【快速入门必备】开关电源设计教程

数学家

作者：shanying0000回想自己刚开始做电源学习阶段，Buck、Boost、Flyback、半桥、移相全桥、LLC一大堆。从迷茫，艰难中，一步步走出来。现在都从一线研发退出了，回想自己起步阶段的艰难：各种资料，各种教程，铺天盖地，看不完，似懂非懂。现在都老油条了，自己也算是一个比较勤奋的人，做了五年了，各种拓扑，各种功率，基本上玩过一遍了。
技术放下太久，就会生疏，为了不要浪费掉自己辛勤学习积累的东西，更为了新手能够快速找到学习的路子，快速入门，真的迈进开关电源这个世界，我准备开帖写教程，现在常用的拓扑一个一个写，用最简单，通俗的语言，用工程实践检验过的最可靠的理论。科学都是可以理解的，一点不玄幻的，咱不是中医，不搞博大精深。
希望大家多多支持，同时欢迎各位前辈高手来拍砖。 由于毕竟是技术贴，难免会有疏漏或者瑕疵，希望大家不吝指正。 疯狂的驴子 。谢谢！ 第一章：理论基础先说说做开关电源需要具备的理论基础：我们做电源的工程师，分两类，一类是搞研究的，一类是搞工程的。所谓搞研究的，就是研究各种新的技术、新材料、新工艺、新的拓扑结构等等。这些人需要很高的理论底子，当然必须是高学历，数学、电磁学、电子学、自动控制等等，各种专业，各种牛逼。还有一种就是我们最常见的电源工程师，就是在公司开发部做项目的电子工程师。
本文面对的是第二类的，也就是面对应用阶层的电源设计工程师。必须加一句，像陶显芳老师、 赵修科老师 ，这一类的妖怪级别的大师写的书，新手完全没必要使劲啃的，很费时费力。大可囫囵吞枣看一下，能懂多少是多少。然后在慢慢成长的过程中，回头再看，就会有很大的收获。我们是做工程的，他们搞理论基础的。大师写的书，一下子完全看懂，不大可能。那些书很多方面写得很详细，有完整的理论推导，包括的也非常全面。但是我还是奉劝新手不要在数学公式里面纠结。那些书完全可以作为技术手册来使用。做技术都有一个成长的过程，到了一定的程度，那些书就很有用处了。
我们应用类的工程师需要必须具备的理论基础有：模拟电子技术基础。先说模拟电子技术的学习深度问题。刚毕业，一般都不可能把模电学好，谁要是真的觉得自己刚毕业就很牛逼，那就有两种可能，要么自己自高自大，不知天高地厚；要么就是跟导师真正实际做过项目，并且勤奋学习理论的人。对于我们做电源的工程师来说，模电必须懂的东西我列举一下：

1.电阻。电阻是各种电子电路里面最基础的原件，电阻在开关电源里面的应用主要有各种控制返回电路的分压网络，然后就是吸收回路里面的功率耗散。我们设计中必须关注的有电阻的封装，功耗，耐压，精度。

2.三极管。三极管在开关电源中有两类用途：第一，做开关管。开关电源的开关管现在主要有Mos管，三极管，IGBT。第二：做信号处理。三极管在开关电源的控制电路里面，用的最多的也就是做个保护电路里面简单的小信号开关，然后就是做线性稳压电源（主电路里面的辅助电源）。需要懂什么呢，刚开始，知道三极管怎么打开，怎么关闭就OK了。然后知道什么是线性工作状态，什么是开关状态。书上那些乱七八糟的计算，先放下来，平时基本用不上，用到了，再去查，很快就看懂了。千万不要一头钻进理论里面去，浪费时间，浪费精力，用到的时候，第一参考元器件规格书，第二请教别人，然后再回头看书。
3.二极管。正向导通，反向截止。知道什么是二极管结电容，二极管的关断时间，反向耐压，正向导通电压，正向持续电流，脉冲电流这些概念就OK了，基本够用了。工作中遇到问题，然后再回头看书。

4.运算放大器。 这个东西在电源设计里面，真的很重要。学校里面老师讲的虚短虚断，必须懂，这个不能打折扣，反馈放大器，电流放大器，各种放大器的设计计算，它都是基础。至于频率特性，相位特性，有能力的当然也要学习，也是很有用处的，别的暂且放下不管，不要死扣理论。
5.比较器。在开关电源里面主要用来做快速保护电路，当然运算放大器也可以用来做保护，但是，特别是过流保护，运算放大器就不行，反映时间太长了；然后就是频率发生器，PWM比较器，滞回比较器等。比较器和运放相比，还是简单一些的。然后电工电子技术必须掌握的东西：

