电路达人经验谈:模块电源(AC-DC)的设计

本设计电源的输入电压是50Hz交流电压85～265Vac，需要整流成直流再参与变换。最简单的方法是整流桥整流，50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压，再通过输入滤波电容得到直流高压。

1、输入整流滤波单元

1)整流桥的选择

整流桥的主要参数有反向峰值电压VRR(V)，正向压降VF(V)，平均整流电流IF(A)，正向峰值浪涌电流IFSM(A)，最大反向漏电流IRM(μA)。

整流桥的反向击穿电压VRM应满足下式要求：VRM>1.25*1.4Vinmax 即1.25*1.4*265=450 V，应选耐压600V的整流桥，整流桥额定的有效值电流为IF，应当使IF≥3IRMS。计算IRMS的公式如下：

IRMS= Is= P/η/Vs=2.5/0.75/110=30.3 mA，实际选用lA、600V的整流桥，以留出一定余量。

2)输入滤波电容器的选择

铝电解电容器的额定电压的1.3倍作为电容器的浪涌电压，工作电压高于160V时，是额定工作电压+50V作为浪涌电压，这是生产厂家保证的电压，可以允许在短时间内承受此电压。电容器处于浪涌电压时，电流会很大，如果时间太长，会爆开。 所以铝电容器应该选用额定电压稍高的，实际工作电压为标称额定电压的70~80%为宜，所以选用额定电压值为400V的铝电解电容。

由于模块电源体积的限制，在85～265Vac的输入范围内，前级储能铝电解电容的容值一般选取2倍于输出功率的值，即2.5*2=5，综上，铝电解电容的取值以4.7μF/400V为宜。

2、功率变压器的设计

1) 考虑到2.5W的输出功率实际很小，还有模块电源的体积限制。选择截面积足够而体积尽可能小的EPC13(Ae=12.5mm2)的铁氧体磁芯来完成功率的转换。

2) 计算ton

原边绕组开关管的最大导通时间对应在最低输出电压和最大负载时发生。 设D=ton/Ts=0.45

有：Ts=1/f=1*106/66*103=15.2 μs

ton =D* Ts =0.45*15.2=6.84 μs3) 计算最低直流输入电压

设电源在最低电压时输出最大负载，计算输入端的直流电压。对于单项交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流电压有效值的1.4倍也不小于1.2倍。现取1.3倍。即：Vs=85*1.3=110 V

4) 选择工作时的磁通密度值

已知EPC13的中心柱磁路的有效面积Ae=12.5mm2，饱和磁感应强度在100℃时是390mT，则65%的饱和值：
△Bac=390*0.65=250 mT。

5) 计算原边匝数

因为变压器输入电压是一个方波，一个导通期间的伏秒值与原边匝数关系：

Np=Vs *ton/ (△Bac * Ae )

式中 Np—原边匝数

Vs—原边直流电压

ton—导通时间

Ae—磁芯有效面积

即：

Np=Vs *ton/ (△Bac * Ae )=110*6.84/(0.25*12.5)=240 匝

6) 计算副边匝数

输出电压5V，整流管压降0.5V，则副边绕组对应电压值为Vo= 5+0.5=5.5V

原、副边绕组匝比为Vs*D/=110*0.45/=16.36

副边匝数Ns=240/16.36=14.7 匝，取整数15匝7) 自供电绕组的匝数

根据VIOer12A芯片的资料，自供电电压取值为11V左右为宜，则Vf=15*(11+0.7)/(5+0.5)=31.9 匝，取整数32匝

8) 实际占空比及ton的计算

副边匝数取整数15则实际占空比为0.44，ton=15.2*0.44=6.69 μs

9) 原边电感量的计算

设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，当开关管关断时，原边电流上升到Ip2。若Ip1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。

设计电源工作在连续模式，这样开关管、线路的损耗都比较小，而且可以减轻输入输出电容的工作应力
设计电源工作在连续模式，由能量守恒，有下式：1/2*(Ip1+Ip2)*D*Vs=P/η

连续模式设计，令Ip2=3Ip1，这样就可以求出变换器的原边电流，由此可以得到原边电感量：

Lp= D*Vs/(f*ΔIp)

ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1;

根据设计要求，电源的效率为75%，则电源全周期Ts的平均输入电流Is为：Is=P/Vs=2.5/0.75/110=30.3 mA则ton时间内的电流Im=ΔIp =Is*Ts/ton=30.3*15.2/6.69=68.84 mA

Ip1=Im/2=68.84/2=34.42 mA

Ip2=3Ip1=3*34.42=103.26 mA

ΔIp=Ip2-Ip1=103.26-34.42=68.84 mA

此电流等于ton时间内的电流变化量△i

Lp=Vs*ton/△i=110*6.69/68.84=10.6 mH10) 线径的取值

设导线的电流密度为15A/m2，原边电流Im=68.84m;副边电流Io=500mA;自供电绕组电流约几十个mA，根据计算得

0.08mm铜线可走电流75mA;

0.27mm铜线可走电流860 mA;

0.15mm铜线可走电流260 mA;

所以变压器Np、Ns、Nf三个绕组的线径分别取：0.08mm;0.27mm、0.15mm;至此，功率电源变压器的主要参数设计完成。同时，在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意。

3、输出整流滤波单元

本设计电源的输出电压是5Vdc，需要先把变压器变换过来的低压方波整流成直流，然后用铝电解电容储能滤波。

由于整流的工作频率等于功率开关管的开关频率，必须使用具有快速恢复功能的肖特基整流二极管作为输出整流二极