作為一個(gè)變壓器工程師，需要那些技能才能很好的駕馭這份工作，才能夠在這個(gè)工作鏈中扮演一個(gè)角色。首先，必須要了解變壓器在電路中起的作用，學(xué)習(xí)變壓器在電路工作時(shí)的電壓電流波形。只有了解這些知識(shí)才有可能創(chuàng)新出一些新穎的結(jié)構(gòu)。也只有了解這些原理，在變壓器使用出現(xiàn)故障的時(shí)候才能找到解決方法。

　　電源變壓器在近幾年的發(fā)展和應(yīng)用中，逐漸呈現(xiàn)出了性的特點(diǎn)，小功率的開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)和制作也更加符合民用要求。在今天的方案分享中，我們將會(huì)為大家分享一種小功率的電源變壓器設(shè)計(jì)和制作過程，方便工程師進(jìn)行參考借鑒。

　　詳解設(shè)計(jì)開關(guān)電源

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)的步就是看規(guī)格，具體的很多人都有接觸過；也可以提出來供大家參考，我?guī)兔Ψ治觥?/p>

　　我只帶大家設(shè)計(jì)一款寬范圍輸入的12V2A 的常規(guī)隔離開關(guān)電源

　　1. 首先確定功率。

　　根據(jù)具體要求來選擇相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；這樣的一個(gè)開關(guān)電源多選擇反激式（flyback） 基本上可以滿足要求。

　　注：在這里我會(huì)更多的選擇是經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，有需要分析的，可以拿出來再討論。

　　2.當(dāng)我們確定用 flyback 拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)以后，我們需要選擇相應(yīng)的PWM IC 和 MOS 來進(jìn)行初步的電路原理圖設(shè)計(jì)（sch）。

　　無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對(duì)里面的計(jì)算我還會(huì)進(jìn)行分解。

　　分立式：PWM IC 與 MOS 是分開的，這種優(yōu)點(diǎn)是功率可以自由搭配，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和調(diào)試的周期會(huì)變長（僅從設(shè)計(jì)角度來說）；

　　集成式：就是將 PWM IC 與 MOS 集成在一個(gè)封裝里，省去設(shè)計(jì)者很多的計(jì)算和調(diào)試分步，適合于剛?cè)腴T或快速開發(fā)的環(huán)境。

　　3. 確定所選擇的芯片以后，開始做原理圖（sch）。

　　在這里我選用 ST VIPer53DIP（集成了MOS） 進(jìn)行設(shè)計(jì)，原因?yàn)楹危ㄒ驗(yàn)槲覀兪卿N售這一顆芯片的）？

　　設(shè)計(jì)之前都先看一下相應(yīng)的 datasheet，自己確認(rèn)一下簡(jiǎn)單的參數(shù)：

　　無論是選用 PI 的集成，或384x 或 OB LD 等分立的都需要參考一下 datasheet，一般 datasheet 里都會(huì)附有簡(jiǎn)單的電路原理圖，這些原理圖是我們的設(shè)計(jì)依據(jù)。

　　4. 當(dāng)我們將原理圖完成以后，需要確定相應(yīng)的參數(shù)才能進(jìn)入下一步 PCB Layout。

　　當(dāng)然不同的公司不同的流程，我們需要遵守相應(yīng)的流程，養(yǎng)成一個(gè)良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，這一步可能會(huì)有初步評(píng)估，原理圖確認(rèn)，等等，簽核完畢后就可以進(jìn)行計(jì)算了。

　　先附上相應(yīng)的原理圖

　　不需要啟動(dòng)電阻的，因?yàn)檫@顆片子里已經(jīng)集成了一個(gè) 高壓?jiǎn)?dòng)電流源 如下圖：

　　當(dāng)然針對(duì) UC384X 等需要啟動(dòng)電阻的芯片來說，計(jì)算啟動(dòng)電阻阻值的話，可以這樣

　　Rstart = （Vin（min） - Vdd ） / Istart

　　Rstart： 啟動(dòng)電阻

　　Vin（min）： 輸入直流電壓

　　Vdd： 芯片的供電電壓

　　Istart： 芯片的啟動(dòng)電流

　　一個(gè)很有深度的問題，同時(shí)也是 VIPer53 異于其它 single chip power 的優(yōu)點(diǎn)

　　R205 斷開或相當(dāng)于光耦拆掉（相當(dāng)于副邊失反饋），電源依然會(huì)正常工作，此時(shí)進(jìn)入原邊反饋模式 PSR，參考框圖部分 Vdd 引腳的中間那個(gè)運(yùn)放，此時(shí)會(huì)與 COMP 腳上的 一階慣性環(huán)節(jié)形成穩(wěn)定的 PWM 控制系統(tǒng)

