反激式开关电源的毕业设计机械毕业设计.doc

常州工学院毕业设计论文 摘要 针对晶体管串联提供稳压电源的具有体积很大而且笨重的工频变压器，体积和重量都很大的滤波器，占用较大空间，质量较大，效率较低不适用现在电子技术的发展的的缺点，提出了发展新型电源的意见。为了能够适用电力电子越小型化、轻型化的要求，开关电源随之出现。开关电源采用功率半导体作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空来调整输出电压，因为开关电源是直接对电网电压进行整流、滤波、调整，不需要电源变压器，工作频率高，滤波电容小、电感小，所以体积相对较小，而且开关电源的功耗较低，对电网的适用能力强，所以开关电源的应用逐渐取代了传统的电源。开关电源的发展促使了电力电子器件朝着轻薄化的发展，开关电源有多种拓扑结构，选择合适的拓扑结构，合适的器件，是设计开关电源的重中之重。 关键字：开关电源；拓扑结构；稳压管；芯片abstract series to provide power supply for the transistor with large and bulky size-frequency transformers, size and weight are great filters, occupy a larger space, the quality of larger, less efficient not apply to the development of electronic technology is now thepaper proposed the development of new power views.in order to apply more power electronics miniaturization and light requirements, switching power supply soon.switching power supply using power semiconductor devices as switches, through periodic on-off switch, control switch to adjust the air component of the total output voltage, because switching power supply is directly rectified mains voltage, filter, adjustment, no power transformer, high frequency, filter capacitance, inductance is small, so relatively small size, low power consumption and switching power supply on the application of strong power, so switch power gradually replaced the traditional power.switching power supply prompted the development of power electronic devices toward the light of the development of a variety of switching power supply topology, select the appropriate topology, the appropriate device, is the top priority of switching power supply design.keywords：switch power supply；topology structure；stabilivolt；chip目录摘要iabstractii目录iii第一章 绪论11.1 开关电源的产生11.1.1 开关电源产生的时代背景11.1.2 开关电源的产生11.2 开关电源的发展21.2.1 我国的开关电源的发展21.2.2 国外开关电源的发展31.2.3 开关电源发展的整体趋势41.3 开关电源的现状5本章小结5第二章 开关电源的几种结构62.1 boost电路62.1.1boost电路图62.1.3 boost电路特点72.2 buck电路82.2.1 buck电路图82.2.2 buck电路的工作原理82.2.3 buck电路的特点92.3 正激电路102.3.1 正激电路图102.3.2 正激电路的工作原理102.3.3 正激电路的特点122.4 反激电路122.4.1 反激电路图122.4.2 反激电路的工作原理122.4.3 反激电路的特点14本章小结14第三章 电路的选择153.1 电路拓扑类型的选择153.1.1电路拓扑结构选择要注意的问题153.1.2拓扑结构的对比分析153.2 反激变压器的主要方程173.3 变压器磁芯的选择和匝数的计算183.3.1 变压器的磁芯的选择183.3.2 