开关电源-设计

包括高频变压器及其骨架Bobbin，纹波测量方法、电感计算、电源功率测量等。紫色文本是超链接，点击自动跳转到相关博客。不断更新，原创不容易！

目录：

一、变压器骨架Bobbin

1、EE10高频变压器

2、EE13高频变压器

二、高频变压器

1、线材

2、芯材

3、气隙

4.变压器绕组的例子

三、纹波

1.产生电源纹波

2、电源纹波的测量

3.电源纹波的要求

1）注意事项 2)用示波器测量电源纹波的连接方式 3)正确和错误的测量示范及其比较

4.减少纹波的方法

5.确定空比

四、电感

1.电感磁饱和

2.计算电感

１）Ｌdi/dt的由来 ２）举例 3)电感线圈的能量 4)电感电压相位超前电流900°

3.单线并绕的电感量

4.电感绕制的例子

五、测量电源功率

六、Buck降压斩波电路

1、Buck电路分析

2.介绍工作模式

3、Buck计算降压斩波电路电感值

4.确定电感圈数和匝数

七、Boost升压电路

八、Flyback电路

九、Sepic电路

附录

1、电感Q值

2.变压器的工作原理

3.开关电源分类总结

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、变压器骨架Bobbin

“高频变压器磁芯参数列表”详见“百度云盘2015电子资料收集”。

1、EE10高频变压器

尺寸外观图：

品名	式别	骨架样式	长	宽	高	1边PIN（PIN距）		2边PIN（PIN距）		排距	PIN径
EE10-01	立式		12.0	12.5	13.0	4	2.5	4	2.5	8.0	Φ0.5
EE10-02	卧式		12.0	13.0	11.5	4	2.5	4	2.5	10.5	Φ0.5

性能：

1）工作频率：20kHz-300KHz

2）输出功率：0.5 to 5 W

3）工作温度：-40 to +125

4）储存温度：-25 to +85

5）储存湿度：30 to 95%

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2、EE13高频变压器

品名	式别	骨架样式	长	宽	高	1边PIN（PIN距）		2边PIN（PIN距）		排距	PIN径
EE13-1	立式		13.5	13.5	13.5	5	2.5	5	2.5	8.5	Φ0.6
EE13-2	立式		13.5	13.5	12.0	4	2.5	4	2.5	10.2	Φ0.6
EE13-3	立式		13.5	17.0	14.0	4	3.5	4	3.5	13.0	Φ0.6
EE13-4	立式		15.0	18.5	14.0	5	2.8/3.5	4	3.2/5.0	16.5	Φ0.6
EE13-5	卧式		13.0	13.0	12.0	4	2.5	4	2.5	10.0	Φ0.6

性能

1）工作频率：20kHz-500KHz

2）输出功率：0.5 to 10 W

3）工作温度：-40 to +125

4）储存温度：-25 to +85

5）储存湿度：30 to 95%

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二、高频变压器

1、线材

2uew指绝缘漆膜是聚氨酯漆，漆膜厚度是厚的规格。
uew是绝缘漆膜的为聚氨酯漆的统称，2是漆膜厚度等级。
漆膜厚度有0、1、2、3依次是特厚、较厚、厚、薄。
TEX-E三层绝缘线。

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2、芯材

PC40（行业内又称40材）是日本TDK开发的铁氧体功率材料，是铁氧体功率材质中的基础材料，也是应用最广的材料。铁氧体磁芯关注的参数有磁导率（PC40的磁导率是2300），功率损耗，饱和磁感应强度Bs等参数。

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3、气隙

使用气隙磁阻变大，变压器难饱和。

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4、变压器绕制的一个实例

(S) start开始；(F) finish结束

1）Pin 1入线用0.2mm 2uew 单根绕28匝+28匝（两层）出线挂pin2

2）一层tape

3）copper 屏蔽一层 接pin5

4）一层tape

5）A入线用单根0.7三层绝缘线绕5匝B出线（这个是飞线）

6）一层tap

7）pin6入线0.2mm 2uew *2 双线并绕8匝出线挂pin5

8）一层tape

9）pin2入线0.2mm 2uew 单根绕26匝出线挂pin8

10）最后2层tape

11）Pin2是中间抽头

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三、纹波

1、电源纹波的产生

PCB布线；变压器输入端的开关管通断造成的尖峰，与开关管上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz；变压器自身漏磁；变压器输出端的二极管在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声。

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2、电源纹波的测量
1）注意事项

使用示波器AC耦合，20MHz带宽限制，拔掉探头的地线，拔掉探头上的“夹头”。在探头接入点的位置并联1个较小的瓷片电容和1个电解电容，滤除外界干扰信号防止进入示波器。

