原帖自述

逆向思维设计开关直流电源，采用与一般教科书相反的设计思路，重要的是思想。

模块化设计开关直流电源，全方位精确计算主直流电源电路设计模块、控制直流电源电路设计模块、环路模块、EMI模块。

以反激为例，采用mathcad软件全面精确计算，如何最优化设计之？

你是喜欢花较多时间坐在电脑前设计开关直流电源参数，然后仅仅花少量时间坐在实验桌前调试开关直流电源？

还是喜欢反之？

相信更多人喜欢前者，我也是如此。

其实90%的直流电源设计都可以在电脑前完成，而在实验桌前需要完成的只是仅占10%的直流电源设计。

接下来将以一款反激直流电源为例，揭示如果精确计算开关直流电源的每一个器件参数，以及如何最优化设计开关直流电源。

将要设计的直流电源指标为：

输入：交流90-264V，50Hz

输出：24V3.5A，8V1.2A

以下分别计算主直流电源电路设计、控制直流电源电路设计、环路、EMI，以确定所有器件参数。

首先计算主直流电源电路设计参数：

根据直流电源指标：

1、输入直流电源电压：Ui=90-264V

2、输入频率：fi=50Hz

3、输出直流电源电压：Uo=24V, 8V

4、输出直流电源电流：Io=3.5A, 1.2A

计算：

1、输出电阻：Ro=Uo/Io

2、输出功率：Po=Uo*Io

假定效率η=85%，计算：

3、输入功率：Pi=Po/η

采用mathcad软件可自动计算，将繁琐的计算任务交给电脑处理，则以上计算如下图所示：

主直流电源电路设计分2部分：

1、AC-DC直流电源整流部分，即输入交流直流电源电压Ui-母线直流电源电压Ug部分；

2、DC直流电源-DC直流电源部分，即母线直流电源电压Ug-输出直流电源电压Uo部分。

AC-DC直流电源部分：首先要确定母线电解电容的容值。

这个怎么选？有些人会根据经验选择输出功率的3倍作为容值，比如输出30W，就选100uF的电容（30*3=90uF）。这样选择，误差较大，而且仅适合全输入直流电源电压范围的直流电源，如果不是全输入直流电源电压范围，就无参考意义。

这里根据等效原理图来计算如何选择，如下图：

1、整流桥导通区：当输入直流电源电流大于0A时，即ii>0A时，输入直流电源电压源通过D1、D2（负半周为D3、D4）给电容C充电，同时给恒功率负载供电，所以ug=|ui|=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t)；

2、整流桥截至区：当输入直流电源电压的绝对值小于母线直流电源电压时，即|ui|<ug，电容C放电，给恒功率负载供电，所以ic=C*dug/dt即ug=ug0+(1/C)*∫ic*dt。

具体计算过程如下：

1、假定C的容值；

2、计算由导通区转为截至区的时刻t0（即输入直流电源电流=0A的时刻）与此时刻的ug（ug0），根据方程：ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug=0A；

3、计算截至区的时间△t=t1-t0与t1时刻的ug（ug1），根据方程：

0.5*C*(ug1^2-ug0^2)=Pi*△t；其中ug1=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t1)；

4、根据母线波谷直流电源电压ug1与纹波直流电源电压△ug=2^0.5*Ui-ug1，判断所选C是否合适。

示意波形图如下，示意波形图取自saber软件：

母线波谷直流电源电压ug1过小，会导致占空比变化过大，使直流电源无法正常工作。

母线纹波直流电源电压△ug过大，会导致输出直流电源电压纹波过大。

而反之，则需要使用更大容量的电解电容，导致直流电源成本上升。

综上，需要折衷考虑。

以上计算的mathcad计算过程如下图所示：

如果将容值Cp改变，mathcad会自动计算，所得结果△ug可能就过大而不合适，或过小而造成浪费。

比如改小CP=100uF如下图，可以看到ug1=49V太小而不合适。

将导通区与截至区的直流电源电压波形统一，即得到mathcad如下图形。

并且计算了一个工频周期里的平均值，作为后续计算损耗的计算值。

并根据母线直流电源电压波形，计算输入直流电源电流ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug；

作为后续输入保险等的选择依据。

AC-DC直流电源部分：确定输入保险丝的直流电源电流值。

根据上文计算的输入直流电源电流ii，计算i2t值作为参考，以及选用合适额定直流电源电流的保险丝，看是否满足直流电源电流降额。

mathcad计算过程如下：

AC-DC直流电源部分：如何确定输入热敏电阻。

热敏电阻的作用是抑制直流电源冷启动时的输入冲击直流电源电流。

以下分别计算稳态损耗、温升，启动瞬态输入冲击直流电源电流。

假定所选热敏电阻如下所示：

稳态部分计算如下：

1、根据器件资料的最大直流电源电流电阻值R，计算功耗P=I^2*R

2、再根据器件资料的耗散系数δ，计算温升ΔT=P/δ

mathcad计算过程如下：

根据计算结果，直流电源电流、损耗、温升，看所选的热敏电阻是否合适？要求是要满足一定的降额，但也不能太多以防止浪费成本。

暂态部分等效直流电源电路设计图如下：

1、整流桥导通区：直流电源冷启动瞬间，整流桥导通，交流直流电源电压源通过整流桥D1、D2（负半周为D3、D4）给母线电解电容充电；因此是一个强迫交流直流电源电压源给一阶RC直流电源电路设计充电。

2、整流桥截至区：由于直流电源还没有软启动，因此负载为空载，母线电解电容直流电源电压保持不变。

1、整流桥导通区：(ui-ug)/R=C*dug/dt，其中ui=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*fi*t+ф)，因为冷启动时的初始相位相位不定，所以理论上要考虑所有情况。

这是一阶RC直流电源电路设计，所以根据三要素法解微分方程，其解为：

ug=ug(s)+[ug(0)-ug(∞)]*e^(-t/τ)，其中ug(s)为稳态解，即ug(s)=ui(s)*[(1/sC)/(R+sC)]，并写成时域正弦波的形式。

2、整流桥截至区：ug保持不变。

以上取15度初始相位的示意波形图如下，示意波形图取自saber软件：

输入直流电源电流波形如上图：

1、整流桥导通区：i=(ui-ug)/R；

2、整流桥截止区：i=0A；

根据直流电源电流波形可以计算冷启动最大直流电源电流值和I2T，并判断所取热敏电阻是否合适。

暂态部分的mathcad计算如下：此处采用90度初始相位。

母线电解电容直流电源电压波形：

冷启动输入直流电源电流波形：

根据直流电源电流波形计算的冷启动最大输入直流电源电流与I2T：

这里贴上0度初始相位时的计算波形，可以作为对比：

从这里可以看出不同的初始相位，最大输入冲击直流电源电流和I2T会有很大不同，而这仅仅依靠实验是不一定能测出来的，因为实验时，初始相位不一定刚刚好是你需要的相位。

AC-DC直流电源部分：如何确定整流桥

这部分内容比较简单，只要简单计算一下：正向平均值直流电源电流I、功耗P=VF*I，再计算下结壳温升就可以了。

mathcad计算过程如下所示：

AC-DC直流电源部分：确定输入共模电感，分5部分。

1、磁芯的选择；

2、假定匝数，计算共模电感量，看其是否满足后续EMI的要求；

3、假定线圈直径与并饶数，计算直流电源电流密度，看其是否合适；

4、根据所选磁芯骨架和匝数，计算共模电感的差模分量，也即漏感；

5、计算共模电感的铜损。