变压器的匝数的计算203.3.3 磁芯等的各种损耗21本章小结22第四章 开关电源中的芯片介绍234.1 top250234.1.1 top250的管脚图及其作用234.1.2 top250的特色244.2 pc817284.2.1 pc817的管脚图和封装图284.2.2 pc817 的特点和应用284.2.3 pc817 最大绝对值和观点特性284.3肖特基二极管304.3.1 肖特基二极管的外观及结构304.3.2 肖特基二极管的工作原理314.3.3 肖特基二极管的检测32本章小结32第五章 硬件电路335.1 交流-直流电路335.1.1交流-直流电路图335.1.2 交流-直流的波形图335.1.3 整流电路的工作原理345.2 直流-直流的电路365.2.1 直流-直流的电路图365.2.2 直流-直流的分析365.3 测试分析385.3.1 负载特性测试385.3.1.1 负载特性测试电路图385.3.1.2 负载特性测试所用器材385.3.1.3 负载特性测试数据395.3.1.4 负载特性测试数据分析405.3.2 纹波特性测试405.3.2.1 纹波特性测试电路图405.3.2.2 纹波特性测试所用器材415.3.2.3 纹波特性测试数据415.3.2.4 纹波特性测试数据分析425.3.3 交流特性测试425.3.3.1 交流特性测试电路图425.3.3.2 交流特性测试器材435.3.3.3 交流特性测试数据435.3.3.4 交流特性测试数据分析44本章小结44总结45致谢46参考资料47附录1 元件清单49附录2 总电路图50附录3 实物5154 常州工学院毕业设计论文第一章 绪论1.1 开关电源的产生 1.1.1 开关电源产生的时代背景 在开关电源产生之前，电源是晶体管串联构成稳压电源。传统的晶体管串联调整稳压电源构成的是连续控制的线性稳压电源，这种技术是比较成熟，而且那时已有大量集成化的线性稳压电源模块，而且具有稳定性能好、输出纹波小、使用可靠等优点。但是晶体管串联提供稳压电源的缺点是通常都需要体积很大而且笨重的工频变压器，体积和重量都很大的滤波器，这样就会使得传统的稳压电源占用很多的空间，质量也比较大。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压的稳定，它集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，所以会导致调整管功率较大，电源效率就很低，这样就造成了能源的浪费。另一方面，由于在调整管上消耗很大的功率，使得调整管的温升会较高，所以当需要采用大功率调整管时，必须在调整管上装上体积很大的散热器。而现在的电子设备越来越小型化，所以传统的晶体管串联构成的稳压电源已经不能满足现代电子设备的要求。1.1.2 开关电源的产生 伴随着计算机和电子技术的高速发展，电子设备越来越小型化和低成本化，就促使电源朝着轻、薄、小和高效率的方向发展。 20世纪50年代，美国宇航局就以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭设计了开关电源。在将近半个多世纪的发展过程中，开关电源由于具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点从而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并在电子整机与设备中得到了广泛的应用。 开关电源是采用功率半导体器件作为开关，通过调整开关的占空比控制输出电压，以功率晶体管（gtr）为例，在开关管饱和导通时，集电极和发射集两端的压降近似零；在开关管截止时，其集电极电流为零。所以它的功耗小，效率可以高达70%95%。由于功耗很小，所以散热器也随之减小。开关型稳压电源是直接对电网电压进行整流，滤波，调整，然后再由开关调整管来进行稳压，不需要电源变压器。而且开关工作频率为几十千赫，滤波电容、电感器的数值很小，所以，开关电源就具有质量轻、体积小等优点，此外，由于开关电源的功耗小，机内温升较低，提高了电源的稳定性和可靠性。它对电网的适用能力也有较大的提高，一般的串联稳压电源允许电网波动范围只有220v+10%，但是开关型稳压电源在电网电压在110260v范围内变化时，都可以获得稳定的输出电压。 在20世纪80年代，计算机已经全面实现了开关电源化，领先完成了计算机的电源换代。在20世纪90年代，开关电源广泛的应用于电子、家电领域，开关电源进入了蓬勃发展时期。 开关电源的基础是电力电子技术，它运用了功率变换器把电能进行变换，经过变换的电能就可以满足各种用电的要求。由于其高效节能可以给我们带来巨大的经济效益，所以得到了社会各方面的重视从而能够得到推广。1.2 开关电源的发展 1.2.1 我国的开关电源的发展 产品与技术：在电力电源市场中，只有少数几家厂商拥有核心技术，其他整机生产厂家只能依靠组装生产，经营区域化市场，这就对电力电源产品性能的发展产生抑制。但是随着我国电源企业的不断发展和壮大，企业的研发能力和生产能力的得到了提高。虽然技术要求不断降低，激烈的市场竞争也会促进电力电源市场中的领头军努力的提高自己的技术，从而提高了产品的性能和质量。