反激变换器模块PCB设计项目

如果您有一个电子产品能够将交流电转换为中等电压的直流电，同时还提供隔离功能，那么您很可能在使用反激转换器。反激DC/DC转换器能够在需要直流输出的接入交流系统中提供大幅度的降压，而不会对效率造成重大影响。在这个项目示例中，我将展示如何设计一个基本的反激转换器模块，包括在原理图和PCB布局中。

反激转换器需要一个变压器，您使用的变压器将决定设备能够处理的降压级别和电流处理能力。反激转换器设计的一个重要部分是变压器的设计和选择，这可能会迫使您使用定制变压器。我们将在这个项目中看到这一点。在本文末尾，您将有机会下载设计文件并开始在您自己的设计中使用它们。

开始使用反激转换器

我将在这个项目中展示的反激转换器设计旨在将120V AC输入转换为3.3V输出。用于运行反激转换器的主控制器是德州仪器的UCC28881。

从基本层面上，我们想要设计的设备包括三个阶段：

1. 交流输入、电路保护和整流
2. 反激转换器开关和变压器
3. 输出接口和隔离反馈环路

下面展示的原理图描绘了这三个阶段连接在一起产生3V3输出的情况。这个系统预计能够处理1-2A的电流。这个系统还将保持由变压器提供的隔离，这需要仔细放置所有的组件。

交流输入

导向我们变压器的输入包含电路保护组件和一个桥式整流器（BR1）。这里提供的电路保护包括一个可熔电阻、金属氧化物压敏电阻，以及少量的电容。在桥式整流器的输出侧，我们有一个TVS二极管和一些额外的电容来减少整流产生的纹波。

这一部分的目标是整流输入的交流电，并向开关部分提供一个半稳定的直流输出，同时也提供电路保护。这里，我没有添加EMI滤波，但可以通过低通滤波和一些电感（见下文）添加。您如何添加这些元素取决于您是否会在交流输入后保持机壳连接。现在，让我们继续进行线路和中性连接，并省略地球连接。

开关电路（UCC28881）

开关电路基于型号为UCC28881的部件，这是一种包含反馈连接并支持宽输入电压范围的开漏式开关控制器。消谐电路（由C1、R1、D1组成）在切换过程中提供稳定性，以便可以抑制切换过程中的大幅度过冲/欠冲。

3V3输出和反馈

下图显示了输出级。这展示了输出是如何通过D2整流为直流输出，最终通过一些电容稳定下来的。输出部分包括一些测试点，以便手动探测，以及一个接线端子用于连接飞线。请注意，C8标记为DNP，是可选的；如果需要，其放置可以提供进一步的稳定性，并且可以通过与示波器的比较测量轻松确定。

反馈部分使用光耦合器和精密分压调节器来稳定通过光耦合器的电力。电阻分压器R3/R7将LMV431AIMF调节器上的REF引脚偏置至1.244 V。额外的无源元件提供过滤/稳定性，当系统被偏置为ON时，以及LMV431AIMF也从OFF切换到ON。R2/R4电压分压器将光耦合器偏置到正确的电压和电流，并且只有当LMV431AIMF被偏置为ON时才允许电流流动。

变压器设计和选择

反激转换器使用变压器及其初级侧电感来升降输入电压并调节输出电压。它们是使用初级侧电感的开关调节器，就像典型的降压转换器会使用常规电感器一样。

为了正确选择变压器，我们需要确定所需的占空比、线圈电感和峰值电流。首先，我们需要确定T1的匝数比，这取决于所需的输出电压（Vout）和二极管正向电压降（Vdiode，在上面的D2上测量）。这也将确定开关器的占空比：

如果您有一个现成的变压器，它有一个指定的匝数比，那么可以确定反激电压。或者，如果您希望您的开关器以特定的占空比运行，则可以确定反激电压，从而确定所需的匝数比。

接下来，我们可以根据最大占空比能力和目标输出电流确定所需的最大切换频率。

接下来，为了帮助确定变压器的尺寸，有一个关于峰值电流的要求：

设计反激变压器的挑战在于找到一个能够平衡外形尺寸、电感值、匝比和电流承载限制的变压器。你从市面上买到的大多数变压器只能满足这些要求中的2或3项。根据我所见，大多数这些现成的变压器提供了所需的匝比和电流承载能力，但它们不会提供所需的外形尺寸。

