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如何轻松设计一款可调直流电源?

针对可调直流电源很多人觉得很难,其实不然。设计一款可调直流电源并不难,难就难在做精,等你真正入门了,积累一定的经验,再采用分立的结构进行设计就简单多了。万事开头难,笔者在这就抛砖引玉,慢慢讲解如何一步一步设计可调直流电源。

可调直流电源设计的第一步就是看规格,具体的很多人都有接触过,今天我给大家简单讲下设计一款宽范围输入的,常规隔离可调直流电源的设计思路。

1.首先确定功率,根据具体要求来选择相应的拓扑结构

这样的一个可调直流电源多选择反激式(flyback)基本上可以满足要求。在这里我会更多的选择是经验公式来计算,有需要分析的,可以拿出来再讨论。

2.选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计

当我们确定用flyback拓扑进行设计以后,我们需要选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计(sch)。无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。对里面的计算我还会进行分解。

分立式:PWMIC与MOS是分开的,这种优点是功率可以自由搭配,缺点是设计和调试的周期会变长(仅从设计角度来说);集成式:就是将PWMIC与MOS集成在一个封装里,省去设计者很多的计算和调试分步,适合于刚入门或快速开发的环境。

3.做原理图

确定所选择的芯片以后,开始做原理图(sch)。
设计前最好都先看一下相应的datasheet,确认一下简单的参数。无论是选用PI的集成,或384x或OBLD等分立的都需要参考一下datasheet。一般datasheet里都会附有简单的电路原理图,这些原理图是我们的设计依据。

4.确定相应的参数

当我们将原理图完成以后,需要确定相应的参数才能进入下一步PCBLayout。当然不同的公司不同的流程,我们需要遵守相应的流程,养成一个良好的设计习惯,这一步可能会有初步评估,原理图确认,等等,签核完毕后就可以进行计算了。

如何轻松设计一款可调直流电源?
可调直流电源原理图

5.确定开关频率,选择磁芯确定变压器

芯片的频率可以通过外部的RC来设定,工作频率就等于开关频率,这个外设的功能有利于我们更好的设计可调直流电源,也可以采取外同步功能。

一般AC2DC的变换器,工作频率不宜设超过100kHz,主要是可调直流电源的频率过高以后,不利于系统的稳定性,更不利于EMC的通过性。频率太高,相应的di/dtdv/dt都会增加,除PI132kHz的工作频率之外,大家可以多参考其它家的芯片,就会总结自己的经验出来。

对于磁芯的选择,是在开关频率和功率的基础,更多的是经验选取。当然计算的话,你需要得到更多的磁芯参数,包括磁材,居里温度,频率特性等等,这个是需要慢慢建立的。

6.设计变压器进行计算

我们根据输入/输出、开关频率,所选磁芯已知参数,同时设置好效率、最大占空比、磁感应强度变化等参数,就可以进入下一步计算,得出功率、平均及峰值电压电流、匝数和电感量。在这里输入峰值电流,大约是输入平均电流的4倍,这是个经验,也可以根据下图来推导,很简单的。

如何轻松设计一款可调直流电源?
峰值电流与平均电流的关系

确认匝数以后,直接确定漆包线的粗细,不需要去进行复杂的计算。

线径与常规电阻一样,都是有定值的,记住几种常用的定值线径。这里,原边电流比较小,可以直接选用φ0.25一股。辅助绕组φ0.25一股。主输出绕组φ0.4或0.5三股,不用选择更粗的,否则绕制起来,漆包线的硬度会使操作工人很难绕。

很多这一步“计算”过了以后,还会返回计算以验证变压器的窗口面积。个人认为返回验证是多余的,因为绕制不下的话,打样的变压器厂也会反馈给你,而你验证通过的,在实际中也不一定会通过;毕竟与实际绕制过程中的熟练度,及稀疏还是有很大关系的。

再下一步,需要确定输入输出的电容的大小,就可以进行布局和布板了。

7.输入输出电解电容计算

这里按照上步计算的输入功率、输出电流等,最终确定电解电容的规格,根据应用环境选取频率和阻抗,电容Cin理论选值越大,对后级越好,但从成本考虑不会无限制选取大容量。

基本上到这里,PCB上需要外形确定的器件已经完成,即PCB封装完成;下一步就可通过前面的原理图(SCH)定义好器件封装。

8.PCBLayout

上面已经确定变压器,原理图,以及电解电容,其它的基本上都是标准件了。

由sch生成网络表,在PCBfile里定义好板边然后加载相应的封装库以后,可以直接导入网络表,进行布局;因为这个板相对比较简单,也可以直接布板,导入网络表是一个非常好的设计习惯。

PCBlayout重点不是怎么连线,最重要的是如何布局;一般来说布局OK的话,画板就轻松多了。

在布局与布板方面:
1)RCD吸收部分与变压器形成的环面积尽量小;这样可以减小相应的辐射和传导。
2)地线尽量的短和宽大,保证相应的零电平有利于基准的稳定;同时VIPER53DIP这颗DIP-8的芯片散热的重要通道。
3)在di/dtdv/dt变化比较大的地方,尽量减小环路和加宽走线,降低不必要的电感特性。
附上相应的图,N久之前的版本,可以改进的地方很多,各位自行参考:目前这一块板仍一直在生产。

9.确定部分参数

我们前几步已经计算了变压器,PCBLayout完成以后,此时就可以确定变压器的同名端,完整的定义变压器,并发出去打样或自己绕制。

10.调试过程

到以上部分,基本上一个电源算是设计完成,后面的就是焊板调试过程。

调试所需要的简单设备(必需的):调压器,示波器,万用表;辅助设备:功率计,LCR电桥,电子负载

焊完板以后,进行静态检查,如果有LCR电桥的话,可以先测一下变压器同名端,电感量等参数以后再焊接。

静态检查:主要看有没有虚焊,连锡等;静态测试以后,可以用万用表测一下输入,输出是否处于短路状态;剩下就可以进行加电测试了。

电子元器件安装完成

其实可调直流电源入门很简单,最好的入门是选用单片的,毕竟省去了启动电阻,电流检测电阻,MOS及驱动,保护电路等各种不确定因素的问题。等你真正入门了,积累一定的经验,再采用分立的结构进行设计就简单多了,凡事先易后难才有进步。

可调直流电源是一切电子设备的心脏,哪里有电器哪里就有“可调直流电源”,在硬件行业中有着非常重要的地位。

在研制高效可调直流电源,小功率一般用准谐振,中功率用半桥LLC,大功率用全桥LLC或移相全桥。不难看出LLC谐振是电源技术的超级明星,是电源工程师们必须掌握的技能之一,然而此技术仍然只掌握在少数电源工程师手上,是很多工程师心中难以跨越的神山,一次次的接近又一次次的失败,最终从入门到放弃。

LLC谐振技术的学习渠道和资料相当有限,市场没有完整教学书籍、视频教程,网上的学习资源也很有限。目前,LLC谐振也是很多电源工程师难以完全掌握的一门技术。

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