产品性能发展到一定阶段后，人性化设计显得最为重要，怎样能让用户更加轻松、更自如的应用产品越来越受到电力电源厂商的重视。近年来，一些电力电子厂商的设计研发人员直接的与用户接触，了解他们的不同需要，针对需求来研发不同的电源，这就推动了开关电源的发展，使得开关电源的发展更加的成熟。 价格：电力电源产品因为它行业的特殊型，客户对产品安全性，稳定型有了更高的要求，但是对价格的敏感性却很低，因此厂商对价格有一定的定价能力。同时，电力电源的成本中最大的比重是来自原材料，原材料的价格对电力电源的价格具有比较大的影响。所以，未在来几年内电力电源的价格主要是随着原材料价格的波动而波动，但是技术因素的发展也会在很大程度上影响开关电源的价格。 渠道：近年来，随着互联网的迅速发展，电子商务的发展也呈现出迅猛式地增长，这使得电力设备的制造商有了更加便利的条件来进行产品的直销，拓展电源的销售手段和渠道。电力设备行业的特殊性给渠道销售商提出了更加苛刻的要求。全国性的渠道架构、完善的服务售后体系、强大的市场推广能力、丰富的市场营销经验和完整的配套解决方案提供能力，这些都是一个优秀的渠道商应该具备的要件。 服务：在电力电源市场中，服务竞争力的核心在于服务趋于规范化、标准化与规模化。电力电源的维护是比较复杂的，只经过专业培训的技术人员才能担任售后服务的工作，以及能够对产品的保养及维修、元件的更换等。因此，对于价格相同，质量类似的电力电源产品来说，优质、专业的服务将成为各大厂商差异化战略中最重要的部分之一。电力电源厂商在日益激烈的竞争中脱颖而出的关键是降低服务成本，提高服务的专业化水平。 20世纪90年代初通信用高频开关整流器和通信局（站）电源系统总技术要求等标准对指导生产、服务用户起到了重要作用，对高频开关电源在电信行业的循序推广也起到了积极的作用。随着市场的扩大，用户对电源智能化的程度的要求越来越高，有关电源继续红监控的标准相继被推出，使得中国的电源业的发展得到了很好的维护。 1.2.2 国外开关电源的发展 开关电源的发展取决于各反面的因素。 功率半导体器件的发展是开关电源发展的首要条件。而半导体材料是半导体器件的材料，性能最优越的碳化硅材料由于制造困难，成为阻碍半导体器件发展的最主要的原因，而利用省话费直接从气态状态生长晶体，使得碳化硅得到的发展，从而推动了半导体器件的发展。 变压器是开关电源中重要的必不可少的部件，平面表压器是近两年才面试的一种全新产品。平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%99%；工作频率高，从50khz到2mhz；低漏感(小于0.2%)；低电磁干扰(emi)等。 电力电子产品或电路的发展方向是模块化、集成化。具有各种控制功能的专用芯片，近几年发展很迅速，如功率因数校正(pfc)电路用的控制芯片；软开关控制用的zvs、zcs芯片；移相全桥用的控制芯片；zvt、zct pwm专用控制芯片；并联均流控制芯片；电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路(power ic)和ipm。ipm以igbt作功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 1.2.3 开关电源发展的整体趋势 小型化、薄型化、轻量化、高频化：开关电源的重量、体积主要是由储能元件（即磁性元件和电容）决定的，所以开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 高可靠性：开关电源使用的元器件相比较比连续工作电源要少数十倍，所以可靠性得到了提高。而从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着通信电源的寿命，所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。 低噪声：开关电源的缺点之一是噪声很大。简单地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。 采用计算机辅助设计和控制：采用caa和cdd技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。 1.3 开关电源的现状 今年来年中国电力电源市场呈现如下特征： 大容量电力电源产品的需求迅速提升，开关电源市场稳步增长。因为国家对能源和环保问题日益重视，电力行业结构调整势在必行；随着电力电子技术的进步，开关电源在节能降耗环保问题上的作用日益显著；高效、大容量机组渐成市场主力，有效拉动电源市场需求，所以中国电力电源市场的这种变化与我国宏观政策导向和电力行业的影响密不可分。受国家宏观政策的影响，我国电力行业结构有所调整，小火电机组相继叫停，大型、高效机组陆续投产。这种电力行业结构的转变显著拉动了大容量电源的市场需求，从而有效带动开关电源市场稳步增长。 市场集中度较低，厂商竞争相对激烈。中国电力电源厂商有近1000家，分布地域广而分散，市场规模亦较为均衡，厂商市场占有率均在10%以下。