1单片开关电源的设计要点 1.1电源效率的选定 开关电源效率（η）是指其输出功率（po）与输入功率（pi）（即总功率）的百分比。需要指出，单片开关电源的效率随输出电压（uo）的升高而增加。因此，在低压输出时（uo=5v或3.3v），η可取75％；高压输出时（uo≥12v）,η可取85％。在中等电压输出时（5v因电源效率η=po／pi，故开关电源的总功耗pd=pi－po=－po=·po（1） pd中包括次级电路功耗和初级电路功耗。重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。损耗分配系数（z）即反映出这种关系。 设初级功耗为pp，次级功耗为ps，则pp＋ps=pd，z=ps／pd，而1－z=pp／pd。需要注意的是，次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关，而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前，已被高频变压器传输到次级的缘故。 1.2如何计算输入滤波电容的准确值 输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。cin值选的过小，会使uimin值大大降低，而输入脉动电压ur却升高。但cin值取得过大，会增加电容器成本，而且对于提高uimin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算cin准确值的方法。 交流电压u经过桥式整流和cin滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图1所示。该图是在po=pom，fl=50hz（或60hz）、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压uimin上还要叠加上一个幅度为ur的初级脉动电压，这是cin在充放电过程中形成的。 欲获得cin的准确值，可按下式进行计算：cin=（2）
图1交流电压为最小值时的输入电压波形
图2正向恢复时间的电压波形
图3topswitchⅱ等系列在230v交流输入时各电压参数的电位分布 举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85v。取uimin=90v，fl=50hz，tc=3ms，假定po=30w，η=80％，一并带入式（2）中求出cin=84.2μf，比例系数cin／po=84.2μf／30w=2.8μf／w，这恰好在（2～3）μf／w允许的范围之内。 1.3初级各电压参数的电位分布情况 下面详细介绍输入直流电压的最大值uimin、初级感应电压uor、钳位电压ub与ubm、最大漏极电压 udmax、漏源击穿电压u(br)ds这6个电压参数的电位分 布情况，使读者能有一个定量的概念。 对于topswitchⅱ系列单片开关电源，其功率开 关管的漏源击穿电压u(br)ds≥700v，现取下限值700v， 其感应电压uor=135v。本来初级钳位二极管的钳位电压ub只需取135v，即可将叠加在uor上由漏感而造成的尖峰电压吸收掉，实际却不然。手册中给出ub参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管（即瞬态电压抑制器tvs）还具有正向温度系数，它在高温、大电流条件下的钳位电压ubm要远高于ub。实验表明，二者存在下述关系： ubm≈1.4ub（3） 这表明ubm大约比ub高40％。此外，为防止钳位二极管对初级感应电压uor也起到钳位作用，所选用的tvs钳位电压应按下式计算： ub=1.5uor（4） 此外，还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管vd1的影响。vd1一般采用超快恢复二极管（srd），其特征是反向恢复时间（trr）很短。但是vd1在从反向截止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间（tfr），还需留出20v的电压余量。正向恢复时间定义为：给二极管施加一个正向瞬态电压，使之从电流为零的反向电压偏置状态转入正向电压偏置状态，直到管子的正向电压恢复到规定值所需要的时间间隔。设二极管正向压降的典型值为uf，这里讲的规定值即为1.1uf。正向恢复时间的电压波形如图2所示。由图可见，当给二极管加上正向瞬态电压时，管子由截止状态转变成导通状态的过程如下：管子的正向电压首先要从零上升到0.1uf，然后达到峰值电压ufm，再下降到1.1uf。规定从0.1uf恢复到1.1uf所需时间，即为正向恢复时间。需要注意，正向恢复时间（tfr）和反向恢复时间（trr）属于两个性质不同的特征参数。 考虑上述因素之后，topswitchⅱ的最大漏源极 电压的经验公式应为： udmax=uimax＋1.4×1.5uor＋20v（5）topswitchⅱ各系列在230v交流固定输入时，初级电压参数对应于波形的分布情况如图3所示。此时u=230v±35v，即umax=265v，uimax=umax≈375v，uor=135v，ub=1.5uor≈200v，ubm=1.4ub=280v，udmax=675v，最后再留出25v的电压余量，因此u(br)ds=700v。实际上u(br)ds也具有正向温度系数，当环境温度升高时u(br)ds也会升高，上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量。 1.4根据ip值选择芯片的方法 单片开关电源的极限电流最小值ilimit（min)，均是针对室温情况下定义的。若芯片工作在比较高的温度下，其额定值应减小10％，因此通常取初级峰值电流ip=0.9ilimit（min)。这表明在选择芯片时，可先将ip除以0.9，转换成ilimit（min)值，从有关参数表中查出符合上述要求且与该数值最为接近的topswitch芯片。 在po确定之后，采用连续模式能降低ip，允许使用功率较小的芯片。若要减小磁芯及高频变压器的尺寸，应适当增加初级脉动电流ir与峰值电流ip的比值krp。krp的取值范围是0～1.0。krp愈大，磁芯尺寸愈小，其代价是需采用输出功率较大的芯片。另外，增大krp值还意味着开关电源要向不连续模式过渡，此时初级电感量lp↓，ip↑，irms↑，导致η↓。因此，在选择krp值时应权衡利弊，要在减小磁芯尺寸与保证尽量高的效率这二者之间，确定最优设计方案。 