开关电源的各种保护

开关电源输出过压保护电路有有通过控制自身电源来调节的，也有防止外部电压过高带来的电源损伤，自身调节一般是指，过压电路是在反馈环路出现问题的时候，控制输出电压不至于太高，或者是关闭开关电源控制，来避免输出电解电容与后级的用电设备损坏。那我们就要知道当过压了，是限制电压不要超过一个电压还是要求关闭电源。只有知道了要求后，那么就根据要求来设计电路。

图1是输出保护电路的一种，这种电路应用非常多，他是用TL431与光耦的搭配，靠光耦的导通来控制原边的控制芯片停机，实现过于保护，的他的好处是过压保护电压精度高，一般应用到后级需要严格控制电源的电源。他的成本是比较高的。

图2也是一种输出保护电路，这种电路就是在上一个电路的基础上进行了变动，原理是本来利用TL431来检测输出电压的电路改成了一个稳压管，稳压管的精度是没有TL431高的，但是价格比TL431便宜，这也就是他的优势，缺点是他的精度不高，对于这种电路一般应用在没有要求具体多少电压过压的电源，就是在出现过压的时候起到一个保护电解电容的作用，不至于电解电容坏。

上面的两种方法，我们一直看到有一个光耦的存在，这是应为我们的电源是隔离的原因，但是光耦的价格也是不便宜的。

如果不需要过压精度很高，那么我们是不是可以想办法吧光耦去除，而且是能检测输出电压的办法，是不是最好了，

那有什么好的办法了，隔离不用光耦，我们是不是就想到用互感器等磁芯器件，但是这又违背了价格便宜的问题，最好是在不增加其他器件的基础上就能实现过压保护功能。

隔离电源我们都会有一个隔离变压器，这是每一个开关电源都有的，那么我们是不是可以利用这一个开关变压器来实现，我们知道电源是有VCC绕组，我们能不能用VCC绕组来实现过压保护了，肯定是可以的，只是精度与一致性不好，但是价格便宜，如果在你的接受范围内的话，是不是很好。那么就有了下面的电路图，下面Latch脚是芯片检测过压的脚。

上面的三种电路都是对于电源自身反馈环路有问题的时才有作用，那要是输出电压被外电压强制提高怎么办了,很多的时候就想到了，看下面的图，是不是增加了一个TVS，这一个TVS只能够钳位过压非常断的时间，要是长时间的，可能会坏，但是他的价格便宜。   

为了防止过压时间长，我可以通过下面的电路来防止电源被外电压过压损坏，这一个电路的作用就把输出电压与外界电压用二极管隔离开，我们可以给外部供电，但是外部电进不来，但是带来其他的问题，二极管上面是有正向压降的，通过一定电路后会有损耗，通常VF与电流温度有关，那么输出电压精度不高。为了解决和一个问题，很多时候用MOS管替代，用MOS替代就带来了一堆的驱动电路，这样增加了电路的复杂性也增加了成本。如果于与输出电流不大，要求精度不高的可以就用二极管。

压敏电阻应用1

从上图看471KD10与471KD20的数据来比较，我们可以看出允许的最大交流与直流电压都相同，但是最大的钳位电压上面我们可以看出KD10的与KD20通过的电流时25A与100A，这说明我们在同一个电路上，打同一等级的雷击浪涌时，KD10的钳位电压要比KD20的高。  

从这些数据来看的话，我们在做雷击实验的时候要是不过的话，可以选择大一号的压敏电阻，这样我们的产品要安全的多。有时可以并联一个同一型号的压敏电阻也可以降低钳位电压，从而达到很好的保护我们的产品。

变压器的制作

电源的变压器设计好后，大部分的工程师都会试绕下，看具体的设计是不是合理，因为变压器还是有很大一部分是结构上面的问题，变压器绕制的时候就需要注意一些事项首先就是我们的骨架的确定，用什么样的磁芯骨架对于变压器的绕组是有很大的不同，比如相同的AP，有磁芯的横截面积Ae小的但是绕线空间Aw比较大，也可以选择Ae值大的，绕线空间相对来说小的。

确定好磁芯与骨架后，就可以计算原副边圈数，然后根据线圈上通过的有效值电流来计算所以用的绕线的横截面积，这里计算出来的绕线的直径只是导线纯铜的横截面积，我们的变压绕线用的线有漆包线、多股线、三层绝缘线、丝包线、铜箔等。我们在绕制变压器的时候对于线的选择是需要注意：

1：漆包线是一种铜线外面包有一层比较薄油漆叫电器绝缘层，它里面含有油料、树脂、颜料、填料和溶剂等。为了达到电器绝缘的要求，电器绝缘漆的膜层结构不同于一般油漆，它的电阻系数大，导热性能好，并且有坚固的机械性能和良好的抗潮性，有一定的耐压耐温度作用，我绕制变压的时候圈数是紧密靠在一起的。

