【導(dǎo)讀】本篇文章將是從事電源設(shè)計(jì)的童鞋們一個(gè)不錯(cuò)的開(kāi)始，從一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)者角度，對(duì)反激變壓器的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了梳理和分析，這對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)是有很大的價(jià)值的。
反激電源由于體積小、成本低、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，受到設(shè)計(jì)者的追捧。很多初學(xué)者也選擇了反激變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)方面的學(xué)習(xí)起點(diǎn)和研究對(duì)象，但是網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門(mén)且比較零散，本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行從頭到尾的梳理，將零散的知識(shí)進(jìn)行整合，并配上相應(yīng)的分析，幫助大家盡快掌握。
設(shè)計(jì)流程
確認(rèn)基本技術(shù)參數(shù)
溫馨提示：應(yīng)該養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣，不管產(chǎn)品的功率有多么小，技術(shù)多么簡(jiǎn)單，堅(jiān)持為每一個(gè)產(chǎn)品制作出一份詳細(xì)的技術(shù)規(guī)格書(shū)。首先要弄清楚自己是要做一個(gè)什么樣子的產(chǎn)品，這會(huì)讓設(shè)計(jì)思路更加明確，以及如何展開(kāi)下一步的工作。
技術(shù)參數(shù)分兩種：基本的與詳細(xì)的。
基本技術(shù)參數(shù)一般需要列舉的如下(以60W產(chǎn)品為例)：
最小輸入電壓：85VAC；
最大輸入電壓：265VAC；
輸出電壓電流：12V5A(精度1%)；
最低效率：85%；
工作溫度：-25～+60℃；
詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)比較麻煩，根據(jù)不同的情況不同，需要列舉的參數(shù)有多又少。一般包括：輸入輸出特性、保護(hù)特性、安規(guī)、EMC、可靠性、應(yīng)用環(huán)境、產(chǎn)品尺寸、輸入輸出端口定義、產(chǎn)品標(biāo)簽、外殼標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝等等。
輸入輸出特性
輸入電壓范圍、輸入頻率、功率因素、最大輸入電流、沖擊電流、輸出電壓范圍、輸出電流范圍、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、穩(wěn)壓精度、紋波峰峰值、整機(jī)效率、待機(jī)功耗、開(kāi)機(jī)延遲時(shí)間、輸出電壓上升時(shí)間、容性負(fù)載、開(kāi)關(guān)機(jī)過(guò)沖幅度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅度、以及最小啟動(dòng)電壓。
保護(hù)特性
輸入欠壓保護(hù)點(diǎn)、輸入欠壓恢復(fù)點(diǎn)、輸入過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)、輸入過(guò)壓恢復(fù)點(diǎn)、輸出過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)、輸出短路保護(hù)方式、過(guò)溫保護(hù)點(diǎn)、過(guò)溫恢復(fù)點(diǎn)。
溫馨提示：對(duì)于一些非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如果不清楚該列舉那些參數(shù)，建議參考競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品資料或者行業(yè)內(nèi)最有影響力的供應(yīng)商。如果這些資料都沒(méi)有，就盡量向標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)靠近。
設(shè)計(jì)思路（制定設(shè)計(jì)方案與參考計(jì)算）
根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格找出設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決措施
溫馨提示：如果你想最大程度的避免失敗。設(shè)計(jì)方案應(yīng)該在立項(xiàng)初期就經(jīng)過(guò)廣泛的內(nèi)部討論，到底選用什么方案（如特別功率器件、電容、芯片），多聽(tīng)取周?chē)说囊庖?jiàn)，久而久之一定受益匪淺。因?yàn)榱㈨?xiàng)前期一般是非正式討論，如果是新手，一定要避免占用別人過(guò)多的時(shí)間。
開(kāi)關(guān)芯片選哪家的？EMI電路如何配置？輸入電容取多少？開(kāi)關(guān)頻率？MOS如何選？二極管？磁芯？輸出電容？好多人在這一步不知如何往下走，下一步將重點(diǎn)分析。
12V5A，通用輸入，標(biāo)準(zhǔn)的配置就是8N60+MBR20100。
需要注意的是，這個(gè)參數(shù)不是“算”出來(lái)的，因?yàn)橛?jì)算值跟實(shí)際情況往往差別非常大，有很大的“彈性”。針對(duì)如何選型，首先要考慮的是公司倉(cāng)庫(kù)里有什么，能不能用到。設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該是設(shè)計(jì)的變壓器參數(shù)（電壓電流應(yīng)力等）來(lái)滿足這些元器件的參數(shù)。而不是先設(shè)計(jì)好變壓器，再去尋找半導(dǎo)體元器件，實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程和教材上說(shuō)的是不一樣的。所以，首先要考慮到的是公司目前有沒(méi)有合適的物料。不管是工模電感、半導(dǎo)體，還是電解電容，優(yōu)先采用庫(kù)存物料會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期和減少各種不確定的因素。
因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，物料選型的第二個(gè)原則是：競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手選什么。或者是整個(gè)行業(yè)目前的“流行趨勢(shì)”，也可以理解為大家都這么干。有時(shí)候行業(yè)“默認(rèn)”的做法比第一條原則還要重要。舉個(gè)例子，相當(dāng)一部分工業(yè)產(chǎn)品“不認(rèn)可”400V的電解電容，都是450V的，也有部分廠家不認(rèn)可國(guó)產(chǎn)的。再例如，PC電源里面的輸入輸出電容、磁芯等永遠(yuǎn)都是那么小!但是這不意味著人家是偷工減料，那個(gè)行業(yè)都是那樣，不然電腦怎么會(huì)那么便宜。中小功率產(chǎn)品絕大部分都是600V的MOS，12V輸出大部分都是100V的二極管等等...