2电子数据表格的结构 在用计算机设计单片开关电源时，需借助于电子数据表格才能完成。这种表格的内容以高频变压器设计为主，其它外围电路及关键元器件参数计算为辅。单路输出式开关电源的电子数据表格共分6列。a列代表输入和输出的参数。b列中是由用户输入的数据。c列为计算过程中保留的数据，这些数据可作为中间变量，在前、后设计步骤中交叉使用。d列为计算结果。e列给出的是单位（si制）。f列是对参数的说明。 举例说明：由top222y构成的7.5v、15w单片开关电源模块，其交流输入电压范围是85v～265v，电压调整率sv=±0.5％（85v～265v），负载调整率si=±1％（负载电流从满载的10％变化到100％），输出纹波电压最大值为±50mv。表1给出该模块所对应的电子数据表格，可供读者在设计开关电源时参考。需要指出，在设计和使用电子表格时，还可根据实际电路的要求，适当增加一些参数。例如在第16行下面插入topswitch的极限电流最大值ilimit（max)参数，并注明由此选定的芯片型号，作为新的17行，原17行就改为18行，依次顺延。表中预留出的空行也是专为插入新参数而设置的。 表1设计7.5v、15w开关电源用的电子数据表格 | a | b | c | d | e | f | 1 | 输入 | 中间过程 | 输出 | 单位 | 参数说明 | 2 | 参数 | 数据 | 保留数据 | 计算结果 | 7.5v、15w开关电源 | 3 | umin | 85 | v | 交流输入电压最小值 | 4 | umax | 265 | v | 交流输入电压最大值 | 5 | fl | 50 | hz | 电网频率 | 6 | f | 100 | khz | 开关频率 | 7 | uo | 7.5 | v | 直流输出电压 | 8 | po | 15 | w | 输出功率 | 9 | η | 80 | ％ | 电源效率 | 10 | z | 0.5 | 损耗分配系数 | 11 | ufb | 10.4 | v | 反馈电压 | 12 | tc | 3.2 | ms | 整流桥响应时间 | 13 | cin | 33 | μf | 输入滤波电容 | 14 | 15 | 输入topswitch的变量 | 16 | uor | 85 | v | 初级绕组的感应电压 | 17 | uds(on) | 10 | v | topswitch的漏－源导通电压 | 续表18 | uf1 | 0.4 | v | 次级肖特基整流管正向压降 | 19 | uf2 | 0.7 | v | 反馈电路中高速开关整流管正向压降 | 20 | krp | 0.92 | ％ | 初级脉动电流ir与峰值电流ip的比例系数 | 21 | 22 | 输入高频变压器的结构参数 | 23 | ee22 | 铁氧体磁芯型号 | 24 | sj | 0.41 | cm2 | 磁芯有效横截面积 | 25 | l | 3.96 | cm | 有效磁路长度 | 26 | al | 2.4 | μh/匝 | 磁芯不留间隙时的等效电感 | 27 | b | 8.43 | mm | 骨架宽度 | 28 | m | 0 | mm | 安全边距（安全边界宽度） | 29 | d | 2 | 层 | 初级绕组层数 | 30 | ns | 5 | 匝 | 次级匝数 | 31 | 32 | 直流输入电压参数 | 33 | uimin | 93 | v | 直流输入电压最小值 | 34 | uimax | 375 | v | 直流输入电压最大值 | 35 | 36 | 初级电流波形参数 | 37 | dmax | 51 | ％ | 最大占空比（对应于umin时） | 38 | ivag | 0.20 | a | 输入电流的平均值 | 39 | ip | 0.74 | a | 初级峰值电流 | 40 | ir | 0.68 | a | 初级脉动电流 | 41 | irms | 0.32 | a | 初级有效值电流 | 42 | 43 | 变压器初级设计参数 | 44 | lp | 623 | μh | 初级电感量 | 45 | np | 54 | 匝 | 初级绕组匝数 | 46 | nf | 7 | 匝 | 反馈绕组线数 | 47 | alg | 0.215 | μh/匝 | 磁芯留间隙后的等效电感 | 48 | bm | 0.2085 | t | 最大磁通密度（bm=0.2～0.3t） | 49 | bac | 0.0959 | t | 磁芯损耗交流磁通密度（峰峰值×0.5） | 50 | μ | 1845 | 磁芯无气隙时的相对磁导率 | 51 | δ | 0.22 | mm | 磁芯的气隙宽度（δ≥0.051mm） | 52 | α | 16.85 | mm | 有效骨架宽度 | 53 | dpm | 0.31 | mm | 初级导线的最大外径（带绝缘层） | 54 | e | 0.05 | mm | 估计的绝缘层总厚度（厚度×2） | 55 | dpm | 0.26 | mm | 初级导线的裸线直径 | 56 | 公制线径 | 0.280 | mm | 初级导线规格 | 57 | sp | 0.0516 | mm2 | 初级导线的横截面积 | 58 | j | 0.67 | a/mm2 | 电流密度j=(4～10a)/mm2 | 59 | 60 | 变压器次级设计参数 | 61 | isp | 7.95 | a | 次级峰值电流 | 62 | isrms | 3.36 | a | 次级有效值电流 | 63 | io | 2.00 | a | 直流输出电流 | 64 | iri | 2.70 | a | 输出滤波电容上的纹波电流 | 65 | 66 | ssmin | 0.546 | mm2 | 次级线圈最小横截面积 | 67 | 公制线径 | 0.900 | mm | 次级导线规格 | 68 | dsm | 0.91 | mm | 次级导线最小直径（裸线） | 69 | dsm | 1.69 | mm | 次级导线最大直径（带绝缘层） | 70 | nss | 0.39 | mm | 次级绝缘最大厚度 | 71 | 72 | 电压极限参数 | 73 | udmax | 573 | v | 最高漏极电压估算值（包括漏感的作用） | 74 | u(br)s | 42 | v | 次级整流管最高反向峰值电压 | 75 | u(br)fb | 59 | v | 反馈电路整流管的最高反向峰值电压 |
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