这意味着你可能需要设计一个定制的变压器或与组装商合作制造一个定制的变压器。有可用的核心和线圈架组件，可以用来组装一个定制的变压器，以特定的外形尺寸满足你的电感和匝比规格。你需要仔细组装一个定制的变压器或与供应商合同，让他们组装这个组件。

下面展示的设计将使用TDK核心插件（PN: B66417G0000X149）和TDK线圈架（PN: B66418W1008D001），这是一个穿孔部件，如果需要，可以允许中心抽头。基于3.3V的目标输出电压和UCC28881的合理开关频率62kHz，所需的匝比为69:4，初级电感为984uH。峰值电流处理不需要过大，适用于低功率反激变压器模块，这允许使用26 AWG的小线径进行绕组。预期的峰值初级电流为0.44A。

PCB布局

本节展示了PCB布局，理解这种布局的方法相对简单。这里的目标是说明如何维持这种直流/直流转换器所需的隔离，并如何以模块形式实现。

下面展示的是初始放置，隔离边界使用虚线白线标记。所有大型的穿孔组件都放置在顶层，而较小的SMD组件则放置在底层。交流输入将使用飞线连接，这些飞线焊接在镀层孔上（左侧），而3.3V输出则从2螺丝端子块取出（右侧）。

跨越隔离屏障的IC是光耦合器（U2）。它直接连接到UCC28881开关（U1）并完成反馈循环。光耦合器的放置确保了PCB中间附近有一个一致的隔离间隙。

开始布线之前，我首先设置了一些间隙，根据IPC-2221标准确保设计中部件之间有足够大的间距。您可以使用本文中显示的数据计算这些所需的间隙。我使用的间隙假设在主侧有120 V AC输入。

接下来，完成布线，使用相对较大的走线以确保主侧和次侧有足够的电流承载能力。注意，电源输入走线（火线和零线）周围有一个相当大的间隙，这可能是接收/发射噪声的区域。在低频下，使用更大的多边形作为铺设可能有助于限制噪声的产生和接收。

现在我们可以绘制剩余的多边形，为输出和开关提供地线。下面绘制了这些多边形。我还清理了丝印，以防止间隙错误和设计符号重叠。下面显示的大片铜既为开关提供了接地，以帮助确保屏蔽，也为BR1提供了电流承载能力。

这完成了设计所需的所有布线和清理工作。变压器是一个可能相当嘈杂的开关元件，解决这一问题是可以在设计中实施的潜在改变之一。

扩展此设计的想法

在最基本的层面上，这个电路将是功能性的，并展示高效率。它具有设计运作所需的所有基本元素。当然，我总是喜欢做一个简短的部分，讨论如何改进或扩展设计。我下面列出的想法不是功能性要求，尽管它们可以从电磁兼容性或可靠性的角度帮助使设计更好。

• 在GND-P和GND之间添加Y型电容
• 如果共模噪声是问题，在输入和输出侧放置扼流圈
• 在变压器和光耦器引脚之间添加切口，以清楚标示隔离区域
• 增加一个额外的次级抽头并改变绕组比例，以产生双轨模块
• 如果放置在金属化外壳中，添加底盘防护环并连接到地
• 移除输入焊盘孔并添加一个标准的AC插座

为了改善EMI/EMC设计，列表中的前两点很重要。关于第一点，这是在隔离直流电源中桥接地的典型方式，因为它有助于控制来自开关波形的高频信号分量的返回路径。如果3V3侧存在高频辐射问题，那么这可以帮助抑制。

第二点对于EMC来说通常很重要。使用LC滤波器（π滤波器）创建前端EMI滤波器并在输入端放置扼流圈将抑制来自AC线输入的共模辐射。输出也将连接到线或电缆，我们希望消除该电缆上的共模辐射，这可能也需要一个共模扼流圈。

要下载原始项目文件，请点击此链接。这些文件可在CC许可下获得。

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