　　參考電路圖如下：

　　5. 確定開關(guān)頻率，選擇磁芯確定變壓器

　　這里確定芯片工作頻率為 70KHz，芯片的頻率可以通過外部的 RC 來設(shè)定，工作頻率就等于開關(guān)頻率，這個(gè)外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計(jì)開關(guān)電源，也可以采取外同步功能。與 UC384X 功能相近，變壓器磁芯為 EER28/28L，一般 AC2DC 的變換器，工作頻率不宜設(shè)超過 100kHz，主要是開關(guān)電源的頻率過高以后，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更不利于 EMC 的通過性，頻率太高，相應(yīng)的 di/dt dv/dt 都會(huì)增加，除 PI 132kHz 的工作頻率之外，大家可以多參考其它家的芯片，就會(huì)總結(jié)自己的經(jīng)驗(yàn)出來。

　　對(duì)于磁芯的選擇，是在開關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)，更多的是經(jīng)驗(yàn)選取。當(dāng)然計(jì)算的話，你需要得到更多的磁芯參數(shù)，包括磁材，居里溫度，頻率特性等等，這個(gè)是需要慢慢建立的。

　　20W ~ 40W 范圍內(nèi) EE25 EER25 EER28 EFD25 EFD30 等均都可以。

　　6. 設(shè)計(jì)變壓器進(jìn)行計(jì)算（續(xù)2）上面計(jì)算了變壓器的電感量，現(xiàn)在我們還需要得到相應(yīng)的匝數(shù)才可以完成整個(gè)變壓器的工作

　　1）計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間 Ton周期時(shí)間 T = Ton + Toff = 1/FswTon = T * DmaxFsw ， Dmax 都是已知量 70kHz ， 0.45 代入上式可得Ton = 6.43us

　　2）計(jì)算變壓器初級(jí)匝數(shù)Np = Vin（min）*Ton/（ΔB &TImes; Ae） = 120Vdc * 6.43us/（0.2 * 82mm2） = 47 T（這里的數(shù)是一定要取整的，而且是進(jìn)位取整，我們變壓器不可能只繞半圈或其它非整數(shù)圈）

　　3）計(jì)算變壓器 12V 主輸出的匝數(shù)輸出電壓（Vo）：

　　12 Vdc整流管壓降（Vd）： 0.7

　　Vdc繞組壓降（Vs）： 0.5

　　Vdc原邊匝伏比（K） = Vi_min / Np= 120 Vdc / 47 T = 2.55輸出匝數(shù)（Ns） = （輸出電壓（Vo） + 整流管壓降（Vd） + 繞組壓降（Vs）） / 原邊匝伏比（K）= （12 Vdc + 0.7Vdc + 0.5Vdc） / 2.55 = 6 T （已取整）

　　4）計(jì)算變壓器輔助繞組（aux turning）輸出的匝數(shù)計(jì)算方法與12V主繞組輸出一樣因?yàn)?ST VIPer53DIP 副邊反饋需低于 14.5 Vdc，故選取 12 Vdc 作為輔助電壓；Na = 6 T到這一步，我們基本上就得出了變壓器的主要參數(shù)原邊繞組：47T 原邊電感量：0.77mH 漏感《 5%* 0.77mH = 39uH12V輸出： 6T輔助繞組：6T下一步我們只要將繞組的線徑 股數(shù) 腳位 耐壓 等安規(guī)方面的要求提出，就可以發(fā)給變壓器廠去打樣了至于氣隙的計(jì)算，以及返回驗(yàn)證 Dmax 這些都是一些教科書上的，不建議大家死搬硬套，自己靈活一些

　　6. 設(shè)計(jì)變壓器進(jìn)行計(jì)算（續(xù)3）

　　上面計(jì)算出匝數(shù)以后，可以直接確定漆包線的粗細(xì)，不需要去進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算

　　線徑與常規(guī)電阻一樣，都是有定值的，記住幾種常用的定值線徑

　　這里，原邊電流比較小，可以直接選用 φ0.25 一股

　　輔助繞組 φ0.25 一股

　　主輸出繞組 φ0.4 或 0.5 三股，不用選擇更粗的，否則繞制起來，漆包線的硬度會(huì)使操作工人很難繞

　　很多這一步“計(jì)算”過了以后，還會(huì)返回計(jì)算以驗(yàn)證變壓器的窗口面積

　　個(gè)人認(rèn)為返回驗(yàn)證是多余的，因?yàn)槔@制不下的話，打樣的變壓器廠也會(huì)反饋給你，而你驗(yàn)證通過的，在實(shí)際中也不一定會(huì)通過；

