利用计算机设计单片开关电源的方法

下面对35个设计步骤作详细的阐述。

[步骤1]确定开关电源的基本参数

（1）交流输入电压最小值：Umin，见表1。

（2）交流输入电压最大值：Umax，见表1。

表1根据交流输入电压范围确定Umin、Umax值

交流输入电压U（V）Umin(V)Umax(V) 固定输入：100/11585132 通用输入：85～26585265 固定输入：230±15％195265

（3）电网频率fL：50Hz或60Hz。

表2反馈电路的类型及UFB参数值

反馈电路类型UFB（V）UO的准确度（％）SV（％）SI（％） 基本反馈电路5.7±10±1.5±5 改进型基本反馈电路27.7±5±1.5±2.5 配稳压管的光耦反馈电路12±5±0.5±1 配TL431的光耦反馈电路12±1±0.2±0.2

（4）开关频率f：100kHz。

（5）输出电压UO（V）：已知。

（6）输出功率PO（W）：已知。

（7）电源效率η：一般取80％，除非有更好的数

据可用。

（8）损耗因数Z：Z代表次级损耗与总功耗的比

值。典型值为0.5。

[步骤2]根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压UFB

详见表2。可从4种反馈电路中选择一种合适的电路，并确定反馈电压UFB的值。

[步骤3]根据U、PO值来确定输入滤波电容CIN、

直流输入电压最小值UImin

（1）令整流桥的响应时间tc=3ms。

（2）根据输入电压，从表3中查出CIN值。

（3）得到UImin的值。

表3确定CIN、UImin的值

交流输入电压U（V）PO（W）比例系数（μF/W）CIN(μF)UImin(V) 固定输入：100/115已知2～3(2～3）×PO≥90 通用输入：85～265已知2～3(2～3）×PO≥90 固定输入：230±15％已知11×PO≥240

[步骤4]根据交流输入电压U确定初级感应电压UOR、钳位二极管反向击穿电压UB值

（1）根据输入电压，从表4中查出UOR、UB值。

（2）步骤25将用到UB值来选择瞬变电压抑制器（TVS）的型号。

（3）TOPSwitch关断且次级电路处于导通状态时，

次级电压会感应到初级。感应电压UOR与UI相叠加后，加至内部功率开关管（MOSFET）的漏极上。此时初级漏感释放能量，并在漏极上产生尖峰电压UL。由于上述不利情况同时出现，极易损坏芯片，因此需给初级增加钳位保护电路。利用TVS器件来吸收尖峰电压的瞬间能量，使上述三种电压之和不超过漏－源击穿电压U（BR）DS值。

表4确定UOR、UB值

U（V）UOR(V)UB(V) 固定输入：100/1156090 通用输入：85～265135200 固定输入：230±15％135200

[步骤5]根据UImin和UOR来确定最大占空比DMAx

Dmax的计算公式为：Dmax=×100％（1）

（1）MOSFET的通态漏－源电压UDS（ON）=10V。

（2）应在U=Umin时确定Dmax。

若将UOR=135V、UImin=90V、UDS(ON)=10V一并代入式（1），可计算出Dmax=64.3％，这与典型值67％非常接近。Dmax随着U的升高而减小，例如当U=Umax=265V时，Dmax=34.6％。

[步骤6]确定初级脉动电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP

定义比例系数

KRP=IR/IP(2)

（1）当U确定之后，KRP有一定的取值范围。在110V／

115V或宽范围电压输入时，可选KRP=0.4，当230V输入时，取KRP=0.6。

（2）在整个迭代过程中，可适当增大KRP的值，但不得超过表5中规定的最大值。

表5确定KRP

U（V）KRP 最小值（连续模式）最大值（不连续模式） 固定输入：100/1150.41.0 通用输入：85～2650.41.0 固定输入：230±15％0.61.0

