开关电源设计举例
开关电源设计举例
电源是各类产品中很重要的一部分，可以算是最基础的部分，任何电子器件缺少了电源都无法工作。本人从事电路设计相关工作（不涉及电源设计），但需要了解电源的设计原理、性能、测试等信息。通过收集资料整理出一份AC-DC开关电源的设计过程。
仙童半导体提供了较为详细的开关电源设计方案，本文以仙童的FSL1x6xRN系列芯片为例，介绍采用FPS的反激式隔离AC-DC开关电源的设计开发流程。开关模式电源（SMPS）设计本质上就是一项费时的工作，需要作出许多权衡取舍并采用大量的设计变量进行迭代运算。本文所描述的步进式设计程序能够帮助工程师完成SMPS的设计。为了使设计效率更高，还提供了一个包含本文所述全部公式的软件设计工具—FPS设计助手（FPS design assistant）。
该设计助手是用电子表格将全部变量、公式集于一个工作表，通过参数的改变实现相关参数的更新，提高设计开发的进度。
图1 采用FPS的基本反激式隔离AC-DC转换器
一、引言
图1示出了采用FPS的基本反激式隔离AC-DC转换器的原理图，它同时也是本文所描述的设计程序的参考电路。由于MOSFET和PWM控制器以及各附加电路都被集成在了一个封装中，因此，SMPS的设计比分立型的MOSFET和PWM控制器解决方案要容易得多。
本文提供了针对基于FPS的反激式隔离AC-DC转换器的进步式设计程序，也包括变压器设计、输出滤波器设计、元件选择和反馈闭合环路设计。这里描述的设计程序具有足够的通用性，可适用于不同的应用。本文介绍的设计程序还可以由一个软件设计工具（FPS设计助手）来实现，从而使得设计师能够在一个很短的时间内完成SMPS设计。本文的附录给出了一个采用软件工具的步进式设计实例。
二、步进式设计程序
在这一节中，我们以图1所示的原理为参考来介绍设计程序。一般而言，如图1所示，大多数FPS 引脚1到引脚4的配置都是相同的。
(1)第一步：确定系统规格
输入电压范围(V line min 和V line max )。
输入电压频率(f L )。
最大输出功率(P o )。
估计效率(E ff )：需要估计功率转换效率以计算最大输入功率。如果没有参考数据可供使用，而对于低电压输出应用和高电压输出应用，应分别将E ff 设定为0.7～0.75和0.8～0.85。
利用估计效率，可由下式求出最大输入功率：
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P in =P o
E ff                        (1)
对于多输出SMPS ，每个输出的负载比重被定义如下：
K L(n)=P o(n)
P o                    (2)
式中，P o(n)为第n 个输出的最大输出功率。对于单输出SMPS ，K L(1)=1。
富含矿物质的食物根据最大输入功率来选择合适的FPS 。具有合适额定功率的FPS 系列产品也包含于软件设计工具中供选用。
(2)第二步：确定输入整流滤波电容(C DC )和DC 电压范围
最大DC 电压纹波由下式得出：
∆V DC    max =P in (1−D ch )
√2∙V line  min ∙2f L ∙C DC              (3)
式中。D ch 为规定的输入整理滤波电容的充电占空比（如图2所示），其典型值为0.2。对于通用型输入
（85～265V rms ），一般将△V DC max
设定为√2∙V line  min 的10%～15%。
图2  DC 电压波形
利用求得的最大电压纹波，可以由下式来计算最小和最大DC 电压：
V DC  min =√2∙V line  min −∆V DC  max        (4)
V DC  max =√2∙V line  max                (5)
(3)第三步：确定最大占空比(D max )
对于CCM(连续电流模式)建议将Dmax 设定在0.5以下，以避免发生分谐波振荡。然后由下面的公式求出
反射电压(V RO )以及最大标称MOSFET 电压(V ds  nom )。
二婚结婚证V RO =D
max 1−D max ∙V DC  min                (6) V ds  nom =√2∙V line  max +V RO          (7)
由(6)式和(7)式可见，可通过减小Dmax 的方法来降低输出MOSHET 的电压应力。然而，这会使次级侧中整流二极管上的电压应力增大。因此，如果MOSFET 的额定电压有足够的余量，则理想的做法是将Dmax 设定得尽可能地大一些。Dmax 的典型值为0.45。
(4)第四步：确定变压器初级侧电感(Lm)
反激式转换器有两种工作模式：即连续通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)。工作模式随载条件和输入电压的改变而改变。因此，变压器初级侧的电感是在满载和最小输入电压的条件下确定的，公式如下： L m =(V DC  min ∙D max )
22∙P in ∙f S ∙K RF              (8)
式中,fs 为开关频率,K RF 为定义的纹波因数(如图3所示)。对于DCM 操作,K RF =1，而对于CCM 操作,K RF <1。对于通用型输入范围，将K RF 设定在0.3～0.5之间是合理的。
MOSFET 的最大峰值电流和RMS 电流由下面的公式获得：
I dc  peak =I EDC +∆I 2
(9) I dc  rms =√{3(I EDC )2+(∆I
2)2}∙D max
3        (10)
其中