　　畢竟與實(shí)際繞制過程中的熟練度，及稀疏還是有很大關(guān)系的

　　再下一步，需要確定輸入輸出的電容的大小，就可以進(jìn)行布局和布板了。

　　7. 輸入輸出電解電容計(jì)算

　　輸入濾波電解電容

　　Cin = （1.5~3）*Pin

　　輸出濾波電解電容

　　Cout = （200~300）* Io

　　上面我們計(jì)算出輸入功率 30W

　　所以 Cin = 45 ～ 90 uF

　　從理論上來說，這個(gè)值選的越大，對(duì)后級(jí)就越好；從成本上考慮，我們不會(huì)無限制的去選取大容量

　　此處選值 47uF/400Vdc 85℃ 或 105℃ 根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境來決定；電容不需要高頻，普通低阻抗的就可以了

　　輸出電流是 2A

　　Cout = 400～600uF

　　此處電容需要適應(yīng)高頻低阻的特性，這個(gè)值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內(nèi)

　　因?yàn)槭情]環(huán)控制，故取值 470uF/16Vdc

　　這里電源就可以選兩顆 470uF/16Vdc，加一個(gè) L，阻成 CLC 低通濾波器

　　基本上到這里，PCB 上需要外形確定的器件已經(jīng)完成，即PCB封裝完成；

　　下一步就可通過前面的原理圖（SCH） 定義好器件封裝。

　　8. PCB Layout

　　上面已經(jīng)確定變壓器，原理圖，以及電解電容，其它的基本上都是標(biāo)準(zhǔn)件了

　　由 sch 生成網(wǎng)絡(luò)表，在 PCB file 里定義好板邊然后加載相應(yīng)的封裝庫以后，可以直接導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，進(jìn)行布局；因?yàn)檫@個(gè)板相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也可以直接布板，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)習(xí)慣

　　PCB layout 重點(diǎn)不是怎么連線，重要的是如何布局；一般來說布局OK的話，畫板就輕松多了

　　在布局與布板方面，

　　1） RCD 吸收部分與變壓器形成的環(huán)面積盡量?。贿@樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導(dǎo)

　　2） 地線盡量的短和寬大，保證相應(yīng)的零電平有利于基準(zhǔn)的穩(wěn)定；同時(shí) VIPER53DIP 這顆 DIP-8 的芯片散熱的重要通道

　　3） 在 di/dt dv/dt 變化比較大的地方，盡量減小環(huán)路和加寬走線，降低不必要的電感特性

　　附上相應(yīng)的圖， N久之前的版本，可以改進(jìn)的地方很多，各位自行參考：目前這一塊板仍一直在生產(chǎn)

　　9. 確定部分參數(shù)

　　我們前幾步已經(jīng)計(jì)算了變壓器，PCB Layout 完成以后，此時(shí)就可以確定變壓器的同名端，完整的定義 變壓器，并發(fā)出去打樣或自己繞制

　　EER28/28L 骨架是 6 + 6

　　原邊： 1 -》 3 輔助： 6 -》 5 輸出：7，8，9 -》 10，11，12

　　對(duì)于輸出的腳位，我們可以用兩個(gè)，或者全用上，看各位自己的選擇

　　從原理圖及 PCB 圖上，1，6，7，8，9 為同名端，自己繞制時(shí)，起線需從這幾個(gè)腳位起，同方向繞制

　　變壓器正式定義：

　　1 -》 2 ： φ0.25 x 1 x 24T

　　7 -》 10 ： φ0.50 x 2 x 6T

　　8 -》 11 ： φ0.50 x 2 x 6T

　　9 -》 12 ： φ0.50 x 2 x 6T

　　2 -》 3 ： φ0.25 x 1 x 23T

　　6 -》 5 ： φ0.25 x 1 x 6T

　　2，4 并剪腳

　　L1-3 ： 0.77mH 0.25V@1kHz 漏感低于 5% 磁材：PC40 或等同材質(zhì)