物料（參數(shù)）選型的第三個(gè)原則，就是查閱半導(dǎo)體公司提供的各種應(yīng)用文檔、評(píng)估板、設(shè)計(jì)手冊(cè)等等。TI、ON、Fairchild、PI、ST、Infineon都有大把技術(shù)文章，而且現(xiàn)在比起前幾年要“友好”很多，都還是中文的，不看可惜了。物料選型時(shí)求助于網(wǎng)路，效率應(yīng)該是最低的。
對(duì)于60W這個(gè)級(jí)別的開(kāi)關(guān)電源，我們可以采用下面三種輸入電路，修改若干參數(shù)后，前面兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在300W以下應(yīng)該沒(méi)有什么問(wèn)題（需要考慮防雷的場(chǎng)合，輸入端還要加強(qiáng)）。仔細(xì)察看這三種結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)現(xiàn)他們有所相同也有所不同，最大的區(qū)別在共模電感配置這一塊。
圖1
注：不管有沒(méi)有強(qiáng)制要求，不管PCB板進(jìn)出線是端子連接還是導(dǎo)線連接，請(qǐng)給L、N、PE等端口做好清晰、正確的絲印。
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先從輸入電路①開(kāi)始，從頭至尾來(lái)講一下。
輸入濾波電路也很難進(jìn)行精確計(jì)算。某些看起來(lái)并不太科學(xué)(或者并不流行)的設(shè)計(jì)思路，很多時(shí)候往往會(huì)非常有用。
圖2
F1：保險(xiǎn)管的壽命受輸入浪涌電壓和浪涌電流的雙重影響，應(yīng)該盡可能采用慢恢復(fù)型保險(xiǎn)管，一般是按照最大輸入電流的兩至三倍選取。AC輸入時(shí)，浪涌電壓的影響可能要嚴(yán)重些。電池輸入(低壓)，如果輸入端抑制不足，浪涌電流對(duì)保險(xiǎn)管的影響可能要嚴(yán)重些。AC輸入時(shí)，在工業(yè)場(chǎng)合，浪涌電壓也遠(yuǎn)比民用場(chǎng)合嚴(yán)重，這時(shí)防雷器件(參數(shù)及結(jié)構(gòu)配置)的設(shè)計(jì)對(duì)保險(xiǎn)管的影響尤其突出，必要時(shí)還要采用雙(三)保險(xiǎn)。相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程可以參考專(zhuān)門(mén)針對(duì)防雷電路、浪涌電流抑制電路的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)。單保險(xiǎn)管要接在L線上，且玻璃管引線封裝最好增加一層熱縮套管，并且在PCB板上標(biāo)明容量。
RT1：熱敏電阻的主要作用是抑制輸入浪涌電流，RT1過(guò)大，發(fā)熱嚴(yán)重。RT1過(guò)小，可能會(huì)影響到保險(xiǎn)管和輸入電解電容的壽命。輸入沖擊電流一般是硬性指標(biāo)，選擇RT1時(shí)一定要仔細(xì)的核實(shí)最大沖擊電流限制值，如果沒(méi)有給出這項(xiàng)要求，可以參考同等功率級(jí)別的其他類(lèi)型產(chǎn)品。在全密封條件下，RT的發(fā)熱可能會(huì)非常嚴(yán)重。另外，如果產(chǎn)品要求低溫啟動(dòng)測(cè)試，RT阻值會(huì)變得相當(dāng)大，很可能導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法正常起機(jī)。
X電容：60W的產(chǎn)品，采用0.47uF的X電容，比較保險(xiǎn)。換句話說(shuō)，30W的產(chǎn)品，應(yīng)該采用0.22uFX電容，120W的產(chǎn)品采用1uF的X電容。盡管這種方法沒(méi)有什么科學(xué)依據(jù)，但是確實(shí)屢試不爽。如果喜歡比較有挑戰(zhàn)性的工作，那就另當(dāng)別論了。X電容與Y電容不同，X電容容量大一點(diǎn)也不會(huì)讓其他地方變得更加惡劣。在成本不是主要因素的情況下，對(duì)自己好一點(diǎn)，多留條活路。另外，在圖2中，絕大部分人并不認(rèn)可C4作用，此處存在了很大爭(zhēng)議性。
