【MPS 反激设计工具 实测】打印机内置电源设计——32V/1A
事情是这样的，前阵子家里那台老HP喷墨打印机罢工了，拆开一看是电源板烧了个电容。修倒是修好了，但这一拆就停不下来了——我这个人有个毛病，东西拆开了就一定要把电路看明白才甘心。
仔细看了一下电源板，典型的反激拓扑，输出32V/1A。32V这个电压规格挺有意思的，查了一下发现HP好多喷墨打印机都是用32V供电给打印头驱动的，算是一个行业惯例了。正好最近在玩MPS的在线设计工具，就想着拿这个规格跑一下，看看工具算出来的参数和实际产品的设计能差多少。
打印机电源的特殊之处
在跑工具之前，先聊聊为什么打印机电源有点意思。
打印头工作的时候，是通过加热墨水让它喷出来的（热泡式），这个过程的电流是脉冲式的——打一行字的时候电流突然拉起来，空白的地方电流又掉下去。所以打印机电源的动态响应要求比一般的适配器高不少。纹波也不能太大，不然打印出来的线条粗细不均匀，画面会有明显的横纹。
好了，带着这些背景知识，来看看工具怎么说。
规格参数
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 输入电压 | 90~264Vac |
| 输出电压 | 32V |
| 输出电流 | 1A |
| 输出功率 | 32W |
上手操作
填规格
打开工具，先把输入模式从DC切到AC——这个每次都要手动切，不知道MPS为什么默认DC模式，做AC-DC电源的应该是大多数吧。然后输出数量选1，毕竟就一路32V。
填入参数：Vac 90~264V，Vout 32V，Iout 1A。
见附件图一：系统规格输入
单路输出就简单多了，不用像多路输出那样纠结哪路做主环哪路做从环。
看变压器结果
点 Transformer 标签页，刷一下就出来了。
见附件图二：变压器设计结果
关键数据汇总：
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| Pout | 32W |
| Pin | 34.78W |
| 效率 | ≈92% |
| 原边电感 Lp | 1036.42μH |
| 漏感 Lk | 51.82μH |
| 匝比 Np/Ns1 | 3.2 |
| 原边 RMS 电流 | 0.44A |
| 原边峰值电流 | 1A |
| 副边 RMS 电流 | 1.54A |
| 副边峰值电流 | 3.99A |
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见附件图三：MPS变压器参数详情
对着实物聊参数
拿到工具的结果，我就对着手里拆出来的那块电源板对比了一下，说实话还挺有收获的。
匝比 3.2 意味着什么
Np/Ns=3.2，这个匝比不算大。想想看，输出32V本身就不低，相对于经过整流滤波后的直流母线电压（90Vac对应大约127V直流），匝比确实不需要太大。匝比小有个好处：变压器副边匝数不会太少，这样绕组分布更均匀，耦合也好做，漏感容易控制。
实际上我量了一下手里这块板子的变压器，拆开数匝数的话——算了，我还没舍得把变压器拆了，毕竟修好了还得装回去用。
原边电感 1036μH
超过1mH的原边电感，说明工作在比较深的DCM（断续模式）或者CCM/DCM临界区域。对于32W这个功率等级来说，合理。原边电感大，意味着峰值电流小（工具算出来才1A），MOS管的电流应力就低，这对可靠性有好处。
不过原边电感大也意味着变压器体积可能会大一些。打印机内部空间其实挺紧张的，我拆的那台HP，电源板被塞在一个很窄的角落里。所以实际产品可能会在电感值和变压器体积之间做个折中。
漏感 51.82μH，需要注意
漏感占原边电感的比例大约5%，这个比例在反激里算正常。但51.82μH的绝对值不算小，MOS管关断的时候，漏感储能会在漏极产生一个电压尖峰。
简单估算一下：假设MOS管关断时电流1A，漏感51.82μH，如果吸收电路吸收得不好，尖峰电压可以到很高。所以RCD吸收电路的设计不能马虎。我看手里这块板子上的RCD元件，电阻功率还选得挺大的，应该就是这个原因。
副边 3.99A 峰值电流
试了一下发现这个数据很有参考价值。副边峰值将近4A，虽然RMS只有1.54A，但整流二极管必须按峰值来选。32V输出加上反射电压和余量，输出整流管反向耐压至少要100V以上。肖特基二极管到这个耐压等级，正向压降就比较大了，可以考虑用快恢复二极管或者同步整流方案。
回头看了一下我那块板子，用的果然是一颗快恢复二极管而不是肖特基，验证了这个判断。
关于纹波和动态响应
前面提到打印机对纹波敏感，这里多说两句。
反激电源输出纹波主要来自两个地方：开关频率分量和ESR引起的纹波。32V/1A这个规格，输出电容的选型很关键。我量了一下手里板子的输出电容，两颗470μF/50V的电解并联，再加一颗小陶瓷电容滤高频。这个配置说明原设计者确实考虑了纹波问题。
至于动态响应，反激电源本身的动态响应不算好（和LLC比差远了），但32W这个功率打印头的脉冲负载也不会特别剧烈，环路补偿做好了基本够用。
工具使用感受
从"逆向分析"的角度用这个工具，体验还挺有趣的。把实际产品的规格输进去，对比工具算出来的理论参数和实际产品的设计，可以看出原来的工程师在哪些地方做了折中、在哪些地方做了优化。
几点感受：
- 速度是真的快。填好参数到出结果，可能就30秒。要是自己用Mathcad或者Excel算，起码半小时。
- 92%的效率预估偏保守。我实际测了一下那台打印机的功耗（修好之后），待机大概2W多，工作时30多W，效率应该比92%高一点。不过保守估计也没什么不好，总比算出来很漂亮实际做不到强。
- 工具不涉及环路设计。反激电源一半的工作量在环路补偿上，这块还是得靠工程师自己。不过变压器参数能快速确定下来，后面的工作就轻松多了。
最后
拆个打印机拆出了一篇文章，也算意外收获。MPS这个工具作为一个免费的在线计算器，用来做初步设计或者像我这样做逆向参考分析都挺方便的。下次再拆什么电源，可以继续用这个工具对比一下，看看不同产品的设计思路有什么差异。
对了，那台HP打印机已经修好正常服役了。换了个电容花了8毛钱，省下买新打印机的钱，感觉赚了一个亿。
附件
反激_打印机电源_图片合集.pdf (389.2 KB)