　　高壓：

　　原邊vs副邊 ：3750Vac@1mA 1min 無擊穿無飛弧

　　副邊vs磁芯 ：1500Vac@1mA 1min 無擊穿無飛弧

　　阻抗：

　　原邊vs副邊/繞組vs磁芯 ：500Vdc 阻抗》100M

　　備注：這里采用三文治繞法，目的是為了降低漏感

　　輸出所有腳位全用上，目的是不浪費(fèi)，同時(shí)降低輸出繞組的內(nèi)部阻抗

　　可以將 PCB 和變壓器發(fā)出去打樣了， 剩下就是確定更多的參數(shù)并備料

　　9. 確定部分參數(shù)（續(xù)1）

　　D101～D104： Iav = 0.25A 選 1N4007 （1000V@1A） 當(dāng)然選 600V 的也沒有問題

　　snubber circuit （RCD 吸收） ： R101 - 100k 1W C101 - 103@1kV（高壓瓷片電容）

　　D105 - FR107（選 600V 的超快恢復(fù)也可以）

　　這部分可以計(jì)算，也可以直接選用經(jīng)典的參數(shù)，在調(diào)試時(shí)，再進(jìn)行繼續(xù)來檢驗(yàn)

　　D201： MBR10100

　　耐壓：》 Vo + Vin（max）* Ns/Np = 12V + 375Vdc * 6/47 = 60V

　　D106： FR107 （耐壓計(jì)算同上，選 FR101亦可，盡快將電源里器件整合，故選 FR107）

　　R102： 是一個(gè)分壓電阻，主要用來限制 Vdd 的電壓；0～100R 范圍內(nèi)選，調(diào)試時(shí)，根據(jù)具體情況調(diào)整

　　R103，C105： 這部分是 ST VIPER53DIP 設(shè)定開關(guān)頻率的，70kHz 可查datasheet 中的頻率設(shè)定表，可知 R103 - 10k C105 - 222

　　8腳 TOVL 是一個(gè)延時(shí)保護(hù)的，此處可以直接選 104 具體參數(shù)，根據(jù)應(yīng)用時(shí)，來調(diào)整這個(gè)值

　　1腳 comp 是一個(gè)補(bǔ)償反饋腳，給出一組驗(yàn)證過的參數(shù)：R104 - 1k

　　C104 - 47uF/50V（電解電容） C103 - 104 這是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為主，在失反饋此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才變?yōu)橹骶W(wǎng)絡(luò)

　　IC102 - 選用 PC817C 就OK了，不需要要求太高的 CTR 值

　　L201 - 10uH 3A 的工字電感，與 E201 E202 形成一個(gè)低通濾波器，能更好地抑制紋波，可計(jì)算，在這里我不提倡來計(jì)算，可以根據(jù)調(diào)試中所碰到的問題再來調(diào)整

　　IC201 - TL431 TO92 封裝，ref - 2.5V

　　R205 - 1k 這個(gè)值的計(jì)算》 Vo - Vopdiode（光耦內(nèi)發(fā)光二極管的壓降）/Imin（光耦發(fā)光二極管 擊穿電流）

　　保證 R205 的選擇能夠在正常狀態(tài)下，有效擊穿光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管

　　R204 R202 - 18k 4.7k 根據(jù)公式 2.5V/R202 = Vo/（R202+R204） 可計(jì)算

　　C202 - 104 這個(gè)也可以到時(shí)根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整，不需要去用公式進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算

　　CY103 - 這個(gè)是Y電容 可以選 222@400Vac，具體根據(jù)安規(guī)的耐壓來選取，都可以在后續(xù)的工作中進(jìn)行調(diào)整

　　10. 調(diào)試過程

　　到以上部分，基本上一個(gè)電源算是設(shè)計(jì)完成，后面的就是焊板調(diào)試過程

　　調(diào)試所需要的簡(jiǎn)單設(shè)備（必需的）：

　　調(diào)壓器，示波器，萬用表

　　輔助設(shè)備：功率計(jì)，LCR電橋，電子負(fù)載

　　焊完板以后，進(jìn)行靜態(tài)檢查，如果有 LCR 電橋的話，可以先測(cè)一下變壓器同名端，電感量等參數(shù)以后再焊接

　　靜態(tài)檢查，主要看有沒有虛焊，連錫等

　　10. 調(diào)試過程（續(xù)1）

　　靜態(tài)測(cè)試以后，可以用萬用表測(cè)一下輸入，輸出是否處于短路狀態(tài)

