一、元件布局
典型拓扑序列
$$
\text{AC输入} → \text{保险丝} → \text{NTC热敏} →
\begin{cases}
\text{X电容} \
\text{共模电感} → \text{Y电容} \
\text{压敏电阻}
\end{cases}
→ \text{整流桥} → \text{母线电容}
$$
布局原则：
- 热敏电阻（NTC）优先于压敏电阻
- Y电容置于共模电感后级
- X/压敏元件均跨接L-N线
二、元件功能
| 元件名称 | 核心功能描述 |
|---|---|
| 保险丝 | 过流保护，防止电路短路或过载损坏 |
| NTC热敏电阻 | 抑制启动浪涌电流，降低对前端器件的冲击 |
| X电容 | 滤除差模干扰，稳定输入电压 |
| 共模电感 | 抑制共模噪声，提升EMI性能 |
| Y电容 | 旁路共模干扰至PE线，满足安规要求 |
| 压敏电阻 | 吸收瞬态过压，保护后级电路 |
| 整流桥 | 实现交直流转换，构建直流母线电压 |
| 母线电容 | 储能滤波，维持负载突变的电压稳定性 |
三、保护器件设计
1. 浪涌电流通用公式
$$
I_{inrush} = K \times \frac{P_{out}}{\eta V_{AC_min}}
$$
参数定义：
- $K$：拓扑类型系数（见下表）
- $P_{out}$：输出功率（单位：W）
- $\eta$：转换效率（0.7~0.95）
- $V_{AC_min}$：最低交流输入有效值（取额定值的85%，单位：V）
| 拓扑类型 | 系数 $K$ | 典型值参考 |
|---|---|---|
| 反激式 | 3 | 100W系统≈40A |
| LLC | 2 | 300W系统≈35A |
| 正激式 | 4 | 200W系统≈60A |
示例计算：
参数：$P_{out}=200\ \text{W}$，$\eta=0.85$，$V_{AC_min}=187\ \text{V}$
计算：$I_{inrush}=3×\frac{200}{0.85×187}=37.6\ \text{A} \quad$（选50A保险丝）
2. 保险丝选型
选型公式
$$
I_{fuse} \geq 1.5 \times I_{inrush_max}
$$
参数定义：
- $I_{inrush_max}$：最大浪涌电流（单位：A）
示例计算：
参数：$I_{inrush}=37.6\ \text{A}$
计算：$I_{fuse}≥1.5×37.6=56.4\ \text{A} \quad$（选60A延时型保险丝）
3. 热敏电阻（NTC）
连接方式
$$
\text{AC_L} → \text{NTC} → \text{整流桥}
$$
阻值计算
$$
R_{25℃} = \frac{V_{AC_min}}{\sqrt{2} \cdot I_{inrush}}
$$
参数定义：
- $V_{AC_min}$：最低交流输入有效值（取额定值的85%，单位：V）
- $I_{inrush}$：允许的最大浪涌电流（单位：A）
示例计算：
参数：$V_{AC_min}=187\ \text{V}$，$I_{inrush}=10\ \text{A}$
计算：$R_{25℃}=\frac{187}{\sqrt{2}×10}=13.2Ω \quad$（选10D-15）
稳态功耗验证
$$
P = I_{RMS}^2 \cdot R_{hot}
$$
参数定义：
- $I_{RMS}$：输入电流有效值（单位：A）
- $R_{hot}$：NTC稳态热阻（单位：Ω）
示例计算：
参数：$I_{RMS}=5\ \text{A}$，$R_{hot}=2Ω$
计算：$P=5^2×2=50\ \text{W} \quad$（需强制风冷）
四、压敏电阻与X电容
1. 压敏电阻（MOV）选型
连接方式
$$
\text{AC_L} \leftrightarrow \text{MOV} \leftrightarrow \text{AC_N}
$$
压敏电压计算
$$
V_{1mA} = 1.5 \times \sqrt{2} \cdot V_{AC_max}
$$
参数定义：
- $V_{AC_max}$：最高交流输入有效值（取额定值的110%，单位：V）
示例计算：
参数：$V_{AC_max}=242\ \text{V}$
计算：$V_{1mA}=1.5×\sqrt{2}×242≈514\ \text{V} \quad$（选561KD14）
2. X电容设计
容值计算
$$
C_X[μF] ≈ \frac{500 \times P_{out}[W]}{V_{AC_min}[V]}
$$
参数定义：
- $P_{out}$：输出功率（单位：W）