单相交流电。单相交流电整流。三相交流电。三相交流电整流。

6.电容。电容的分类：电解电容，最常用的整流滤波电容。电解电容分极性，极性接反了，电容发生化学反应，就短路炸掉了。电解电容的主要参数：耐压，容值，等效电阻（esr），工作温度，使用寿命，外观尺寸。瓷片电容，金属膜电容，这些电容不分极性，ESR小，一般做高频旁路用的，因为电解电容ESR比较大，通常在电解电容旁边并联ESR小的高频电容。Y电容，各种标准需要的。（自己百度）。关于电容，在分析电路时候，有一条最重要的我必须强调：电容充电，电流必须由电源正极，通过外部电路（以前笔误笔误啊 Sorry），流向电源负极；电容放电：电流必须由电容正端，通过外部回路，回到电容负端。
7.电感。开关电源里面电杆就分两大类，一类是储能用的，一类是做滤波器用的，就这两类。
8.变压器。开关电源里面的变压器指的就是变压器，跟工频变压器的工作原理一样。（Flyback，LLC变压器，这个严格意义上，不是变压器，这俩是耦合电感）。
9.磁芯。必须知道的由：什么是磁芯截面积Ae,什么是窗口面积Aw，什么是B-H曲线，这个必须懂的。
10.铜线。必须知道什么是穿透深度，什么是电流密度。为什么要用三层绝缘线，为什么要打挡墙。

上面的基本应该差不多了，有遗漏的请各位大神拍砖，欢迎补上，不要误人子弟。假如一个刚入行的电源工程师，可以完全搞明白上面列举的一些基本概念，那你完全就可以做一个合格的助工了，欢迎加入电源行业。我想强调的是，我们是搞工程的，不是搞理论的，最有效的学习就是在工作中发现问题，在学习和实验中解决问题。纯粹的死扣理论和纯粹的试来试去都是不可取的。
第二章 开关电源的分类现在市面上的开关电源，总体来讲，其实就两类，一类是PWM类型的（也许有人会说还有PFM，RCC等等但是归根结底这还是一类的），包括Flyback，Buck，Boost，Buck-Boost,Flyback，正激，硬半桥，硬全桥，移相全桥，推挽等等。 这一类开关电源的工作核心就是电感伏秒平衡原理。
下面就说说伏秒平衡，这个绝对是核心中的核心，容不得半点折扣。先做一下基本的公式推倒：



好吧 ，那我就证明一下 。
问答A：E.T的单位是V.S，而能量的单位是 J ，貌似这两者之间还差一个电流 I 吧，怎么可能是一码事呢？

楼主：楼上大师所言极是 谢谢您提醒 其实上面各位大师都有了质疑 但是由于自己没有认真去思考 。。 Sorry 比较草率武断 请见谅 。楼上大师提到了单位 太好了 其实我觉得 伏秒积和磁场能量之间的关系 和物理运动学里面的 动量和动能之间的关系很类似，伏秒积 E*T 单位 V*S 磁场能量 1/2*（L*I^2） 单位 J ，动量 M*V 单位 Kg*m/S 动能 1/2*（m*V^2）单位 J 。动量代表的是一个物体保持运动的势头。动能表示的是一个物体所蕴含的动能。伏秒积真不知道怎么描述 磁场能量代表的也是磁场所蕴含的能量 。请大师能不能更详细的解释一下伏秒积的物理意义 。 叫做 磁惯性量咋样啊。
A：V.S积，用于表示电感的一种稳定状态叫做伏秒平衡，是表示电感出于稳定状态下的一个量，可以由V=L*dI/dT推导出，一个确定的电感在稳定状态下L一定，dI一定，那么V*S=L*I；伏秒积表示的就是电感处在稳态下的一个量。建议看看SWITCH A-Z，P27。有详细解释。

上面讲了PWM类型开关电源输入输出关系推导的最关键的一个公式。接下来就开始进入正题，讲一下反激式开关电源的设计。反激式开关电源呢 结构简单 成本低廉 适应的功率范围比较广 几瓦到200瓦，市电输入，输出电压不超过63V 输出电流不超过15A，在这个范围内，反激式到目前为止还是很有优势的。我见过有些产品，为了节省成本，他们把反激都做到了500W。接下来我们就来讲一下反激式开关电源的设计。 上面说了伏秒平衡，那个事推导所有的PWN类型的开关电源的基础。 接下来就来讲反激式。这一接主要讲反激式的主拓扑工作原理以及变压器的计算，关于控制，EMI整改等等，后续再说。反激式开关电源，其实是属于Buck-Boost的变种。维基百科上有很详细的资料 大家可以回头看一下，我只用最简单的语言解释一下。我们先从Buck-Boost开始来分析。


Mos关开通
电源电压加到电感两端，电感有电流流过，感应电压上正下负。 二极管反偏，次级电解电容没有有效回路对电感励磁，所以，电感储存能量全部来自初级。 电感两端伏秒积为 Vin*Ton 。



开关管关断，电感感应电压反转，变为下正上负，电感对输出释放能量，电感磁芯复位。次级电解电容对电感励磁。伏秒积为 Vout*Toff，由同一个磁芯上伏秒平衡原理 ，Vin*Ton+Vout*Toff=0
得到：Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin*(D/(1-D)) （只对连续模式成立），断续模模式Toff还要减去死区。这样子去推导 应该比较容易理解吧。 今天写反激式设计。反激式开关电源是现在市面上电子消费品中应用最广泛的拓扑。反激式开关电源最适合的功率范围在3-150W之间，可以做成CC模式或者CV模式。代表有适配器，辅助电源，LED驱动等等。接下来就说一下反激式主拓扑的工作原理以及设计中需要注意的要点。


