1引言
2元件选型
3变压器的设计
4反馈环路的设计
5PCB布局及走线
6电路板调试经验
1引言
开关电源可以有很多种不同的分类，DCDC的电路拓扑有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST。用于AC-DC的电源拓扑，一般有正激式开关电源、反激式开关电源、半桥式开关电源以及全桥式开关电源等等。
对于输入电压范围宽，输出功率在W以下，性价比高以及效率高的场合，一般都会选择反激式开关电源。一般的家用电器中的电源模块，例如面包机、洗碗机、电饭煲等都是采用反激式开关电源的方式实现，手机充电器中的电源模块绝大多数也是采用反激式开关电源的方案来实现。所谓反激式开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。
本次需要设计一个输出电压5V/13A的电源，采用的就是反激式开关电源。
2元件选型
本次5V/13A电源模块选择的拓扑结构是反激式开关电源，对于设计一款电源电路来说，首先是要选择一款电源管理芯片，然后是设计变压器和反馈电路部分，最后是电路板的上电调试。随着集成电路技术的不断发展，电源管理芯片做的也是越来越好。现在设计一款开关电源只需要选好电源芯片，然后按照芯片数据手册把电路搭出来其基本工作就完成了一半，接下来就是调试电源的各项参数了，不像以前集成电路技术不是很成熟的时候，那时还没有电源管理芯片，需要自己用三极管等元件搭建电源芯片所实现的功能电路。电源芯片选择：
本次选用的电源芯片是MPS厂家的HFC。HFC是一款具有内部斜率补偿的固定频率电流模式控制器。在轻负载时，控制器会限制峰值电流并将其开关频率降到25KHZ，以提供出色的轻载效率。在非常轻的负载下，控制器进入突发模式以实现非常低的待机功耗。控制器提供频率抖动，有助于消散传导噪声产生的能量。控制器采用过功率补偿功能，缩小低压线和高压线之间过功率保护点的差异。HFC控制器具有多重保护功能，具体包括热关断（TSD）、VCC欠压锁定（UVLO）、过载保护（OLP）、过压保护（OVP）以及欠压保护。控制器在正常负载时的驱动频率为65KHZ，功率耗散为1.3W。控制器的引脚精简，外围电路简单。适用于小型和大型的AC/DC电源家电，用于笔记本电脑，平板电脑和智能手机的AC/DC适配器，离线电池充电器以及液晶电视和显示器供电。如图1所示为HFC的顶部视图。图1HFC视图
表1所示为HFC的引脚功能描述
引脚
引脚名
描述
1
TIMER
该引脚结合了软启动，频率抖动以及定时器功能为了OLP，欠压保护和X-cap放电
2
FB
反馈引脚，使用下拉光耦来控制输出电压调节
3
CS
电流检测，检测电流模式操作的初级侧电流，并提供过功率补偿调整方法
4
GND
芯片接地引脚
5
DRV
驱动信号输出引脚
6
VCC
供电引脚
8
HV
高压电流源，包括掉电和X-cap放电功能
输入共模电感的选择：
共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模电流可以无衰减地通过。电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达MHz。根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。大部分电路设计中，共模电感的取值通常是5-33mH，典型值是10-33mH，也可根据共模电感的计算公式计算出电感量的最小值。Xl为频率为f时的阻抗值。本次选择的是33mH/3A的共模电感。输入滤波电容的选择：
对于输入滤波电容的选择介绍的是，经过整流桥后的滤波电容。V/50HZ的交流市电，经过整流桥后变成了‘馒头波’，很显然这个没有经过电容滤波的电压是不能给后面负载用的。整流桥后的电容把‘馒头波’变成了直流电压，滤波电容在这里相当于一个大水缸，起到滤波和储能的作用。这个电容一般会选择一个大的铝电解电容用来储能以及滤除低频干扰，再并联上一个小的CBB电容用来滤除高频干扰也可以降低输入的阻抗值。铝电解电容的大小一般是按照输入功率来选择的2uF/W，一般会留有2倍的余量。由于市电经过整流桥后的电压高达V，所以选择的电容耐压值要大于这个值。本次选择的是uF/V的铝电解电容。
主开关管的选择：