- $V_{AC_min}$：最低交流输入有效值（取额定值的85%，单位：V）
示例计算：
参数：$P_{out}=100\ \text{W}$，$V_{AC_min}=187\ \text{V}$
计算：$C_X≈\frac{500×100}{187}=267\ \mu\text{F} \quad$（选270μF）
额定电压验证
$$
V_{DC} \geq 2.5 \times \sqrt{2} \times V_{AC_max}
$$
参数定义：
- $V_{AC_max}$：最高交流输入有效值（取额定值的110%，单位：V）
示例计算：
参数：$V_{AC_max}=242\ \text{V}$
计算：$V_{DC}≥2.5×\sqrt{2}×242≈856\ \text{V} \quad$（选900V）
放电电阻设计
$$
R_X \leq \frac{1}{3C_X \ln(V_{peak}/37)}
$$
参数定义：
- $V_{peak}$：交流输入峰值电压（单位：V）
示例计算：
参数：$C_X=270\ \text{nF}$，$V_{peak}=375\ \text{V}$
计算：$R_X≤\frac{1}{3×270×10^{-9}×\ln(375/37)}=2.4\ \text{M}Ω \quad$（选2MΩ/0.5W）
五、共模电感
1. 参数计算
步骤1：确定关键频率
| 设计条件 | 推荐频段选择 | 计算公式 |
|---|---|---|
| 已知开关频率 | 3倍开关频率 | $f_{CM} = 3f_{sw}$ |
| 未知开关频率 | 150kHz-30MHz | 取$f_{CM}=1MHz$ |
参数定义：
- $f_{sw}$：开关频率（单位：kHz/MHz）
示例：
参数：反激电源$f_{sw}=65\ \text{kHz}$
计算：$f_{CM}=3×65=200\ \text{kHz}$
步骤2：阻抗需求
Class B: $Z_{CM} = \frac{1000}{1 + 0.1f_{MHz}}$
Class A: $Z_{CM} = \frac{500}{1 + 0.2f_{MHz}}$
参数定义：
- $f_{MHz}$：共模滤波目标频率（单位：MHz）
计算示例（200kHz Class B）：
参数：$f_{CM}=0.2\ \text{MHz}$
计算：$Z_{CM}= \frac{1000}{1+0.1×0.2}=980\ \Omega$
步骤3：电感量计算
$$
L_{CM}[mH] = \frac{2Z_{CM}[kΩ]}{f_{CM}[MHz]}
$$
参数定义：
- $Z_{CM}$：目标阻抗（单位：kΩ）
- $f_{CM}$：目标频率（单位：MHz）
示例计算：
参数：$Z_{CM}=0.98\ \text{kΩ}$，$f_{CM}=0.2\ \text{MHz}$
计算：$L_{CM}=2×0.98/0.2=9.8\ \text{mH} \quad$（取10mH）
六、Y电容
1. 系统类别与连接方式
Class I设备（带PE线）
$$
\begin{cases}
\text{L} \xrightarrow{\text{Y2}} \text{PE} \
\text{N} \xrightarrow{\text{Y2}} \text{PE}
\end{cases}
$$
安全要求：
- 总漏电流 ≤3.5mA
- PE线截面积 ≥1.5mm²
Class II设备（无PE线）
$$
\text{初级地} \xrightarrow[\text{双重绝缘}]{\text{Y1串联}} \text{次级地}
$$
安全要求：
- 漏电流 <0.75mA
- 爬电距离 ≥6.4mm
2. 容值限制公式
$$
C_{Y_max} = \frac{I_{leak_max}}{2\pi f \cdot V_{AC_max}}
$$
参数定义：
- $I_{leak_max}$：最大允许漏电流（单位：mA）
- $f$：电网频率（单位：Hz）
- $V_{AC_max}$：最高交流输入有效值（单位：V）
| 设备类型 | 漏电流限制 | 计算公式示例（230VAC/50Hz） |
|---|---|---|
| Class I | ≤3.5mA | $C_Y \leq 42\text{nF}$ |
| Class II | ≤0.75mA | $C_Y \leq 9\text{nF}$ |
示例计算：
参数：$I_{leak}=3.5\ \text{mA}$，$f=50\ \text{Hz}$，$V_{AC_max}=253\ \text{V}$
