开关电源设计教程 （退役一线工程师）包含所有主流拓扑

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今天先写第一章
先说说做开关电源需要具备的理论基础：我们做电源的工程师，分两类，一类是搞研究的，一类是搞工程的。
所谓搞研究的，就是研究各种新的技术、新材料、新工艺、新的拓扑结构等等。这些人需要很高的理论底子，当然必须是高学历，数学、电磁学、电子学、自动控制等等，各种专业，各种牛逼。
还有一种就是我们最常见的电源工程师，就是在公司开发部做项目的电子工程师。
本文面对的是第二类的，也就是面对应用阶层的电源设计工程师。
必须加一句，像 陶显芳老师 赵修科老师 这一类的妖怪级别的大师写的书，新手完全没必要使劲啃的，很费时费力。大可囫囵吞枣看一下，能懂多少是多少。然后在慢慢成长的过程中，回头再看，就会有很大的收获。


我们是做工程的，他们搞理论基础的。大师写的书，一下子完全看懂，不大可能。那些书很多方面写得很详细，有完整的理论推导，包括的也非常全面。但是我还是奉劝新手不要在数学公式里面纠结。
那些书完全可以作为技术手册来使用。做技术都有一个成长的过程，到了一定的程度，那些书就很有用处了。


我们应用类的工程师需要必须具备的理论基础有：模拟电子技术基础。先说模拟电子技术的学习深度问题。刚毕业，一般都不可能把模电学好，谁要是真的觉得自己刚毕业就很牛逼，那就有两种可能，要么自己自高自大，不知天高地厚；要么就是跟导师真正实际做过项目，并且勤奋学习理论的人。对于我们做电源的工程师来说，模电必须懂的东西我列举一下：
1 电阻。电阻是各种电子电路里面最基础的原件，电阻在开关电源里面的应用主要有各种控制返回电路的分压网络，然后就是吸收回路里面的功率耗散。我们设计中必须关注的有电阻的封装，功耗，耐压，精度。
2 三极管。三极管在开关电源中有两类用途：第一，做开关管。开关电源的开关管现在主要有Mos管，三极管，IGBT。第二：做信号处理。三极管在开关电源的控制电路里面，用的最多的也就是做个保护电路里面简单的小信号开关，然后就是做线性稳压电源（主电路里面的辅助电源）。
需要懂什么呢，刚开始，知道三极管怎么打开，怎么关闭就OK了。然后知道什么是线性工作状态，什么是开关状态。书上那些乱七八糟的计算，先放下来，平时基本用不上，用到了，再去查，很快就看懂了。千万不要一头钻进理论里面去，浪费时间，浪费精力，用到的时候，第一参考元器件规格书，第二请教别人，然后再回头看书。
3 二极管。正向导通，反向截止。知道什么是二极管结电容，二极管的关断时间，反向耐压，正向导通电压，正向持续电流，脉冲电流这些概念就OK了，基本够用了。工作中遇到问题，然后再回头看书。


4 运算放大器。 这个东西在电源设计里面，真的很重要。学校里面老师讲的虚短虚断，必须懂，这个不能打折扣，反馈放大器，电流放大器，各种放大器的设计计算，它都是基础。至于频率特性，相位特性，有能力的当然也要学习，也是很有用处的，别的暂且放下不管，不要死扣理论。
5 比较器。在开关电源里面主要用来做快速保护电路，当然运算放大器也可以用来做保护，但是，特别是过流保护，运算放大器就不行，反映时间太长了；然后就是频率发生器，PWM比较器，滞回比较器等。比较器和运放相比，还是简单一些的。
然后电工电子技术必须掌握的东西：
1 单相交流电。
2 单相交流电整流。
3 三相交流电。
4 三相交流电整流。
5 电容。电容的分类：电解电容，最常用的整流滤波电容。电解电容分极性，极性接反了，电容发生化学反应，就短路炸掉了。电解电容的主要参数：耐压，容值，等效电阻（esr），工作温度，使用寿命，外观尺寸。瓷片电容，金属膜电容，这些电容不分极性，ESR小，一般做高频旁路用的，因为电解电容ESR比较大，通常在电解电容旁边并联ESR小的高频电容。Y电容，各种标准需要的。（自己百度）。关于电容，在分析电路时候，有一条最重要的我必须强调：电容充电，电流必须由电源正极，通过外部电路（以前笔误笔误啊 Sorry），流向电源负极；电容放电：电流必须由电容正端，通过外部回路，回到电容负端。
5 电感。开关电源里面电杆就分两大类，一类是储能用的，一类是做滤波器用的，就这两类。
6 变压器，开关电源里面的变压器指的就是变压器，跟工频变压器的工作原理一样。（Flyback，LLC变压器，这个严格意义上，不是变压器，这俩是耦合电感）。
7 磁芯。必须知道的由：什么是磁芯截面积Ae,什么是窗口面积Aw，什么是B-H曲线，这个必须懂的。
8 铜线。必须知道什么是穿透深度，什么是电流密度。为什么要用三层绝缘线，为什么要打挡墙。




