芯，这里就不计算了，按经验选择磁芯型号为ER2828。
Np=[(L×Ip)/(ΔB×Ae)]×10^4
上式中各项参数及含义为：
L  ：初级电感量（单位H），1245uH，1.245*10^-3H。
Ip ：初级峰值电流（单位A），1.24A
ΔB：磁感应强度变化量（单位T），一般定为0.3T
Ae：磁芯截面积（单位cm2），ER2828磁芯的截面积为0.81 cm2
以上参数代入公式：
NP=(1.245*10^-3*1.24/(0.3*0.81))*10^4=64T

三、计算次级匝数Ns，公式：Ns=(Vout+Vd)×Np/Vf
Ns=(Vout+Vd)×Np/Vf
上式中各项参数及含义为：
Vout：输出电压，15V
Vd  ：整流管压降，0.8V
Np  ：初级匝数 64
Vf ：反射电压，120V
以上参数代入公式：
Ns=(Vout+Vd)*Np/Vf  =(15+0.8)*64/120=8.4匝
取整：
Ns=8匝。

四、计算初次级线径
有现成的计算电流有效值软件，暂时找不到了，大概按功率算一下：
初级电流有效值=45/220=0.2-0.3A
次级电流有效值=45/15=3A。
（注：这么算电流有效值严格上说是不合理的）
小功率开关电源，可按每平方毫米5-6A的电流密度选择导线，则线径为：
初级线径=0.276mm
次级线径=0.62mm（次级两组15V输出，每组电流1.5A）
得出线径后按公式S=75/√f核算一下趋肤深度，线径要小于2倍的S，如果超了，要多线并绕。

五、计算次级整流二极管的耐压，公式：VDR=Vinmax×Ns/Np+Vout
VDR=Vinmax×Ns/Np+Vout
上式中各项参数及含义为：
VDR：整流管反压
Vinmax：最大输入电压，370V
Ns：次级匝数，8匝
Np：初级匝数，64匝
Vout：输出电压，15V
以上参数代入公式：
VDR=Vinmax×Ns/Np+Vout= 370×8/64+15=61.25V
以上计算的是整流管的最小反压值，实际因二极管在反向恢复时存在电压尖峰，VDR取得要大一些，这里靠规格取100V。如果测试时发现电压尖峰过高，还要给整流管加上吸收。

总结一下变压器的计算结果：

变压器磁芯：ER2828
初级电感量Lp：1245uH
初级匝数Np：64匝
次级匝数Ns：8匝
辅助绕组匝数：7匝
初级线径：0.3mm
次级线径：0.62mm
次级整流管耐压：100V

第二步：画电路图和PCB

1 SCH(小)_gaitubao.PNG

电路图与芯片资料里给出的典型应用大致相仿，局部稍有修改。总功率45W，设了三组输出，可灵活配置成多种电压组合，方便以后用作其他途径。图中给出的参数是双15V、最大电流1.5A。因有些元器件手上没有备件，图中红色参数是实际装机参数，有些原件的实际装机参数不合理，例如C0、C1、C7、C9、C11，参数偏大或偏小，有条件时要改成正规参数。
PCB略小于50*100mm，拼成100*100的板子，省点打板费。

第三步：绕变压器
下图是变压器结构图：
4 变压器(小)_gaitubao.PNG

三明治结构，最内层是初级的第一部分Np1,0.3mm可焊接漆包线。
中间层是次级Ns1、Ns2，0.6mm三重绝缘线，次级与相邻层用三层拉玛胶带做绝缘。
次外层是辅助绕组，与最外层用单层拉玛胶带绝缘。
最外层是初级的第二部分Np2,0.3mm可焊接漆包线，三层拉玛胶带。

5 变压器(小)_gaitubao.JPG

设计时磁芯型号ER2828，实际使用的是ER2820。变压器绕好后要磨短中心柱开气隙、调初级电感量，偷懒用垫纸的方式开气隙。

6 初级电感(小)_gaitubao.JPG

初级电感允许有10%的容差，通过调整气隙宽度调整电感量。设计值1243uH，实际使用两层A4纸时电感量调到1232uH，在误差允许范围内。

7 漏感(小)_gaitubao.JPG

用导线短路所有次级测漏感，实际漏感11uH，这个值还不错。
还有一个绝缘测试步骤没拍照片，500V摇表测绝缘电阻在20M欧姆以上，合格。

第四步：焊接调试
打板回来的板子：
3 板子1_gaitubao.JPG

100*100的板子，拿到手再自行切割，总共20片。

本着先贴片、后小件再大件的原则逐步焊接元器件。因为本次只需要两路输出，最下面那路输出空置。芯片和整流管的散热器为2mm厚的铝板，尺寸50mm*25mm。焊好后的板子：
8 成品板子(小)_gaitubao.JPG

元器件焊接前先测试，逐步焊接初步测试，前期做的比较细致，板子焊好后一次上电成功。图为在做满载测试：
9 测试(小)_gaitubao.JPG

环境温度18度，30V、1.5A，45W满功率测试2小时，变压器48度，整流管68度，芯片55度。几个主要发热元件最大温升50度，合格。
波纹什么的还没测，次级滤波电容容量稍小，估计波纹会大一些，150mV左右吧。