计算：$C_Y=\frac{3.5×10^{-3}}{2π×50×253}=42\ \text{nF} \quad$（选两个22nF Y2电容并联）
3. 安全等级参数
| 参数 | Y1级 | Y2级 |
|---|---|---|
| 额定电压 | $500\ \text{VAC}$ | $300\ \text{VAC}$ |
| 脉冲耐压 | $8\ \text{kV}$ | $5\ \text{kV}$ |
| 绝缘等级 | 双重绝缘 | 基本绝缘 |
七、整流桥
1. 额定电流计算
$$
I_{BR} \geq 1.2 \times \frac{P_{out}}{\eta V_{AC_min}}
$$
参数定义：
- $P_{out}$：输出功率（单位：W）
- $\eta$：转换效率
- $V_{AC_min}$：最低交流输入有效值（单位：V）
示例计算：
参数：$P_{out}=200\ \text{W}$，$\eta=0.85$，$V_{AC_min}=187\ \text{V}$
计算：$I_{BR}≥1.2×\frac{200}{0.85×187}=1.8\ \text{A} \quad$（选3A整流桥）
2. 耐压验证
$$
V_{RRM} \geq 1.5 \times \sqrt{2} \cdot V_{AC_max}
$$
参数定义：
- $V_{AC_max}$：最高交流输入有效值（单位：V）
示例计算：
参数：$V_{AC_max}=242\ \text{V}$
计算：$V_{RRM}≥1.5×\sqrt{2}×242≈514\ \text{V} \quad$（选600V整流桥）
八、母线电容
1. 电压平滑计算
$$
C_{bulk} \geq \frac{P_{out} \cdot \Delta t}{\eta (V_{min}^2 – V_{hold}^2)}
$$
参数定义：
- $P_{out}$：输出功率（单位：W）
- $\eta$：转换效率
- $V_{min}$：最低母线电压（单位：V）
- $V_{hold}$：保持电压（后级DCDC输入电压的75%）
- $\Delta t$：输入断电后保持时间（≥20ms）
示例计算：
参数：$P_{out}=200\ \text{W}$，$\eta=0.85$，$\Delta t=0.02\ \text{s}$，$V_{min}=200\ \text{V}$，$V_{hold}=150\ \text{V}$
计算：$C_{bulk}≥\frac{200×0.02}{0.85×(200^2-150^2)}=42\ \mu\text{F} \quad$（选47μF/450V）
2. 纹波电流验证
$$
I_{ripple_RMS} = \sqrt{\left( \frac{P_{out}}{\eta V_{min}} \right)^2 – \left( \frac{P_{out}}{V_{min}} \right)^2}
$$
参数定义：
- $P_{out}$：输出功率（单位：W）
- $\eta$：转换效率
- $V_{min}$：最低母线电压（单位：V）
示例计算：
参数：$P_{out}=200\ \text{W}$，$\eta=0.85$，$V_{min}=200\ \text{V}$
计算：$I_{ripple}=√{\left( \frac{200}{0.85×200} \right)^2 – 1^2}=0.58\ \text{A}$
安规设计
一、概念
1. 电气间隙（Clearance）
- 定义：两个导电部件之间最短空间直线距离（空气介质）
- 关键作用：防止空气击穿（如电弧放电）
2. 爬电距离（Creepage）
- 定义：两个导电部件沿绝缘表面最短路径距离
- 关键作用：防止漏电流导致的沿面放电（雨水沿着墙缝渗透）
二、PCB
1. EMI滤波电路（输入级）
- 危险节点：
- 保险丝（F1）到X电容（CX1）
- 共模电感（L1）两侧绕组
- 设计要求：
- L-N线间 ≥ 2.5mm（基本绝缘）
- L/N-PE间 ≥ 4.0mm（加强绝缘）
2. 整流桥
- 高压热点：
- 整流二极管（D1-D4）引脚间距
- DC母线电容（C_Bulk）正负极
- 安全措施：
- 整流桥交流侧与直流侧开槽隔离（槽宽≥1mm）
- 添加Φ3mm隔离孔（阻断潜在爬电路径）
三、具体参数计算
1. 电压等级与距离对照表
工作电压
- 交流电压取峰值
- 直流电压直接用
| 工作电压 | 电气间隙（mm） | 爬电距离（mm） |
|---|---|---|
| ≤150V | 1.5 | 2.0 |
| 300V | 3.0 | 4.0 |
| 600V | 5.5 | 8.0 |
“每一毫米的爬电距离，都是对用户生命的敬畏。”