作為一個變壓器工程師，需要那些技能才能很好的駕馭這份工作，才能夠在這個工作鏈中扮演一個角色。首先，必須要了解變壓器在電路中起的作用，學習變壓器在電路工作時的電壓電流波形。只有了解這些知識才有可能創(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)故障的時候才能找到解決方法。

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

　　詳解設(shè)計開關(guān)電源

　　開關(guān)電源設(shè)計的第一步就是看規(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)的拓撲結(jié)構(gòu)；這樣的一個開關(guān)電源多選擇反激式（flyback） 基本上可以滿足要求。

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

　　2.當我們確定用 flyback 拓撲進行設(shè)計以后，我們需要選擇相應(yīng)的PWM IC 和 MOS 來進行初步的電路原理圖設(shè)計（sch）。

　　無論是選擇采用分立式的還是集成的都可以自己考慮。對里面的計算我還會進行分解。

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

　　集成式：就是將 PWM IC 與 MOS 集成在一個封裝里，省去設(shè)計者很多的計算和調(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） 進行設(shè)計，原因為何（因為我們是銷售這一顆芯片的）？

　　設(shè)計之前最好都先看一下相應(yīng)的 datasheet，自己確認一下簡單的參數(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 里都會附有簡單的電路原理圖，這些原理圖是我們的設(shè)計依據(jù)。

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

　　當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)成一個良好的設(shè)計習慣，這一步可能會有初步評估，原理圖確認，等等，簽核完畢后就可以進行計算了。

　　先附上相應(yīng)的原理圖

　　不需要啟動電阻的，因為這顆片子里已經(jīng)集成了一個 高壓啟動電流源 如下圖：

　　當然針對 UC384X 等需要啟動電阻的芯片來說，計算啟動電阻阻值的話，可以這樣

　　Rstart = （Vin（min） - Vdd ） / Istart

　　Rstart： 啟動電阻

　　Vin（min）： 輸入最低直流電壓

　　Vdd： 芯片的供電電壓

　　Istart： 芯片的啟動電流

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

　　R205 斷開或相當于光耦拆掉（相當于副邊失反饋），電源依然會正常工作，此時進入原邊反饋模式 PSR，參考框圖部分 Vdd 引腳的中間那個運放，此時會與 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，這個外設(shè)的功能有利于我們更好的設(shè)計開關(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，就會總結(jié)自己的經(jīng)驗出來。

　　對于磁芯的選擇，是在開關(guān)頻率和功率的基礎(chǔ)，更多的是經(jīng)驗選取。當然計算的話，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)計變壓器進行計算（續(xù)2）上面計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)才可以完成整個變壓器的工作

　　1）計算導通時間 Ton周期時間 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）計算變壓器初級匝數(shù)Np = Vin（min）*Ton/（ΔB × 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）計算變壓器輔助繞組（aux turning）輸出的匝數(shù)計算方法與12V主繞組輸出一樣因為 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算，以及返回驗證 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)計變壓器進行計算（續(xù)3）

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

　　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，漆包線的硬度會使操作工人很難繞

　　很多這一步“計算”過了以后，還會返回計算以驗證變壓器的窗口面積

　　個人認為返回驗證是多余的，因為繞制不下的話，打樣的變壓器廠也會反饋給你，而你驗證通過的，在實際中也不一定會通過；

　　畢竟與實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，就可以進行布局和布板了。

　　7. 輸入輸出電解電容計算

　　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

　　上面我們計算出輸入功率 30W

　　所以 Cin = 45 ～ 90 uF

　　從理論上來說，這個值選的越大，對后級就越好；從成本上考慮，我們不會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，這個值也可以選值變大，但前提必須是在反饋環(huán)內(nèi)

　　因為是閉環(huán)精度控制，故取值 470uF/16Vdc

　　這里電源就可以選兩顆 470uF/16Vdc，加一個 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準件了

　　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，可以直接導入網(wǎng)絡(luò)表，進行布局；因為這個板相對比較簡單，也可以直接布板，導入網(wǎng)絡(luò)表是一個非常好的設(shè)計習慣

　　PCB layout 重點不是怎么連線，最重要的是如何布局；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)面積盡量小；這樣可以減小相應(yīng)的輻射和傳導