Y電容：Y電容的配置有兩個(gè)的，也有四個(gè)的；有102的，也有222、472的，有串磁珠的，也有串電阻的，只要EMI都能過(guò)，只要泄露電流沒(méi)超就都OK。總之五花八門(mén)，千奇百怪。這也反映出人們內(nèi)心對(duì)于Y電容充滿深深的恐懼。其實(shí)Y電容并沒(méi)有錯(cuò)，性能也較為優(yōu)良，罪魁禍?zhǔn)锥荚谟诖判圆牧?共模電感、變壓器)及接地方式，后續(xù)分析。
MOV1：壓敏電阻的計(jì)算方式并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一旦對(duì)實(shí)際情況估算錯(cuò)誤(擊穿電壓偏低)，反而會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成嚴(yán)重的危害。在防雷要求不高的民用產(chǎn)品中，一般采用14K471居多，工業(yè)場(chǎng)合一般都在500V以上，如14K511，14K561等等。如果你不了解產(chǎn)品的真實(shí)用電環(huán)境(非居民小區(qū)用電)，要盡量避免使用500V以下的壓敏電阻。不同的行業(yè)，采取的防雷措施不盡相同，這一點(diǎn)一定要認(rèn)真仔細(xì)的研究，特別是與多個(gè)保險(xiǎn)管的配置方面。另外，配置防雷管后，耐壓測(cè)試時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，這也是讓人頭痛的問(wèn)題。MOV1需要增加熱縮套管。
DB1：小功率產(chǎn)品，選型比較簡(jiǎn)單。從散熱的角度考慮，寬范圍60W產(chǎn)品，整流器的最低規(guī)格不應(yīng)該低于2A。在成本不苛刻的條件下，一般采用4A即可。
對(duì)于某些特殊場(chǎng)合，如存在瞬態(tài)高浪涌電壓，整流器的規(guī)格應(yīng)該進(jìn)一步增大。有種情況很少見(jiàn)(但確實(shí)有存在)，有部分工程師選擇輸入電解電容時(shí)，會(huì)選擇超大的容量(可能是量不大，又是自家用)，而浪涌抑制(熱敏)電阻的規(guī)格卻特別小。這時(shí)候強(qiáng)大的沖擊電流會(huì)對(duì)保險(xiǎn)管和整流器形成致命的威脅。專(zhuān)業(yè)的電源制造公司不會(huì)出現(xiàn)這種情況，而非專(zhuān)業(yè)制造商，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)配套產(chǎn)品時(shí)，由于開(kāi)發(fā)人員經(jīng)驗(yàn)不足，又缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試規(guī)范，而忽略這些潛在的隱患。
共模電感：上面分別給出了三種配置：
方案①，這種配置比較多。我們經(jīng)常看到的情況是：前級(jí)一個(gè)￠8～￠16的小磁環(huán)(30～1000uH)，后級(jí)采用一個(gè)￠20～￠25的大磁環(huán)(15～30mH)，前級(jí)作用在高頻，后級(jí)低頻，高低搭配剛好合適。
方案②，這種情況也較為常見(jiàn)，前后兩個(gè)一模一樣的共模線圈，非常美觀。采用這種配置時(shí)，為了保證較好的濾波效果(降低分布電容)，每一級(jí)的電感量(匝數(shù))不能太高。這樣不僅會(huì)降低共模電感的分布電容，繞制工藝也會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且美觀，就是成本較高。
方案③，一般對(duì)EMI要求較低的產(chǎn)品較多使用，低成本EE型共模電感最為常見(jiàn)。部分對(duì)成本要求苛刻的產(chǎn)品中，不少人也會(huì)采用單個(gè)￠18～25左右的磁環(huán)來(lái)設(shè)計(jì)，這需要開(kāi)發(fā)人員具備足夠的經(jīng)驗(yàn)及技巧。共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對(duì)濾波效果影響較大，而且EMI濾波元件配置與整機(jī)結(jié)構(gòu)也有很大的關(guān)系。很多人不知道如何去計(jì)算共模電感值，下面是一種參考方法(適用于中小功率)。
100KHZ------30mH
1.0MHZ------3.0mH
10MHZ-------300uH
100MHZ------30uH
5.0MHZ------600uH
30MHZ-------100uH
在傳導(dǎo)測(cè)試時(shí)，3*F、1MHZ、5MHZ、20～30MHZ這四個(gè)點(diǎn)容易出問(wèn)題。
注：
