STEVAL - ISA081V1演示板：隔离反激式开关电源的技术剖析

在电子电源设计领域，开关电源（SMPS）以其高效能、小体积等优势，成为众多应用场景的首选。今天，我们将深入剖析STEVAL - ISA081V1演示板，这是一款基于12V / 1A隔离反激式的开关电源，能在宽输入电压范围内提供12W的输出功率，为我们带来了成本效益高且节省空间的解决方案。

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1. 主要特性

输入特性

• 电压范围：输入电压范围为85 ~ 305Vrms，频率范围是45 ~ 66Hz，这使得该电源能够适应不同地区的电网电压，具有很强的通用性。
• 输出特性：提供12VDC ± 10%、1A（3.3V未加载时）和3.3VDC ± 4%、100mA的输出，最大总输出电流为1A。这种多输出的设计可以满足不同负载的需求，适用于多种电子设备。

  其他特性

• 待机功耗：在230VAC时，待机功耗小于120mW，符合节能要求。
• 短路保护：具备短路保护功能，增强了电源的安全性和可靠性。
• PCB特性：采用FR4单面板，厚度为35µm，尺寸为32 x 90mm，便于集成到各种设备中。
• 隔离特性：具备4kV / 8mm的隔离能力，符合安全标准。
• EMI特性：电磁干扰（EMI）符合EN55022 Class B标准，减少了对周围电子设备的干扰。

2. 板卡连接

STEVAL - ISA081V1演示板的输入为85VAC - 305VAC的交流电压，输出为12V和3.3V的直流电压。清晰的输入输出连接设计，方便工程师进行测试和应用。大家在实际连接时，一定要注意电压的范围和极性，避免因连接错误导致设备损坏。

3. 板卡描述

原理图

基于VIPER26LD的隔离反激式转换器板的原理图为我们展示了电源的电路结构。从原理图中，我们可以看到各个组件之间的连接关系，为后续的分析和改进提供了基础。大家可以根据原理图，深入理解电源的工作原理，尝试进行一些优化设计。

主要组件描述

输入部分

• 桥式二极管整流器（DB1）：用于减小输入大容量电容的尺寸，提高电源的效率。
• 浪涌电流限制器（R1）：减少因电源连接到市电或浪涌脉冲引起的浪涌电流，建议使用绕线电阻以提高对电流尖峰的抗干扰能力。
• EMI滤波器（L1, C1, C2, C13）：采用基本的EMI π滤波器，使用X2箔电容、大容量电容和CMC电感，有效降低电磁干扰。
• 输入大容量电容（C2, C13）：在输入交流电压较低时存储能量，其值需考虑最小输入电压和输出功率。在设计时，要根据实际的输入电压范围选择合适的电容耐压值。

反激式转换器

• VIPER26LD（IC1）：将控制器和高压功率MOSFET集成在一个封装中，工作在电流模式，固定频率，即使在最低输入电压下也能以不连续模式工作。通过内置的误差放大器，可通过分压器直接感测辅助电压，用于反馈调节。
• 峰值钳位电路（D1, R2, R3, C3）：吸收MOSFET关断后由变压器漏感产生的电压尖峰能量，也可使用基于Transil™的峰值钳位电路，以降低待机功耗并节省电路板空间。
• 次级侧（D3, C8, C11, R9, C9, IC2, C10）：主要由整流器（D3和C8）组成，C8采用低ESR电容以承受高尖峰电流。还可选择添加缓冲电路（C11和R9）。通过初级调节，无需额外组件。可使用简单的线性稳压器生成3.3V输出，同时稳压器还可作为泄放器，在无负载时限制输出电压。

变压器

变压器的设计旨在实现辅助绕组和次级绕组之间的良好耦合，以达到适用的负载调节效果。该变压器由WÜRTH ELEKTRONIK公司合作开发，型号为760871131，规格为E20/10/6 - 60kHz，电压范围85 - 305VAC，具有4kV AC的初级到次级隔离能力。变压器的绕组参数如下表所示：	Layer	Start pin	Stop pin	Number of turns	Wire number	Wire diameter (mm)	Wire material	Inductance (µH)	Position
1	3	1	96	2	0.2	Cu2l	1394	Primary
2	7, 8, 9, 10	11, 12, 13, 14	10	4	0.3	TeX	15	12 V / 1 A
3	6	5	12	1	0.2	Cu2l	22	14.5 V / aux.

布局

PCB采用单面板设计，厚度为35µm，尺寸为32 x 90mm，初级和次级之间的距离大于8mm，满足安全要求。布局设计遵循以下规则：

• 功率高频走线宽且短，减少电阻和电感，提高效率。
• VIPER26LD的功率和信号地分开，仅在靠近源引脚的一点连接，减少干扰。
• EMI滤波器远离变压器，避免EMI噪声串扰。

物料清单（BOM）

物料清单详细列出了电路板上各个组件的信息，包括电阻、电容、电感、二极管、集成电路等。这为工程师进行采购和组装提供了准确的依据。大家在采购物料时，要注意选择质量可靠的供应商，确保组件的性能符合要求。

4. 测量结果

效率

通过测量不同输入电压和输出电流下的效率，我们可以了解电源的性能。在120VAC和230VAC输入时，效率随输出电流的变化如图所示。在满负载（1A）时，效率随输入电压的变化也有相应的曲线。低输入电压时效率下降主要是由于输入浪涌电阻和CMC的损耗增加。大家可以根据效率曲线，优化电源的工作条件，提高能源利用率。

待机

待机功耗是衡量电源节能性能的重要指标。通过测量不同输入电压下的待机功率，我们发现线性稳压器L78L33会增加一定的负载。在实际应用中，如果对待机功耗要求较高，可以考虑采用其他方式替代L78L33。

负载调节

负载调节性能反映了电源在不同负载下输出电压的稳定性。通过测量12V和3.3V输出的负载调节情况，我们可以看到输出电压在不同负载下的变化。在设计时，要根据负载的特性选择合适的电源，确保输出电压的稳定性。

EMI

EMI测试结果显示，该电源的传导EMI符合EN55022 Class 2标准。这表明电源在电磁兼容性方面表现良好，能够减少对周围电子设备的干扰。

温度

在不同输入电压下，测量了电路板的热分布情况。通过热图可以直观地看到电路板上各个组件的温度分布，为散热设计提供参考。在实际应用中，要根据热图合理设计散热方案，确保电源在正常温度范围内工作。

5. 应用建议

输出电压工作范围

通过改变分压器R5和R6的值，可以在10 - 18V的标称输出电压范围内设置不同的输出电压，同时保持输出功率能力。但输出电压的设置受到VIPer26的供电范围和变压器设计的限制。大家在进行输出电压调整时，要充分考虑这些限制因素，避免因电压设置不当导致电源损坏。

提高效率

通过更换输出肖特基二极管，可以提高电源的效率。例如，使用60V肖特基二极管STPS5L60替代原有的STPS3H100，在230VAC输入、满负载时，效率可从84.1%提高到86.1%。

6. 修订历史

文档的修订历史记录了文档的更新情况，包括初始发布和后续的修改。了解修订历史可以帮助我们掌握文档的最新版本和变化内容。

STEVAL - ISA081V1演示板为我们提供了一个优秀的开关电源设计范例。通过对其特性、组件、测量结果和应用建议的深入分析，我们可以更好地理解和应用该电源，同时也为我们的电源设计提供了宝贵的参考。大家在实际应用中，要根据具体需求进行合理的设计和优化，以实现最佳的性能和效果。