2、多股线是由多跟漆包线组合而成，一般单根的直径是0.1mm的线，然后有多股，比如50股0.1mm的线绞合在一起，这样的线一般是用来减少集肤效应，当单根小直径超过0.5mm以后，就不是很建议用单根线了，一般都用多股线，多股线与漆包线没有什么区别。

3、丝包线是指在导线或漆包绞合线外面包一层天然丝或纤维丝(尼龙、聚酯纤维、天然丝、自粘丝等)做绝缘层而制成的电磁线，丝包线的绝缘程度要比多股线好。

4、三层绝缘线三重绝缘线是一种高性能绝缘导线，其有三层绝缘材料，中间是导线芯；最外层是透明的玻璃纤维，中间层是喷漆涂层；最内层是被国外市场称之为“黄金薄膜”的一厚度仅仅几微米的聚酰胺薄膜，但是却可以承受3KV的脉冲高压。绝缘材料的总厚度不超过100μm。所以我们在计算变压器的时候，如果要使用三重绝缘线，一般把外径加上0.2mm。

5、铜箔一般都是输出大电流的时候应用，一般选择铜箔的时候需要选择铜箔的宽度与厚度，铜箔在宽度是根据磁芯骨架来选择，然后根据需要截面积计算厚度。

当我知道线材后，在选择线的时候根据需要选择合适的线径，在就是根据安规要求，是选择挡墙还是选择一边绕组用三层绝缘下，用三层绝缘线的成本高，但是少了绕挡墙的工时，这样减少了绕线的工序，如果原副边都用漆包线，就需要加挡墙。

加挡墙的工艺里面需要注意，每绕一次挡墙的厚度都需要与绕的绕组厚度一样，当绕完一个绕组后，再根据需要加层间绝缘胶带，然后再加下一个绕组的挡墙，一般原边绕组与副边绕组需要6mm爬电距离，也就是原边绕组加3mm挡墙，副边绕组也要加3mm的挡墙。

绕线在绕组的过程中需要注意一般是紧密绕制，如果不能绕满一层的需要均匀分布，这样有利于下面一个绕组的绕制，绕制的过程中不能有重叠绕制与绕线绕到挡墙上面的。

这是避绕组拉伤与浪费绕线空间的原因。如果是绕到挡墙上面，这样原副边的安规就不够了。

因为绕制的过程中，胶带不一定是平整的，所以绝缘胶带的宽度一定要大于骨架的骨槽宽度0.5mm，然后是在自作的过程中挂脚需要注意，绕组在挂到脚位上之前，需要套一根套管，这跟套管一般都是铁氟龙套管，大小以刚好能套住绕线为好，这样可以减小绕线空间，对于套管的位置需要注意看图二，在绕线的过程中不要出现图二中的B、C两种现象。

变压绕线绕好后就是组装磁芯了，在组装磁芯前需要开气隙来控制感量，对开气隙一般有叠气隙，还有磨气隙两种，一般工程师自己做样品都是叠气隙，这是因为没有专业的设备，如果是产品还是尽量磨气隙为好，按经验来说磨气隙的EMI会好点，叠气隙的差点，但是叠气隙的效率会高点，叠气隙所用的材料一般用绕变压用的层间绝缘胶带，这里特别注意不能用挡墙胶带。当气隙调整好后就是组装了，组装的时候磁芯需要对接好后然按紧后用胶带固定，固定也是用黄胶带，一般需要2-3层，然后再测下电器参数与安规，测试完全后整个变压器就制作完成了。

反激变压器磁芯的选择

反激电源的变压器设计时候当原边感量计算好以后，这个时候就需要选择磁芯，然后计算圈数了，磁芯的选择对于大部的工程师都靠经验去选取的，当然可以在网上找到很多的关于多少功率与开关频率所对应的磁芯，但是有很多的工程师可能会看到一些书上面用的Ap法去计算变压。

很多刚学做电源的工程，对于Ap法是非常感兴趣的，下面我们就基于Ap法是怎么来的进行推导下。

首先Ap法就是根据磁芯的横截面积Ae与绕线的窗口面积Aw来计算的，AP=AeXAw，对于磁芯的横截面积Ae与绕线窗口面积Aw是可以在磁芯规格书里面查到的。有很多的磁芯规格书也是直接给出Ap值的，