主回路关键元器件就那几个：输入主电解电容，变压器，开关管，整流二极管，输出电解电容。 先分析一下反激式的基本工作原理。

请参照上图 开关管导通： 变压器初级电流上升，磁心储存能量，次级线圈与初级同名端相反，二极管截至。初级线圈上面的伏秒积：Vin*Ton。


开关管关，初级线圈没有放电回路，因为电感电流不能突变，线圈感应电动势反转，次级二极管导通，磁芯通过次级二极管放电，输出点解电容对磁芯励磁，磁芯复位。开关管关断，次级线圈上的伏秒积：n*Vout*Toff。同一个磁芯上 由伏秒积平衡原理：Vin*Ton=n*Vout*Toff。化简 得到反激式输入输出的关系式：Vout=(1/n)*((Vin*Ton)/Toff)，Ton=T*D，Voff=T*(1-D)，代入上式得，Vout=(1/n)(Vin*(D/(1-D)))。
上面式子只是对连续模式反激成立，临界或者断续模式需要减去四区，四区时间，次级二极管截止，次级不对磁芯励磁。观察上面的输入输出关系，我们会发现，决定反式变压器输入输出关系的参数：占空比。其实占空比是反激式决定输入输出增益的核心。我们暂且把变比n假设为1，则可以得到：Vout=Vin*(D/1-D)，D<0.5的时候，Vout。 问答A：觉得这样讲太没重点了，所谓公式推导和原理性的东西都是抄书的，基本无意义。我认为楼主应该结合实际有所侧重的分析一些碰到的问题和解决问题的方法，比如，你的电源如何过EMC的、比如你如何选择保险丝的、比如你用的二极管是快恢复的还是超快恢复的等等，并说明选用的依据，原理性的东西须结合实际电路验证之，否则很空洞，不知楼主意下如何？
楼主：我先回答你的问题 。首先你问的问题太大了，你让人家怎么张嘴回答，你太懒了。选择保险丝 第一 电流 第二 熔断时间 第三 I^2*T 第四 材质 （防暴什么什么的） 还有耐压，自己去看规格书 就那几个参数，选择的依据呢，看自己自己的产品规格书、 输入电压 、电流 、防雷等级 、半短路测试要求 ，应该就这几个吧 。关于二极管，所谓的快速超快速肖特基对应的同一个参数就是，反向恢复时间 ，反向恢复时间越短， 二极管就可以跑更高的频率 ，自己找一个快速 、超快速、 肖特基的规格书看一下 ，你注意一下 ，反向恢复时间， 还有寄生电容参数。啥都自己不看 ，张嘴就问， 怎么过EMC。。。。
A：楼主说的很好，但没办法，初学者总要问些基本问题，包括9楼楼主提及的问题都不太懂，还请楼主一一解答：

问题1：保险丝的选择，除了你提及的，主要想问电流容量是怎么选的？比如楼主你，假如一个50W的电源，反激，如何选定保险丝的电流容量。
楼主：I really 服了U 九楼的要是不懂的话 那就对着一条一条百度 那些东西都是基础的，选元器件。保险丝。自起去看安规测试文件。看保险丝规格书。 耐着性子。有些事。非得自己亲自做不可。 人家别人也有事情要忙。人家的时间也是有限的 ，人呐。要是生出来连吃奶都不会的话。 那你说。谁教他。怎么教。都已经告诉你需要看哪些参数了。你还是自己懒得不去看。让别人帮你做事 那你怎么成长。
A：既然什么都要百度那你发此贴还有什么意义？9楼的问题慢慢再聊。诚心向你请教，你不回复问题说却说了一大堆不相关的话，安规测试文件有规定什么功率的电源用什么规格保险丝吗？保险丝规格书有规定什么功率的电源用什么保险丝吗？你既来解惑却为何又避而不答？另外提醒一下，每段后面不要留太多的空行。
楼主：对于100-120 VAC系统使用125 Vac保险丝。对于100-240Vac系统或200-240Vac系统，使用250 VAC保险丝。额定电流应尽可能低，以减少有内部组件故障时发生火灾的危险。最低的额定电流是由3个因素决定的。另一方法是，估计一下。有效值电流 = 输出功率 /（最小交流输入电压 * 功率因数 * 效率）。对于有PFC（功率因数控制）的转换器，这对于输入功率>75W的开关电源供应器是必须的，功率因数为0.9或以上。对于没有PFC转换器，功率因数为0.45或以下。保险丝额定值必须高于通过保险丝的有效值电流。热启动浪涌电流波形应通过浪涌电流测试仪经试验找出。然后把这跟保险丝的I^2T值比较，测量值必须较小。根据电源将被在的地方。保险丝应由一个或多个下列安全代理认证：UL，CSA，TUV，Dentori。 更多的精彩讨论大家可以看原文来学习讨论，希望可以帮到你！




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