上面的基本应该差不多了，有遗漏的请各位大神拍砖，欢迎补上，不要误人子弟。


假如一个刚入行的电源工程师，可以完全搞明白上面列举的一些基本概念，那你完全就可以做一个合格的助工了，欢迎加入电源行业。


我想强调的是，我们是搞工程的，不是搞理论的，最有效的学习就是在工作中发现问题，在学习和实验中解决问题。纯粹的死扣理论和纯粹的试来试去都是不可取的。







现在市面上的开关电源，总体来讲，其实就两类，一类是PWM类型的（也许有人会说还有PFM，RCC等等但是归根结底这还是一类的），包括Flyback，Buck，Boost，Buck-Boost,Flyback，正激，硬半桥，硬全桥，移相全桥，推挽等等。

这一类开关电源的工作核心就是电感伏秒平衡原理。

下面就说说伏秒平衡，这个绝对是核心中的核心，容不得半点折扣。
先做一下基本的公式推倒：




伏秒乘积精讲.pdf 陶显芳老师写的，写得很详细，我就比较懒，简单介绍一下。


写字比较水啊。其实我们所谓的伏秒平衡就是磁芯的励磁、退磁的过程。电感在Ton时候励磁，储存能量，在Toff时候，退磁，释放能量。
上面推倒可以看出，用 (E*Ton)就直接可以表示磁芯的励磁能量。
磁芯在每个工作周期，都要先励磁，然后再复位。
因为电源在稳定工作状态，磁芯每个周期储存的能量必须等于释放的能量，要不然磁芯就饱和了。
所以我们就有了下面这个超级简单实用的公式
E1*Ton= -E2*Toff (特别指出，这个公式成立的充要条件是电感各个绕组都在同一个磁芯上，绕组可以是1~n个)
E1，E2指的是同一个绕组两端的电压
Ton指的是E1持续的时间
Toff 指的是E2持续的时间

这个公式有啥用

隔几天更新一次。鄙人也在上班做事。不能做到更新很快。
下一章，讲Flyback。

先做一下基本的公式推倒：


伏秒乘积精讲.pdf 陶显芳老师写的，写得很详细，我就比较懒，简单介绍一下。

写字比较水啊。其实我们所谓的伏秒平衡就是磁芯的励磁、退磁的过程。电感在Ton时候励磁，储存能量，在Toff时候，退磁，释放能量。
上面推倒可以看出，用 (E*Ton)就直接可以表示磁芯的励磁能量。
磁芯在每个工作周期，都要先励磁，然后再复位。
因为电源在稳定工作状态，磁芯每个周期储存的能量必须等于释放的能量，要不然磁芯就饱和了。
所以我们就有了下面这个超级简单实用的公式
E1*Ton= -E2*Toff (特别指出，这个公式成立的充要条件是电感各个绕组都在同一个磁芯上，绕组可以是1~n个)
E1，E2指的是同一个绕组两端的电压
Ton指的是E1持续的时间
Toff 指的是E2持续的时间

这个公式有啥用处呢，我们在推导各种PWM拓扑结构的输入输出关系的时候，上面那个公式就非常重要了。
有了它，神马拓扑，只要是PWM的，输入输出关系就很容易清晰的证明出来。

最近有点忙啊 质量不咋的 大家见谅 我有时间就更新 尽量做得好一点

希望大家各抒己见 大家共同交流学习

老师，我是初学者，是否可以这样理解：
定义L1为初级线圈，L2为次级线圈。E1.E2分别是L1在Ton结束时和Toff开始点的端电压。有E1*Ton= -E2*Toff。因为线圈两端的电流不能突变，在这个瞬间，Ion=-Ioff.给E1*Ton= -E2*Toff两端分别乘以Ion，Ioff，等式成立。根据P=UI=EI,能量=PT,所以在此刻L储存的能量1=E1*Ton*Ion.开关关断时的能量2也是E2*Toff*Ioff，只是电压和电流的方向相反。
产生的能量1同过互感传到次级线圈L2上，为L2存储能量。产生的能量2通过别的回路来消除。在开关关断时,L2产生的自感能量为负载提供能量。