首先反激变压器是根据临界模式来计算的，我们以最大功率最小输入电压时变压器工作在临界模式来计算的。

变压器原边峰值电流Ipk

原边圈数Np     副边圈数Ns

Ip_rms为原边绕组的有效值电流

Is_rms为副边绕组的有效值电流

J绕组电流密度6A/mm^2      Vor反射电压

Kw为磁芯绕线窗口的利用率0.4

原边绕组占用的窗口面积

副边绕组占用的窗口面积

整个变压器Aw=Awp+Aws

那么这里需要计算出来原边的Np、Ns、Ip_rms、Is_rms

计算出来了Np、Ns、Ip_rms、Is_rms后，我们就可以计算原边绕组与副边绕组所占用的窗口面积Aw

把上面的Np、Ns、Ip_rms、Is_rm代入到下面的公式。

代入后得到了公式

又因为

化解后得到下面公式

因为变压器在绕组的过程中，会有挡墙，绝缘胶带，线与线之间的空隙等，我们磁芯的窗口利用率是不能到100%，根据的部分工程师的经验，一般磁芯的窗口利用率为0.4左右，我们这里选择Kw=0.4

那么实际的Aw1=Aw÷0.4

知道了Aw后，就是需要计算Ap了，Ap=Aw×Ae

上面就计算出来了Ap的值了，Kw，Bmax，J都是固定值，所以不同的功率Pin与开关频率fs，去值不同的Dmax等有关系，占空比如果在最低输入电压的时候可以选择0.5左右，

代入到Ap里面可以计算出来实际的Ap法

从上面的公式里面可以得出，功率越的磁芯选择越大，频率越大，磁芯的选择越小。

根据上面的公式计算出来了Ap后再去选择所对应的磁芯。

确定好磁芯后，根据磁芯的横截面积Ae值，可以计算出来变压器的圈数

开关电源反馈光耦的选择

光耦在开关电源中应用非常的常见，它是起到一个原副边的信号传输，并且能有效隔离原副边的元器件，当然能传递信号并且有隔离作用的元器件很多，但光耦是一个价格便宜并且外围电路简单的特点，因为要隔离原副边，所以一般开关电源中的光耦的耐压是要选择5000V（有效值）。

光耦首先是分线性光耦与非线性光耦，在我们开关电源中做反馈用的光耦是线性光耦，比如PC817,对于PC817的话，有A档、B档、C档、D档之分

这些档位其实是根据CTR(传输比)来分类的。

CTR是描述光耦控制特性的参数，也就是副边的Ic电流与原边的输入IF电流的百分比。

具体的参数见下面的表格：

从上面的表格来看，每一个档位的CTR都是在一定范围内的，比如A档是80%-160%，这个范围的变化是根据不同的IF电流所得来的，根据PC817A的规格书，我们能看到一个关于IF电流与传输比的曲线图。他的传输比是随电流IF变化而变化的,最大的传输比是在10-20mA之间的电流，而开关电源的反馈电流一般是非常小的。一般都是在1-2mA之内。

那么我们在设计开关电源的时候要先确定好光耦IC的电流，一般IC电流是芯片的FB脚所能流出的最大电流，下面我们来实际计算下。

如下面的图，典型的TL431+PC817 的应用图。

光耦的CTR与R1、R2、R3怎么去选取。

首先要确定好Fb脚的最大的IC电流，假设IC最大电流是1mA，Vo是5V，因为光耦的发光二极的Vf压降一般是1-1.4V之间，R3的作用是在光耦没有导通的时候需要给TL431提供一个1mA的启动电流，所以R3的电阻的选取是Vf除TL431的启动电流  1V÷1mA=1K，当Fb脚需要流过最大电流的时候，光耦原边二极管上面需要的电流If就是IC/CTR=If，那么这里的CTR是一个范围，而不是一个非常准确的数字，比如我们用PC817A，CTR是80%-160%，所以说在计算的时候要用最小的CTR  80%去计算。

根据传输比的定义CTR= Ic÷If，If=IC÷CTR=1mA÷80%=1.25mA，又因为光耦的传输比 80%与160%是在25℃环境温度下的参数，而光耦在不同温度下面CTR是变化的，看下面温度与传输比的曲线图，当光耦温度到100℃的时候CTR只有原来的60%，也就是25℃的时候CTR是80%，到100℃的时候变成了80%×60%=48%。

那么根据最高温度100℃的传输比来计算上面的If=IC÷CTR=1mA÷48%≈2.1mA了，在实际计算的时候还要流有一定的余量，所以根据上面的计算的话，我们If电流要大于2.1mA，一般是计算值的1.3-1.5倍电流就可以了，我们假设1.3倍的电流，2.1mA×1.3=2.73mA。

根据上面的计算，我们光耦的原边的电流最大是2.73mA，然后我们在去看光耦在100℃下面的最大If电流，如果下面的图，光耦在100℃的时候最大的If是18mA，我们实际最大电流是小于3mA，留有非常大的余量。那么因为光衰引起的问题完全可以不用去考虑。

那么R2=（5-2.5-1.4）÷（2.73+1）=295Ω，所以我们实际取值的时候可以取240Ω。