（1）AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
（2）打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
（3）拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。
（4）还有一点是要使用50Ω终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。

（5）把示波器引线绕在铁芯上可减小共模电流，因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感，在隔离电源中，真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的，这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降，表现为纹波。

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2）用示波器对电源纹波测量的连线方式

（1）靠连法

使用带有地线环的示波器探头，将探针直接接触正输出的管脚，地线环直接接触负输出的管脚，这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上的纹波与噪声，如图3。

（2）直连法

将地线环直接与负输出管脚连接，利用探头接地环进行输出端测试，如图4。

（3）绞连法

输出管脚接双绞线后接电容，在电容两端用示波器测量。

（4）用交流毫伏表来测量纹波电压，是因为毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。毫伏表可直接读出纹波电压的有效值、峰值和平均值。但结果与毫伏表的频响有关，在使用交流数字电压表时，要注意其频响范围，不同范围会有不同的测量结果。

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3）正确与错误测量示范及其比较

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3、电源纹波的要求

一般纹波要求低于输出电压的1%。比如5V纹波≤50mV，12V纹波≤120mV。

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4、降低纹波的方法

1）以5V为例，输出端加820uF/6.3V固态电容，可以降低一半的纹波。有条件的可以并联多个固态电容，以进一步降低ESR。关于ESR详见“电容的ESR”。

2）加104瓷片电容吸收杂波。

3）变压器输入地与输出地加涤纶电容331-102均可。

4）二极管上并电容C或RC。

5）减小变压器的漏感。

漏感的产生：是由于某些初级（次级）磁通没有通过磁芯耦合到次级（初级），而是通过空气闭合返回到初级（次级）。

漏感的测量：一般方法是将次级（初级）绕组短路，测量初级（次级）绕组的电感，所得的电感值就是初级（次级）到次级（初级）的漏感。一个好的变压器漏感不应该超过自身励磁电感的2~4%。通过测量变压器的漏感，可以判断一个变压器制作的优劣。高频下漏感对电路的影响更大，绕制变压器时应该尽量降低漏感，大多采用初级（次级）-次级（初级）-初级（次级）的“三明治”结构来绕制变压器以降低漏感。

6）输出加LDO（low dropout regulator低压差线性稳压器）。

7）整流滤波之后，再加上一个小的电感比如3.3uH和电解电容，你会发现电感之前的三角波幅度一下子降低到几十分之一，非常有效。100mV以上可有效降低到50mV以下。

8）PCB

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5、占空比的确定

1）占空比

BUCK降压变换器的占空比D=VO/VI;

BOOST升压变换器的占空比D=(VO-VI)/VO;

BUCK-BOOST升降压变换器的占空比D=V0/(VI+VO);

FLY BACK反激的占空比一般取0.4

反激式开关电源从电感电流是否连续，分为DCM和CCM两种电流模式，一般工作在DCM下，占空

比设置小于0.5，然而工作在CCM下，占空比可能会达到0.8以上，但绕制变压器时，占空比的设置，一般都是小于0.5的。

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2）反激式开关电源的电流模式

功率较小的时候用断续（DCM）模式，断续模式是指开关管完全截止后有一个间隔的时间，过了这个时间后开关管再导通。即变压器磁能释放完毕，或激磁电流下降到零，再延时后开关管导通。Vds不连续，所以叫断续模式，也因为不连续，断续模式的峰值电流相比连续模式的时候高很多，因为电源的功率小，即使峰值电流高一些也不会有很大影响。如果大功率的电源也用断续模式的话会有很多不稳定因素：开机浪涌电流、很高的峰值电流等。
 
功率较大的时候用连续（CCM）模式，变压器磁能尚未释放完毕，或激磁电流未下降到零时开关管再次导通。所以连续模式的波形呈梯形状，而断续模式的电流波形是三角锯齿状。峰值电流小了很多，而且拥有更好的EMC。

不过一般来说电源工作在临界模式是最理想的，即在DCM模式中的激磁电流刚好下降到零时，开关管马上再次导通，没有延时。临界模式介于连续和断续之间.
按照功率相对来说，反激电源的话，大概25瓦以下一般用断续，超过25W用临界模式就好了。更大功率就用连续模式。还有，很多电源都是设计成全电压的，AC85-265V通用，电源在85V的时候，连续模式；在150V的时候，临界模式；而在265V的时候，变成断续模式。

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四、电感

1、电感磁饱和

参看“电力/电气/电工知识汇总之二、电感磁饱和的原因与理论分析”。

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2、电感量的计算