E *Ton ：表示的是磁链的变化量。
磁链的变化量不等于磁场能的变化量，明白否？

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好吧 那我就证明一下

楼上大师所言极是 谢谢您提醒 其实上面各位大师都有了质疑 但是由于自己没有认真去思考 。。 Sorry 比较草率武断 请见谅

楼上大师提到了单位 太好了 其实我觉得 伏秒积和磁场能量之间的关系 和物理运动学里面的 动量和动能之间的关系 很类似

伏秒积 E*T 单位 V*S 磁场能量 1/2*（L*I^2） 单位 J
动量 M*V 单位 Kg*m/S 动能 1/2*（m*V^2）单位 J

动量代表的是一个物体保持运动的势头。动能表示的是一个物体所蕴含的动能。
伏秒积真不知道怎么描述 磁场能量代表的也是磁场所蕴含的能量

请大师能不能更详细的解释一下伏秒积的物理意义

叫做 磁惯性量咋样啊

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给一个L两端加上电压U ，1S后电流为I1 其储存能量为 ？？？E=1/2LI1^2
也可以表示为E=UI2t （1J=1WS=1AVS）这里假如电感在1S内没有饱和 电流为线性上升 那么I1=2I2 两式约去电流I1就得到了Ut=LI 我是不是很机智？ 前年群里朋友给我介绍工作记得那时候有人问我开头这么个问题，我百度后发给他的 当时我还很诚恳的告诉他 我不会 我是百度找来的 我们是QQ面试的然后似乎被我的诚恳打动了 就问我说你在常州来我们广州要考虑好 我们是做超声电源的 后来我还是选择了留在常州

上面的greendot是本网公认大师，当他对你的观点产生疑问时你最好要重新审视一下自已的观点。
“伏秒积和能量 是一码事”显然是不对的。

楼上大师您好 小的无意冒犯 有时候比较嘴贱 请您见谅 小的有眼不识泰山
我的本意只是为了找个容易理解的办法 想把伏秒积说清楚 其实我中间把常量全都忽略了 我只盯着变量
若有冒犯 请您见谅 还有请前辈多多指点

大师比较小肚鸡肠一点。

上面讲了PWM类型开关电源输入输出关系推导的最关键的一个公式。
接下来就开始进入正题，讲一下反激式开关电源的设计。
反激式开关电源呢 结构简单 成本低廉 适应的功率范围比较广 几瓦到200瓦，市电输入，输出电压不超过63V 输出电流不超过15A，在这个范围内，反激式到目前为止还是很有优势的。
我见过有些产品，为了节省成本，他们把反激都做到了500W。
接下来我们就来讲一下反激式开关电源的设计

上面说了伏秒平衡，那个事推导所有的PWN类型的开关电源的基础。


接下来就来讲反激式。
这一接主要讲反激式的主拓扑工作原理以及变压器的计算，关于控制，EMI整改等等，后续再说。
反激式开关电源，其实是属于Buck-Boost的变种。
维基百科上有很详细的资料 大家可以回头看一下
我只用最简单的语言解释一下
http://en.wikipedia.org/wiki/Buck%E2%80%93boost_converter

我们先从Buck-Boost开始来分析。

Mos关开通

电源电压加到电感两端，电感有电流流过，感应电压上正下负。
二极管反偏，次级电解电容没有有效回路对电感励磁，所以，电感储存能量全部来自初级。

电感两端伏秒积为 Vin*Ton












开关管关断
电感感应电压反转，变为下正上负，电感对输出释放能量，电感磁芯复位。


次级电解电容对电感励磁。


伏秒积为 Vout*Toff


由同一个磁芯上伏秒平衡原理


Vin*Ton+Vout*Toff=0


得到：


Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin*(D/(1-D)) （只对连续模式成立）


断续模模式Toff还要减去死区。


这样子去推导 应该比较容易理解吧




吃饭啦 吃饭啦 有时间继续




今天写反激式设计。
反激式开关电源是现在市面上电子消费品中应用最广泛的拓扑。反激式开关电源最适合的功率范围在3-150W之间，可以做成CC模式或者CV模式。代表有适配器，辅助电源，LED驱动等等。


接下来就说一下反激式主拓扑的工作原理以及设计中需要注意的要点。








主回路关键元器件就那几个：输入主电解电容，变压器，开关管，整流二极管，输出电解电容。
先分析一下反激式的基本工作原理。

请参照上图 开关管导通： 变压器初级电流上升，磁心储存能量，次级线圈与初级同名端相反，二极管截至。
初级线圈上面的伏秒积：Vin*Ton
<span style="font-size:14px;">