　　2） 地線盡量的短和寬大，保證相應(yīng)的零電平有利于基準的穩(wěn)定；同時 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)計算了變壓器，PCB Layout 完成以后，此時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

　　對于輸出的腳位，我們可以用兩個，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，起線需從這幾個腳位起，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，同時降低輸出繞組的內(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）

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

　　D201： MBR10100

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

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

　　R102： 是一個分壓電阻，主要用來限制 Vdd 的電壓；0～100R 范圍內(nèi)選，調(diào)試時，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 是一個延時保護的，此處可以直接選 104 具體參數(shù)，根據(jù)應(yīng)用時，來調(diào)整這個值

　　1腳 comp 是一個補償反饋腳，給出一組驗證過的參數(shù)：R104 - 1k

　　C104 - 47uF/50V（電解電容） C103 - 104 這是一個一階慣性環(huán)節(jié)，在副邊反饋狀態(tài)下，以副邊反饋的補償網(wǎng)絡(luò)為主，在失反饋此補償網(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 形成一個低通濾波器，能更好地抑制紋波，可計算，在這里我不提倡來計算，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 這個值的計算》 Vo - Vopdiode（光耦內(nèi)發(fā)光二極管的壓降）/Imin（光耦發(fā)光二極管 最小擊穿電流）

　　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） 可計算

　　C202 - 104 這個也可以到時根據(jù)實際情況來調(diào)整，不需要去用公式進行復(fù)雜的計算

　　CY103 - 這個是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)的工作中進行調(diào)整

　　10. 調(diào)試過程

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

　　調(diào)試所需要的簡單設(shè)備（必需的）：

　　調(diào)壓器，示波器，萬用表

　　輔助設(shè)備：功率計，LCR電橋，電子負載

　　焊完板以后，進行靜態(tài)檢查，如果有 LCR 電橋的話，可以先測一下變壓器同名端，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)測試以后，可以用萬用表測一下輸入，輸出是否處于短路狀態(tài)

　　剩下就可以進行加電測試了

　　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 初級繞組兩端亦可，交流耦合

　　萬用表電壓檔測輸出，并空載

　　接通調(diào)壓器電源，開始升壓，不需要快速，同時觀看示波器

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

　　當調(diào)壓器的電壓 至 40～60Vac 區(qū)間時，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，開關(guān)電源會開始工作，ST VIPER53DIP 也會進入工作模式，示波器上 Vds 波形會開始正常

　　看輸出電壓是否達到預(yù)設(shè)值？ 未達到，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，不會出現(xiàn)爆片或炸機現(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)計方法

　　由于一次側(cè)和二次側(cè)繞組間寄生電容的存在，變壓器“開關(guān)”時，在分界處存在dV/dt，將“靜默層”布置在絕緣膠帶的兩側(cè)，即一次側(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。由于場效應(yīng)管的漏極電壓是波動的，將其繞為骨架的第一層，這樣外層可屏蔽內(nèi)層發(fā)射的電磁場。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比一次側(cè)繞組的漏極相連端與絕緣膠帶相鄰時小得多。此變壓器的優(yōu)點是二次側(cè)繞組的“靜默端”位于最外層，它本身就能很好的屏蔽變壓器的輻射。

　　方法二：如圖2所示，使兩個靜默端與絕緣膠帶相鄰，此變壓器的優(yōu)點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)部一次側(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，可以考慮將一次側(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一次側(cè)地，使一次側(cè)主繞組發(fā)射的容性噪聲減小，因此傳導至二次側(cè)的共模噪聲大大減小。使用法拉第屏蔽的缺點是漏感大大增加，從而降低了效率。所以我們在反激變換器變壓器內(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)計定制產(chǎn)品時，客戶要求在不加外圍輔助電路的情況下，要求傳導過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，也達到了客戶的要求。該定制產(chǎn)品繞線順序如表1所示，傳導結(jié)果如圖4所示，峰值最少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

　　對于帶變壓器拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源來說，變壓器的電磁兼容性（EMC）設(shè)計對整個開關(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導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準的限制。本文提出了新的變壓器設(shè)計方法。不僅能減少電源線濾波器的體積，對傳導電磁干擾（EMI）的抑制能力更強，且能降低變壓器的制作成本和工藝復(fù)雜程度。