　　剩下就可以進(jìn)行加電測(cè)試了

　　開關(guān)電源的AC輸入 接入調(diào)壓器，或者 AC輸入 接入功率計(jì)再接至調(diào)壓器

　　調(diào)壓器處于 0Vac

　　示波器 接在 ST VIPER53DIP 的 D S 兩端 或 初級(jí)繞組兩端亦可，交流耦合

　　萬用表電壓檔測(cè)輸出，并空載

　　接通調(diào)壓器電源，開始升壓，不需要快速，同時(shí)觀看示波器

　　從 0Vac 開始升，會(huì)看到示波器上波形會(huì)有浮動(dòng)（改成直流耦合會(huì)很清楚看到電壓在上升）

　　當(dāng)調(diào)壓器的電壓 至 40～60Vac 區(qū)間時(shí)，如果示波器波形還沒有變化的話，退回 0Vac，重新檢查電源板

　　一般空載狀態(tài)，在 40～60Vac 區(qū)間時(shí)，開關(guān)電源會(huì)開始工作，ST VIPER53DIP 也會(huì)進(jìn)入工作模式，示波器上 Vds 波形會(huì)開始正常

　　看輸出電壓是否達(dá)到預(yù)設(shè)值？ 未達(dá)到，退回 0Vac 檢查采樣，反饋及輸出回路

　　如果都 OK 的狀態(tài)下，再考慮將輸入電壓升至 220Vac

　　遵循以上步驟調(diào)試的話，不會(huì)出現(xiàn)爆片或炸機(jī)現(xiàn)象

　　備注：示波器需要隔離，或只允許 L N 輸入，未隔離條件下 PE 的線不能接入，否則極易造成短路

　　開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)方法

　　由于側(cè)和二次側(cè)繞組間寄生電容的存在，變壓器“開關(guān)”時(shí)，在分界處存在dV/dt，將“靜默層”布置在絕緣膠帶的兩側(cè)，即側(cè)和Vin相連的一端，二次側(cè)和地相連的一端，分別布置在絕緣膠帶兩側(cè)，可以減小分界處寄生電容的dV/dt。由于場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電壓是波動(dòng)的，將其繞為骨架的層，這樣外層可屏蔽內(nèi)層發(fā)射的電磁場(chǎng)。圖1和圖2給出了兩種低噪聲的繞線技術(shù)，可應(yīng)用在典型的反激變換器變壓器中。

　　方法一：如圖1所示，二次側(cè)繞組與二極管連接的末端必須緊鄰絕緣膠帶，因此絕緣膠帶的兩端將有一定大小的dV/dt，但該dV/dt比側(cè)繞組的漏極相連端與絕緣膠帶相鄰時(shí)小得多。此變壓器的優(yōu)點(diǎn)是二次側(cè)繞組的“靜默端”位于外層，它本身就能很好的屏蔽變壓器的輻射。

　　方法二：如圖2所示，使兩個(gè)靜默端與絕緣膠帶相鄰，此變壓器的優(yōu)點(diǎn)是穿越邊界的共模噪聲減小，但變壓器的外部噪聲比較大，需要在外部繞上銅皮屏蔽（即法拉第屏蔽）。

　　在變壓器骨架窗口裕量充足的情況下，通常還需要在變壓器內(nèi)部側(cè)和二次側(cè)之間使用銅皮“隔離”，從而屏蔽繞組產(chǎn)生的噪聲。如果窗口裕量不是很充分，可以考慮將側(cè)的IC供電繞組作為法拉第屏蔽。如圖3所示，繞組的兩端均交流耦合至側(cè)地，使側(cè)主繞組發(fā)射的容性噪聲減小，因此傳導(dǎo)至二次側(cè)的共模噪聲大大減小。使用法拉第屏蔽的缺點(diǎn)是漏感大大增加，從而降低了效率。所以我們?cè)诜醇ぷ儞Q器變壓器內(nèi)部一般不使用任何常規(guī)的屏蔽，但經(jīng)常使用法拉第屏蔽。

　　在為客戶設(shè)計(jì)定制產(chǎn)品時(shí)，客戶要求在不加外圍輔助電路的情況下，要求傳導(dǎo)過CLASS B，根據(jù)方法一，在結(jié)合使用傳統(tǒng)的“三明治繞法”不僅解決了傳導(dǎo)的問題，還解決了只用方法一帶來的變壓器漏感大的問題，從而提高了電源的穩(wěn)定性，也達(dá)到了客戶的要求。該定制產(chǎn)品繞線順序如表1所示，傳導(dǎo)結(jié)果如圖4所示，峰值少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

　　對(duì)于帶變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源來說，變壓器的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)開關(guān)電源的EMC水平影響較大。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑制傳導(dǎo)EMI的必要措施。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑制干擾往往會(huì)導(dǎo)致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加、電容量的增大受到漏電流安全標(biāo)準(zhǔn)的限制。本文提出了新的變壓器設(shè)計(jì)方法。不僅能減少電源線濾波器的體積，對(duì)傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）的抑制能力更強(qiáng)，且能降低變壓器的制作成本和工藝復(fù)雜程度。