开关管关，初级线圈没有放电回路，因为电感电流不能突变，线圈感应电动势反转，次级二极管导通，磁芯通过次级二极管放电，输出点解电容对磁芯励磁，磁芯复位。
开关管关断，次级线圈上的伏秒积：n*Vout*Toff
同一个磁芯上 由伏秒积平衡原理：
Vin*Ton=n*Vout*Toff
化简 得到反激式输入输出的关系式：
Vout=(1/n)*((Vin*Ton)/Toff)
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得
Vout=(1/n)(Vin*(D/(1-D)))
上面式子只是对连续模式反激成立，临界或者断续模式需要减去四区，四区时间，次级二极管截止，次级不对磁芯励磁。
观察上面的输入输出关系，我们会发现，决定反激式变压器输入输出关系的参数：
1 占空比。其实占空比是反激式决定输入输出增益的核心。
我们暂且把变比n假设为1，则可以得到：
Vout=Vin*(D/1-D)

D<0.5的时候，Vout

觉得这样讲太没重点了，所谓公式推导和原理性的东西都是抄书的，基本无意义。我认为楼主应该结合实际有所侧重的分析一些碰到的问题和解决问题的方法，比如，你的电源如何过EMC的、比如你如何选择保险丝的、比如你用的二极管是快恢复的还是超快恢复的等等，并说明选用的依据，原理性的东西须结合实际电路验证之，否则很空洞，不知楼主意下如何？

我先回答你的问题

首先你问的问题太大了 你让人家怎么张嘴回答 你太懒了

选择保险丝 第一 电流 第二 熔断时间 第三 I^2*T 第四 材质 （防暴什么什么的） 还有耐压


自己去看规格书 就那几个参数
选择的依据呢 看自己自己的产品规格书 输入电压 电流 防雷等级 半短路测试要求 应该就这几个吧


关于二极管 所谓的 快速 超快速 肖特基 对应的同一个参数就是 反向恢复时间 反向恢复时间越短 二极管就可以跑更高的频率

自己找一个快速 超快速 肖特基的规格书看一下 你注意一下 反向恢复时间 还有寄生电容参数


啥都自己不看 张嘴就问 怎么过EMC。。。。

楼主说的很好，但没办法，初学者总要问些基本问题，包括9楼楼主提及的问题都不太懂，还请楼主一一解答：
问题1：保险丝的选择，除了你提及的，主要想问电流容量是怎么选的？比如楼主你，假如一个50W的电源，反激，如何选定保险丝的电流容量。

I really 服了U 九楼的要是不懂的话 那就对着一条一条百度 那些东西都是基础的
选元器件。保险丝。自起去看安规测试文件。看保险丝规格书。 耐着性子。有些事。非得自己亲自做不可。
人家别人也有事情要忙。人家的时间也是有限的
人呐。要是生出来连吃奶都不会的话。 那你说。谁教他。怎么教
都已经告诉你需要看哪些参数了。你还是自己懒得不去看。让别人帮你做事 那你怎么成长

既然什么都要百度那你发此贴还有什么意义？9楼的问题慢慢再聊。
诚心向你请教，你不回复问题说却说了一大堆不相关的话，安规测试文件有规定什么功率的电源用什么规格保险丝吗？保险丝规格书有规定什么功率的电源用什么保险丝吗？你既来解惑却为何又避而不答？
另外提醒一下，每段后面不要留太多的空行。

对于100-120 VAC系统使用125 Vac保险丝。
对于100-240Vac系统或200-240Vac系统，使用250 VAC保险丝
额定电流应尽可能低，以减少有内部组件故障时发生火灾的危险。最低的额定电流是由3个因素决定的。
另一方法是，估计一下。
有效值电流 = 输出功率 /（最小交流输入电压 * 功率因数 * 效率）
对于有PFC（功率因数控制）的转换器，这对于输入功率>75W的开关电源供应器是必须的，功率因数为0.9或以上。
对于没有PFC转换器，功率因数为0.45或以下。
保险丝额定值必须高于通过保险丝的有效值电流
热启动浪涌电流波形应通过浪涌电流测试仪经试验找出。
然后把这跟保险丝的I^2T值比较，测量值必须较小。


