从零开始制作一个推挽开关电源_推挽硬开关拓扑磁芯饱和-优快云博客

写在前面

笔者也是开关电源新手，第一次做电源，浅浅记录一下，方便后面查阅，也可给其他的新手提供一些帮助，如有不对的地方，还请指出。文中涉及的商家是本次买材料的商家，非广告，仅供参考。

设计目标

输入电压：24V固定
输出电压：数控可调，最大100V
最大输出功率：50W@100Ω
开关频率：30KHz

理论计算

变压器

磁芯的选择

询问了豆包给出的答案是选用PC40铁氧体材质的EE25磁芯，笔者这里选用了这款还有骨架

初级匝数 $N_p$

根据法拉第电磁感应定律计算：

$N_p = \frac{Vdc\times t_{on}}{A_{e}\Delta B}$

其中：

$V_{dc}$ ，单位取伏特（ $V$ ），它是加在变压器两端的电压，由于我们的输入电压是固定的24V，所以 $V_{dc}= 24$
$t_{on}$ ，单位取微秒（ $us$ ）是开关管导通的时间，我们的开关频率 $f=30KHz$ ，因此 $T=\frac{1}{f}=\frac{1}{30KHz}=33.3us$ 同时推挽拓扑的开关管是互补导通的，需要预留一定的死区时间，避免同时导通，所以我们取 $t_{on}=0.8\times \frac{T}{2}=0.8\times \frac{33.3us}{2}=13.32us$
$A_e$ ，单位取平方毫米（ $mm^2$ ）是磁芯的磁通面积，可以在商品界面找到，因此 $A_e=38.4mm^2$
$\Delta B$ 单位取特斯拉（ $T$ ），一般铁氧体的最大磁场感应强度取300 $mT$ ，由于是推挽拓扑，可以取到反向的一边，因此 $\Delta B=2\times 300mT=600mT=0.6T$
因此可以计算出 $N_p = \frac{Vdc\times t_{on}}{A_{e}\Delta B}=\frac{24\times 13.32}{38.4\times 0.6}=13.875\approx 14$ ,匝数向上取整。

次级匝数 $N_s$

因为最大输出电压 $V_{omax}$ 是100V，因为推挽电源是类似于buck的，输入输出电压比等于占空比，当取到最大电压的时候对应占空比最大约等于1，因此大概可以得到 $\frac{N_s}{N_p}=\frac{V_{omax}}{V_{in}}=\frac{100V}{24V}=4.17$ ,所以 $N_s=4.17\times N_p=4.17\times 14=58.38\approx 59$ 同样的向上取整。

初级线材

因为在理想清况下任意时刻都有 $P_{out}=P_{in}$ ,可以考虑一定的效率问题，即有 $P_{out}=0.8\times P_{in}$ ，由于输出的功率最大是50W，同时输入电压固定是24V，所以可以求出输入的电流的有效值 $I_{rms}=\frac{P_{in}}{V_{in}}=\frac{1.25P_{out}}{V_{in}}=\frac{1.25\times50W}{24V}=2.6A$ 。按照经验，导线中的电流密度（ $J$ ）取 $5A/mm^{2}$ ,所以可以求出需要的线材的总的截面积 $S_p=\frac{Irms}{J}=\frac{2.6A}{5A/mm^2}=0.52mm^2$ ，此时的线径 $D=\sqrt{\frac{4\times S_p}{\pi}}=\sqrt{\frac{4\times 0.52}{3.14}}=0.814mm$

由于我们是开关电源，电流在导线中是脉动的，要考虑趋肤效应，因此实际使用的导线的总的截面积是要大于算出的 $0.52mm^2$ 的，也可以使用多股细导线绞成一根来绕制。这里需要考虑穿透深度（ $\Delta$ ）这个参数，可以直接查表获取穿透深度，一般是需要让单根线径小于两倍的穿透深度（ $\Delta$ ）为最佳，也就是说 $D< 2\Delta$ ,上面我们计算出的线径为0.814mm 大于 $2\Delta$ ,是不满足要求的，所以要用多股细的导线绕制。

这里就用两股 $0.3mm^2$ 的绕制初级绕组好了，那么总的线截面积就是 $2\times 0.3mm^2 = 0.6mm^2 > 0.52mm^2$ ,那么 $0.3mm^2$ 对应的线径为 $0.62mm$ 。为了方便先用两股直径0.5mm试试看，应该问题不大。

次级线材

根据能量守恒，变压器前后功率不变，电压比等于匝比，电流则成反比，线截面积和电流成正比，所以，次级选取的线截面积可以是初级的 $\frac{1}{4.17}$ ,即为 $\frac{0.52mm^2}{4.17}=0.124mm^2$ ,对应的线径为0.39mm,为了方便也直接用0.5mm的线绕制。

绕制变压器

使用三明治绕发，不多解释了，成品后面补充

开关管选择

由于是推挽拓扑，MOS的耐压至少是两倍的输入电源电压也就是48V，考虑到可能会有一定的漏感尖峰，就取3倍的电源电压好了，也就是取72V以上。至于Ids的话先往大的取好了，先取个20A以上的好了。逛了一圈淘宝，这颗IRFB4115PBF参数挺好的，150V的耐压，电流可达到恐怖的104A，错错有余了。

输入电容

输入电容按照1000uF/A的标准选取，输入的电流约为2.6A，那么电容就应该取 $1000uF/A\times 2.6A=2600uF$ ，可以使用多个小容值并联来减小ESR，以降低输入的电源纹波。由于输入电压是24V，耐压35V以上也可以，可以选择固态电容，容量大，ESR还小，是个不错的选择。笔者就选两个1000uF的固态电容和一个680uF的固态电容好了，固态电容价格小贵。

输出电容

问了豆包，说选75uF以上即可，耐压选择150V以上。那就直接两个100uF 250V的电解电容给他整上去先试试看。由于固态电容的高耐压的似乎没找着，先电解电容凑合用用看看。

输出电感

在额定负载100Ω的时候功率最大为50W，此时的电流为 $Io=\sqrt{\frac{50W}{100\Omega}}=0.707A$ ,输出的电压为70.7V，对于推挽电路其实和BUCK电路类似，所以选取电感和BUCK电源类似。由于电压是可调的，不好确定电感的工作模式是连续还是断续，那就全用断续模式好了，让最大电流的时候处于临界导通模式，那么此时的电感电流纹波 $\Delta I=2\times I_o=1.414A$ ，同时此时的导通时间取到最大 $t_{on}=13.32us$ ，根据电感电流公式， $\Delta I =\frac{ \Delta U\times t_{on}}{L}$ ,其中 $\Delta U$ 是电感两端的压差， $\Delta t_{on}$ 取 $us$ 得到的结果就是 $uH$ ,所以 $L= \frac{ \Delta U\times t_{on}}{\Delta I}=\frac{(24\times 4.17-70.7)\times 13.32}{1.414}=276uH$ 。额定电流在1A以上即可。笔者这里选了个330uH电流3A的电感，电感稍微大一些电流纹波会小一些，电流3A也是够用了。