在选择主开关管的时候，首先要考虑的是开关管的漏源之间的耐压值以及开关管导通时的耐流值；其次考虑开关管的开通速度、导通电阻以及有无反向二极管；最后还要考虑开关管的封装、散热以及价格等。开关管的耐压值是通过输入直流电压和开关管关断时变压器次级反射到初级的电压叠加确定的。输入直流电压为V，次级反射电压定在V，考虑到变压器漏感引起的尖峰50V，那么所选择的开关管的漏源之间的耐压值至少要V。开关管导通时流过的电流就是变压器初级流过的电流，变压器初级电流的大小与次级电流以及变比有关。开关管的开通和关断速度和开关管的寄生电容值有关。一般会选择寄生电容值小的，但是有时也会考虑选择寄生电容值大的，这种情况是把寄生电容作为一个参数以实现电路的软开关动作。选择导通电阻小的是为了减少开关管的功耗。在选择开关管的时候并不是一定要各项参数都很好的管子，因为开关管的参数越好其价格也是越贵的，有些开关管的供应也不是很充足，选择一个合适的开关管就行了，各项参数留有一定的余量。本次选择的开关管型号是SMK，其漏源耐压值为V，能通过7A的电流以及能承受28A的脉冲电流，导通电阻为1.2W（这个值有点大了，可以后续更换掉这颗开关管，换成导通电阻更小的开关管），上升时间、上升延迟时间、下降时间以及下降延迟时间都小于30ns。反馈元件的选择：
反馈元件主要是光耦和的选择，光耦要选择线性光耦，在选择的时候要注意的参考电压是多少（有1.25V的也有2.5V的）。开关电源的光耦主要是隔离、提供反馈信号和开关作用。开关电源电路中光耦的电源是从高频变压器次级电压提供的,当输出电压低于稳压管电压时给信号光耦接通，加大占空比，使得输出电压升高；反之则关断光耦减小占空比，使得输出电压降低。一旦高频变压器次级负载超载或开关电路有故障，就没有光耦电源提供，光耦就控制着开关电路不能起振，从而保护开关管不至被击穿烧毁。TL是TI公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。本次选择的光耦是EL，正向电流有60mA，正向电压1.5V。EL具有超高的爬电距离：大于8mm，符合最新安规0米海拔要求；绝缘电压可达5Kvrms，符合最新安规0米海拔要求；超低输入启动电流（1mA），超低功耗驱动；符合最新的所有安规及环保要求。本次选择的TL的参考电压为2.5V。同步整流元件的选择：
同步整流是采用通态电阻极低的功率MOSFET取代整流二极管以降低损耗的一项新技术。它能显著提升转换效率，并可利用其二次侧的优势改善电源指标，符合开关电源小型化、高能效、智能化的发展趋势。由于本次输出的电流比较大，所以考虑采用同步整流技术。同步整流从拓扑角度上看，可以分为Highside和Lowside。Highside方式整流开关管参考地和输出地分开，EMC较好。Lowside方式整流开关管参考地和输出地共地，EMC稍差。本次采用Highside的方式实现同步整流。同步整流开关管选择要考虑导通时开关管承受的电流，导通电阻以及漏源之间的耐压值。本次选择的开关管是SIRADP，导通时能够承受60A的电流，导通电阻为7mW，漏源之间的耐压值为V。驱动SIRADR的同步整流芯片选择的是MP。
3变压器的设计
变压器设计首先考虑的是所设计出来的变压器在任何时刻都不能够饱和，其次是变压器实现功率变换的功能，然后考虑的是变压器的耦合程度、功耗、散热以及体积等。变压器不能够饱和的原因是如果变压器饱和了，那么变压器就失去了抑制电流的作用，此时变压器中的线圈相当于一根导线，这会导致电路发生短路的危险。变压器的设计步骤一般是确定原副边匝数比、确定原边和副边的匝数、确定绕组的导线线径、确定绕组的导线股数、核算窗口面积。一般使用AP法来确定变压器的磁芯和骨架。其实每个芯片厂商都有提供变压器设计表格，只要我们把输入参数和输出参数确定好，设计表格会自动计算AP的值，然后根据AP的值来选择合适的变压器磁芯和骨架，设计表格会自动根据所选的变压器磁芯和骨架来计算匝比、绕组匝数、线径以及股数。有时候也需要根据实际情况来更改些参数，比如线径、绕组匝数。对于次级输出大电流的场合，要根据实际需要将导线改成铜箔。用铜箔来代替导线时要注意，铜箔的宽度要基本覆盖骨架的窗口高，这样可以减小电磁干扰。在绕制导线和铜箔的时候要注意，采用‘三明治’绕法，导线绕制要均匀紧致，要恰好绕满每一层，不要只绕半层等等，这样有利于减小漏感，铜箔绕制的时候也一样，同一个线圈不需要垫绝缘胶纸，但是不同的线圈之间需要垫绝缘胶纸以及铜箔的每一层都需要垫绝缘胶纸。变压器在做好后还需要测量电感量以及漏感，一般测量初级的电感量就行了，漏感需要每个线圈都测量。变压器的具体设计参数会放在同一个文件夹下。如图2所示为本次绕制的变压器。图2变压器视图
4反馈环路的设计
在设计一款开关电源的时候，有几个设计点需要多留心