根据电源将被在的地方。保险丝应由一个或多个下列安全代理认证：UL，CSA，TUV，Dentori。

能否通过实例说明
根据：“有效值电流 = 输出功率 /（最小交流输入电压 * 功率因数 * 效率）”
假设：输出功率 50W，最小交流输入电压90Vac，功率因数0.9，效率0.9
则应取多大保险丝？

如何得出1A？总得有些依据吧？
不知楼主如何看？

开机冲击电流有否考虑过？

做开关电源没有用快熔的，所以不会看不见。
我只问你开机冲击电流如何考虑，是不是慢熔保险丝就不用考虑开机冲击电流了？你怎么知道你做的电源开机冲击电流有多大？怎么测试？
输出短路有没有考虑过？

对于慢熔1A的保险，瞬间承受十几A的冲击电流是可以的，冲击电流怎么考虑？你后级接的大电容的容量不一样，冲击电流就不一样。怎么测试楼主现在已经告诉你了，实话我没测试过！
输出短路就不会保护？保护之后输入电流还大？

我也不想和你多讲了，你基本上就没有做过产品。

谢谢大神给我们这些新手的支持，我觉得你本人肯定是性格比较好的。以后有问题实在自己解决不了就打扰你了。

懂就不会问了，我们新手就是不懂才问，问了简单的跟你这样心急的师傅我也是理解，看书只是理论，我只想说我们新手连规格书都不会看，会看就不会再问了。

50W一般情况下不会带有PFC 功率因数达不到0.9

暂且按照功率因数0.9来进行计算

输入电流有效值=50/（90*0.9*0.9）=0.686A

所以输入电流RMS最大为0.686A

可以选取1A档次 耐压125V的保险丝

也要参考公司常用料 结合成本 选取最合适的品牌

开机浪涌测试 需要浪涌仪

浪涌仪内部电容量 至少应该是大电解电容的20被以上

测试时候 需要被测试模块在最高输入电压情况下连续工作一个小时


然后迅速放电至10V以下


接通浪涌仪电源，在浪涌仪输出端串接0.1R的电阻，用示波器检测开机浪涌电流。

浪涌电流必须小于保险丝的I^2*T
浪涌电流工程近似计算








公式为：I^2T = (I1^2 + I2^2 + I1*I2)*T1/3 + (I2^2 + I3^2 + I2*I3)*T2/3

保险丝开关机冲击电流测试
最高输入电压 额定负载 常温下一秒钟开关一次连续10000次
保险丝不得损坏

保险丝扛得住 就说明OK
然后进行雷击测试
具体按照设计要求指标
扛不住 需要更换时间延时保险丝 或者找I^2*T大一些的
其实保险丝的选择 测试经常大于理论计算的
预先估计好了 还需要进行实际测试

有几点还请指点：
为何“50W一般情况下不会带有PFC？
楼主大师怎么看那位"孤星灵月"大师的说的保险丝只需1A的即可？
楼主讲的“浪涌仪” 真还没见过，可否稍微介绍一下？
楼主讲“用示波器检测开机浪涌电流” 可否提供一个波形看看？
雷击测试和保险丝有关吗？
到最后还是没有明白究竟该选多大的保险丝，楼主可否结合你的实际产品说一下你如何选一款保险丝的？

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不要出口污言秽语，从44楼你对Greendot大师的数个回复就看出你不是什么好鸟。
一个保险丝还搞不定搞什么产品？早就看出你的基本知识相当贫乏，什么钽电容是无极性的，测ESR是用信号发生器加示波器之类的胡言乱语，原本想对你9楼的所谓基本知识一一验证，看你恼羞成怒的样子，已无必要了，你尽可放心继续胡说。
口口声声说搞工程的不要多啃理论，但你自己却东拼西凑的在大讲所谓的理论，这些理论中有你自己创新吗？没有！哪本书的理论不比你的胡言乱语强？为何不弄些实测波形来分析？
浪涌本身就就包含雷击。
把你所谓浪涌测试仪拿出来溜溜，不敢吧！开机冲击电流有像你所讲的那样测吗？全是凭想象，请不要误导别人。
对你质疑就是给母校丢脸？
你不必回复，但请你仔细斟酌写下每一句话，不懂得就略过不要不懂装懂。
变压器挡墙在你9楼里说也是基础，你能说说这基础知识吗？
再看看你的谬论“电容充电，电流必须由电源正极，通过电容，流向电源负极” --电流会通过电容正极流向负极吗？
看看你连示波器截个图都只能是用拍照的方式，可见示波器都不会用。
写公式不会借助于word的公式编辑器？再不行装个MathType数学公式编辑器，靠手写太落后。

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又翻到大师了

不好意思有不够文雅。