1、這種方法，只具有規(guī)律性，而沒(méi)有科學(xué)性；
2、共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對(duì)其濾波效果影響非常大；
3、共模電感不會(huì)飽和(對(duì)稱(chēng)繞制)，但會(huì)產(chǎn)生較高的浪涌電壓；
4、共模磁環(huán)，最好只繞兩層，在磁環(huán)繞制工藝方面建議多下點(diǎn)功夫；
5、共模濾波的設(shè)計(jì)原則是如何讓其更有效；
壓敏電阻的計(jì)算需要考慮到輸入阻抗(熱敏電阻、差模電感、共模電感)、保險(xiǎn)管容量、CIN大小等等多種因素。(特別是很多產(chǎn)品的保險(xiǎn)管并不是單純的熔絲，而且壓敏電阻也并不一定是剛好在FUSE之后。而且L-N與L、N-PE測(cè)試時(shí)，需要分別考慮其影響。)
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EMC中的四級(jí)只是一個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)辦法去量化計(jì)算，符不符合要求，應(yīng)該取決于以下四點(diǎn)：
1、輸出電壓有沒(méi)有跌落(保護(hù))現(xiàn)象；
2、產(chǎn)品會(huì)不會(huì)損壞；
3、保險(xiǎn)管是否存在嚴(yán)重的損傷；
4、共模電感的飛弧控制措施；
Cin、Vacmin、Vdcmin之間的秘密
85～265VAC輸入，12V5A輸出。
①現(xiàn)實(shí)情況：選擇100uF/400V的電解電容，估計(jì)不會(huì)引起太大爭(zhēng)議。
②3uF/W法則：3uF﹡60W=180uF，考慮到效率因素，選擇220uF。
由于Ton、Ae、Bac都可以輕松計(jì)算出來(lái)(如果定義為已知量)，那么，Np的大小，完全是由Vdcmin決定的。很明顯，此時(shí)Vdcmin也決定了LP的大小。而很多人的計(jì)算流程關(guān)于Vdcmin的描述比較簡(jiǎn)單，估計(jì)是受教科書(shū)的影響，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是沒(méi)有真正理解。
假設(shè)環(huán)境溫度25℃，60W輸出，85%的效率，Vdcmin計(jì)算值如下：
(Vdcmin受多種因素影響，下面的數(shù)據(jù)是采用PI公司的電子數(shù)據(jù)表格計(jì)算出來(lái)的，僅供參考)
經(jīng)典、權(quán)威教材無(wú)一例外的提到：Vdcmin=Vacmin﹡1.414，實(shí)際情況并非如此，那么問(wèn)題出在哪里？可以肯定的是，這些教材在Vdcmin計(jì)算問(wèn)題上，犯錯(cuò)的可能性較小。好多人設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，不假思索的引用Vac*1.414，而從來(lái)不顧慮到Cin容量的大小。
Vdcmin=Vacmin﹡1.414
成立的前提條件是------必須定義合理的紋波電壓百分比。(紋波電壓百分比=Vdcmax-Vdcmin/Vdcmax；Vdcmax=Vacmin*1.414)
換句話稅，Cin必須滿足Vdcmin，否則公式不成立。這也是Cin在寬范圍輸入時(shí)選取3uF/W，窄范圍輸入選取1uF/W的由來(lái)。說(shuō)句題外話，很多12V5A的適配器，采用100uF的電解電容，但是其輸入電壓范圍卻是100～265VAC，會(huì)是這個(gè)原因嗎？
Cin選取法則：
1、寬范圍輸入3uF/W，窄范圍輸入1uF/W；
2、寬范圍輸入，確保紋波電壓不高于15%(即保證Vdcmin≈100V)；
窄范圍輸入，確保紋波電壓不高于20%(即保證Vdcmin≈200V)；
3、如果Vdcmin不足，增大Cin容量，直至紋波電壓滿足要求；
4、如果考慮到壽命因素，Cin需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大；
5、Cin的容量受低溫的影響非常明顯，此時(shí)Cin需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大；
6、Cin也有紋波電流限制的要求，但關(guān)注較少。
7、如果不曉得如何計(jì)算Vdcmin，也沒(méi)有安裝軟件，那就拿起示波器去實(shí)測(cè)吧!要求低溫工作時(shí)，更應(yīng)該如此。