无芯修机 · 发表于 2019-4-20 23:11:18

大师级厉害！分不清哪些电路磁芯都要留气隙，如果都要留，为什么厂家不直接留还需个人打磨，很疑问？

茶壹杯 · 发表于 2019-4-20 23:16:43

LZ高手 :handshake: 收藏学习

ploestar · 发表于 2019-4-20 23:20:29

牛批啊，鼓掌

zhkrid · 发表于 2019-4-20 23:26:24

功率稍微小了点点，至少弄个60w以上，应急可以带笔记本

qrut · 发表于 2019-4-20 23:32:18

看电路最上面一组15v是开环，这样这路电压可能不会太稳

bg1trk · 发表于 2019-4-20 23:35:17

钟义亭发表于 2019-4-20 23:15
能搞個一百顆變壓器來分賣 , 可給精華了
为什么厂家不直接留 , 还需个人打磨，很疑问？
這我二十年 , ...

变压器也可以像PCB那样发厂家打样，量少不值得，干脆就自己绕了。
设计时不同的取舍，对应的气隙宽度不一样，这个没有统一标准，而且不是所有的变压器都需要留气隙，所以标准磁芯都没有气隙。
磁芯很硬，我手上的普通锉刀根本锉不动，只好用垫纸的办法。开气隙是在磁路上动手脚，与电路没有电气上的连接，也就不存在短路之类的隐患。

bg1trk · 发表于 2019-4-20 23:40:14

无芯修机发表于 2019-4-20 23:11
大师级厉害！分不清哪些电路磁芯都要留气隙，如果都要留，为什么厂家不直接留还需个人打磨，很疑问？ ...

反激变压器的磁芯，还有一些工作时有直流分量的电感磁芯，都需要开气隙。
设计时不同的取舍，对应的气隙宽度不一样，这个没有统一标准，而且不是所有的变压器都需要留气隙，所以厂家出的标准磁芯都没有气隙。如果事先留了气隙，设计时反而要受这个因素的影响，碍手碍脚的。

bg1trk · 发表于 2019-4-20 23:46:03

本帖最后由 bg1trk 于 2019-4-20 23:51 编辑

qrut 发表于 2019-4-20 23:32
看电路最上面一组15v是开环，这样这路电压可能不会太稳

行家！:handshake:

画PCB时下面这两路输出留了反馈电阻的位置，可根据输出的功率分配比，配上反馈电阻就行了。

绕变压器时用了上面那两路输出，而且这块板要接成正负15V输出，-15V没法做反馈，干脆就开环了。根据负载轻重不同，-15V大概上下能飘个1V左右，目标板上还有正负12V线性稳压，问题不大。

jack017 · 发表于 2019-4-20 23:54:43

厉害！如果有坛友批量推出开关电源PCB和配套元件供选购，根据需要自由组装，大家就有的玩了。:lol:

qrut · 发表于 2019-4-20 23:55:04

无芯修机发表于 2019-4-20 23:11
大师级厉害！分不清哪些电路磁芯都要留气隙，如果都要留，为什么厂家不直接留还需个人打磨，很疑问？ ...

反激变换器，正激时需要变压器储能，因此需要开气隙调整合适电感量，能量主要储存在气隙里，反激阶段释放。另防止变压器饱和，不开气隙或不当会有炸管危险～

qrut · 发表于 2019-4-20 23:56:49

bg1trk 发表于 2019-4-20 23:46
行家！

画PCB时下面这两路输出留了反馈电阻的位置，可根据输出的功率分配比，配上反馈电阻就 ...

嗯不加轻载也问题不大，也不能算完全开环，算半开环吧～

radarw · 发表于 2019-4-21 06:33:02

请问，在LED驱动上有个跟变压器外形很像的东西，有人说是电感，怎么区分这种电感和变压器？

miqi328 · 发表于 2019-4-21 08:22:39

技术不错，成本太高，过过瘾还可以。

bg1trk · 发表于 2019-4-21 09:54:29

zhkrid 发表于 2019-4-20 23:26
功率稍微小了点点，至少弄个60w以上，应急可以带笔记本

画板子时大概预估了一下用ER28磁芯的功率上限，能到90W左右。功率大了以后散热压力比较大，要加大散热片。
还是这块板子，大概按90W输出算了算，磁芯EER28/34、频率132KHz，双15V、3A的变压器数据：
变压器磁芯：ER28/34
初级电感量Lp：350uH
初级匝数Np：28匝
次级匝数Ns：4匝
辅助绕组匝数：4匝
初级线径：0.55mm
次级线径：0.45*3mm
除了变压器以外，主滤波电容最小用100UF、吸收回路再加强一些、加大散热片面积，其他都一样。

以前用这个电路，最大功率做到过150W，磁芯用PQ32/30。功率再加大就不实用了，体积大、热的厉害。