[步骤7]确定初级波形参数

计算下列参数（电流单位均取A）：

（1）输入电流的平均值IAVGIAVG=（3）

（2）初级峰值电流IPIP=（4）

（3）初级脉动电流IR〔可由式（2）求得〕

（4）初级有效值电流IRMSIRMS=IP（5）

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[步骤8]根据电子数据表格和所需IP值，选择TOPSwitch芯片

（1）所选极限电流最小值ILIMIT(min)应满足

0.9ILIMIT(min)≥IP（6）

（2）若芯片散热不良，则选功率稍大些的芯片。

[步骤9和步骤10]计算芯片的结温Tj

（1）计算结温TjTj=〔IRMS2×RDS(ON)＋CXT(UImax＋UOR)2f〕·

RθA＋25℃（7）

式中：CXT是漏极结点的等效电容。括号内第二项代表当交流输入电压较高时，由于CXT不断被充放电而引起的开关损耗，可用PCXT表示。

（2）计算过程中若发现Tj>100℃，应选功率较大的TOPSwitch芯片。

[步骤11]验算IP

IP=0.9ILIMIT(min)（8）

（1）输入新的KRP值且从最小值开始迭代，直到

KRP=1.0。

（2）检查IP值是否符合要求。

（3）迭代KRP=1.0或IP=0.9ILIMIT（min)。

[步骤12]计算初级电感量LPLP=·（9）

式中：LP的单位取μH。

[步骤13]选择磁芯与骨架并确定相关参数

从厂家提供的磁芯数据表中查出适合该输出功率的磁芯型号，以及有效截面积（SJ）、有效磁路长度（l）、等效电感（AL）、骨架宽度（b）等参数值。

[步骤14]设定初级层数d和次级匝数NS的初始值

设定d=2层。当U=85V～265V时取NS=0.6匝；再用迭代法计算NS；亦可根据次级每伏匝数和UF1值，直接计算NS值（参见步骤15）。

在步骤15至步骤22中必须确定高频变压器的9个主要参数：初级电感量LP，磁芯气隙宽度δ，初级匝数NP，次级匝数NS，反馈绕组匝数NF，初级裸导线直径DPm，初级导线外径DPM，次级裸导线直径DSm和次级导线外径DSM。上述参数中，除LP可直接用公式单独计算外，其余参数都是互相关联的，因此通常从次级匝数开始计算。另外鉴于反馈绕组上的电流很小（一般小于10mA），对其线径要求不严，因此不需计算导线的内、外直径。

[步骤15]计算次级匝数NS

对于230V或宽范围输入应取0.6匝/V，现已知UO=7.5V，考虑到在次级肖特基整流管上还有0.4V的正向压降UF1，因此次级匝数为(UO＋UF1)×0.6=4.74匝。由于次级绕组上还存在导线电阻，也会形成压降，实取NS=5匝。下面就以该数据作为初始值分别计算其余7个参数。

[步骤16]计算初级匝数NPNP=NS×（10）

将UOR=85V，UO=7.5V，UF1=0.4V，NS=5匝一同代入式（10），计算出NP=53.8匝。实取54匝。

[步骤17]计算反馈绕组匝数NFNF=NS×（11）

将NS=5匝，UFB=10.4V，UF2=0.7V，UO=7.5V，UF1=0.4V代入式（11），计算出NF=7.03匝。实取7匝。

[步骤18]根据初级层数d、骨架宽度b和安全边距M，计算有效骨架宽度bE（单位是mm）

bE=d(b－2M)（12）

将d=2，b=8.43mm，M=0代入式（12），求得bE=16.86mm。

再计算初级导线的外径（带绝缘层）DPMDPM=（13）

将bE=16.86，NP=54匝代入式（13），求得DPM=0.31mm。扣除漆皮后裸导线的内径DPm=0.26mm。

[步骤19]验证初级导线的电流密度J是否满足初级有效值电流IRMS=0.32A之条件

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