I EDC =P in V DC  min ∙D max                        (11)
且
∆I =V DC  min ∙D max
L m ∙f S                          (12)
检查一下MOSFET 最大峰值电流(I ds  peak )是否低于FPS 的逐个脉冲限流电平(I lim )。
图3 MOSFET 漏电流和文博因数（K RF ）
(5) 第五步：确定合适的磁芯和初级线圈的最少匝数
实际上，磁芯的初始选择肯定是很粗略的，因为变量太了。选择合适磁芯的方法之一是查阅制造商提供的磁芯选指南。如果没有合适的参考资料，可用下面的公式作为一个起点。
A P =A w ∙A e =(L m ×I ds  peak ×I ds  rms ×104450×0.2×∆
B )1.143×104(mm 4)            (13)
式中,Aw 为窗面积,Ae 为磁芯的截面积(单位:mm2)，如图4所示。△B 为正常操作状态下的最大磁通量密度摆幅(单位：特斯拉)。对于大多数功率铁氧体磁芯来说,△B 通常为0.3～0.35T 。
确定磁芯之后，即可由下式得出变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：
N p  min =L m ×I lim
B sat ×A e ×106      (turns)              (14)
式中。Ilim 为FPS 限流电平，Bsat 为饱和磁通量密度(单位：特斯拉)。如果没有参考数据，则使用Bsat=0.35～0.4T 。
图4 窗口面积和截面积
(6)第六步：确定每个输出的匝数
首先，确定初级侧绕组与受反馈控制的次级侧绕组(主输出绕组)之间的匝数此作为一个参考值。四川风景名胜
n=N p
N s1=V RO
V O1+V F1
(15)
Np和Ns1分别为初级侧和次级侧基准输出的匝数。Vo1为输出电压,VF1为基准输出的二极管正向压降。
然后，定正确的Ns1整数值，使得最终的Np大于由(14)芯选式获得的N p min。有的时候最终Np可能会比N p min 大得多，这将迫使设计师换用一个尺寸更大的磁芯。如果因成本和外形尺寸方面的限制而无法更换磁芯，则返回(4)式，通过加纹波因数(KRF)的方法来减小Lm这样，最终的初最少匝数将减小。
其它输出(第n输出)的匝数由下式来确定
N s(n)=V O(n)+V F(n)
V O1+V F1
×N s1      (turns)(16)
Vcc绕线组的匝数由下式确定：
N a=V cc    ∗+V Fa
V O1+V F1
×N s1      (turns)(17)
式中,VCC为Vcc*的标称电压,VFa为二极管正向压降。由小Vcc随输出负载的增加而增加，因此，正确的做法是将Vcc*设定为Vcc起始电压，以避免在正常操作期间出现过压保护。
张国荣倩女幽魂在确定了初级侧的匝数之后，即可由下式得出磁芯的隙宽：
G =40πA e ×(N p  21000×L m −1
A L )        (mm)      (18) 式中，AL 为无间隙情况下AL 的值（单位：nH/匝2）。电感因子，一匝多少纳亨.因为电感量与匝数平方成正比（AL=L/（N*N ），L 为电感量，N 为匝数）。
yy怎么看直播(7)第七步：根据每个输出的rms 电流来确定每个绕组的导线直径
第n 个次级绕组的ms 电流由下式获得:
I sec (n)              rms =I ds    rms ×√1−D max
D max ×V RO ×K L(n)V o(n)+V F(n)        (19)
式中,KL(n)为(2)式所定义的第n 个输出的负载比重。
当导线很长时(超过1m)，电流密度通常为5A/mm 2。时当导线较短且匝数较少,6~10A/mm 2的流密度也是可以能接受的。应避免使用直径大于1mm 的导线，以防产生严重的涡电流损耗并使卷绕更加容易。对于大电流输出，最好采用由多股较细的导线组成的并联绕组，以便最大限度地减轻集肤效应。
检查一下磁芯的绕组窗口面积是否足以容纳导线。所需的窗口面积由下式给出:
A w =A
c K F            (20) 式中。Ac 为实际的导体面积，K F 为填充系数。填充系数通常为0.2～0.3。
(8)第八步：根据额定电压和额定电流来确定次级侧中的整流二极管
第n 个输出的整流二极管的最大电压和rms 电流由下面的公式获得：
V D(n)=V O(n)+V DC    max ×(V O(n)+V F(n))
V RO
(21) I D(n)        rms =I ds    rms ×√1−D max
D max ×V RO ×K L(n)
(V O(n)+V F(n))
(22)  (9)第九步：根据电压和电流纹波来确定输出电容器
第n 个输出电容器的纹波电流由下式得出:
I cap(n)            rms =√(I D(n)          rms )2−(I o(n))2        (23)
式中,I o(n)为第n 个输出的负载电流。该纹波电流值应等于或小于电容器的纹波电流规格值。第n 个输出上的电压纹波由下式给出:
∆V o(n)=I o(n)×D max
C o(n)×f s +I ds    peak ×V RO ×R C(n)×K L(n)V o(n)+V F(n)                    (24)
式中,Co(n)和Rc(n)分别为第n 个输出电容器的电容值和有效串联电阻(ESR)。

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