开关电源市场集中度相对较低，厂商间竞争较为激烈成为开关电源市场的主要特征之一。随着竞争的加剧，电力电源厂商在市场规模效应和技术研发能力上充分重视起来，以提高品牌影响力和市场竞争力。 技术进步驱动产品创新。电力电源产品与电子技术的进步发展密切相关。近年来，随着我国电力电子技术的快速发展，开关电源产品也朝着高频化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向发展。这种由于技术进步带动的产品创新同时受到市场的认可。“绿色”电源，模块化电源的问世在节能、降耗、环保方面发挥了重要的作用，对于缓解我国的能源和环境问题大有裨益。本章小结 开关电源是电力电子发展的必然产物，顺应了时代的发展，它的出现已经带来了技术的革新。现在无论是国内还是国外都在发展开关电源，所以其前景是美好的，开关电源在一定程度上取代传统电源已经是必然的趋势了。第二章 开关电源的几种结构 2.1 boost电路 2.1.1boost电路图图 2-1 boost电路 2.1.2 boost电路的工作原理 boost电路（图 2-1）即为升压斩波电路，当v1导通时，能量从输入电源流入，并储存于电感l1中，由于q1导通期间正向饱和管压降很小，故这时二极管d1反偏，负载由滤波电容c供给能量，将c1中储存的电能（cv0*v0/2）释放给负载r。当v1截止时，电感l1中电流不能突变，它所产生的感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为下正上负，二极管d1导通，电感中储存的能量（l1i*i/2）经二极管d1，流入电容c1，并供给负载r。 在q1导通的ton期间，能量储存于电感l1中，在q1截止的toff期间，电感l1释放的能量补充在ton期间给电容c1上损失的能量。q1截止时，电感l1上电压跳变的幅值时与占空比有关的，ton愈大，l1中峰值电流大，储存的磁能愈大。所以，如果在ton期间吃内存的能量要在toff期间释放出来，那么，l1上的脉冲必定比较高的。假定开关管没有损耗，并联变换器电路在输入电压v1和输入电流i1，能在较低的输出电流i0下，输出较高的电压v0。 稳压电源达到稳态后，输出电压稳定在所需的恒定值v0，只要适当选择电容c1，输出纹波可做得足够小，当要求纹波为v0，直流输出电流为i0是，由于在管子导通期间全部负载都由c1供电，因此选择c1取决于下式： c1= 当q1导通时，忽略管子导通压降，电感l1上的电压为输入电压v1,并且电流按=速率线性上升，周期ton期间v1导通时，l1中的电流增量为 i（+）=（）ton。当v1截止时，假定l1右端的电感反冲电压等于输出电压v0，则l1上的电压为v0-v1，l1中的电流以i（-）=（v0-v1）toff/l1，而在稳态，ton期间l1中电流的增量应等于toff期间电流的减量，i（+）=i（-），故有 = v0=v1 =v1 =v1 =v1其中d=由上式可知，当改变占空比d时，就能获得所需的上升的电压值。由于占空比d总是小于1，v0总是大于v1。 boost电路能将电压升高的原因是电感l1储能之后具有使电压泵升的作用，而电容c能将输出电压保持住。 2.1.3 boost电路特点 boost电路的电路相比较其他电路来的简单，所以成本比较低，另外boost电路的输出电压高于输入电压，能够起到升压作用。 boost电路的转换效率比较低，所以电源电压的利用率比较低，输出的功率较小。由boost电路最为显著的特点可以知道，boost电路只适用于升压电路。 2.2 buck电路 2.2.1 buck电路图 图 2-2 buck电路 2.2.2 buck电路的工作原理 buck电路（图 2-2）即为降压斩波电路。当控制脉冲使q1导通之后，c开始充电，输出电压v0加到负载r两端，在c充电过程中，电感l1内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加。此时续流二极管d1因反向偏置而截止。经过ton时间以后，控制信号使q1截止，l1中的电流减小，l1中储存的磁场能量便通过续流二极管d1传递给负载。当负载电压低于电容c两端的电压时，c便向负载放电。经过时间toff后，控制脉冲又使q1导通，上述过程重复发生。 当控制信号使q1导通时，电感l1中的电流从最小值i增加到最大值i，当控制信号使v 截止时，l1中的电流又从最大值i下降到i。建设q1具有理想的开关特性，其正向饱和管压降可以忽略，所以可以列出以下的方程： v=v1-v0=l由此可得出： i=dt i=t+iq1导通状态终止时，t=ton时，l1中的电流达到最大值，得： i=ton+i在q1截止期间，l1中的电流经续流二极管d1向负载释放能量，假若忽略d1的正向压降，则可得出下列方程： v0=-l由此可得出： i=-dt i=-t+iq1截止状态终止时，即t=toff时，l1中的电流下降到最小值，得： i=-toff+i由上面的公式可得： v0=v1=v1=dv1式中 ton是开关导通时间，toff是开关截止时间；t时开关管工作周期，d是占空比，d=ton/t。 由上式可知，输出电压v0越开关管的占空比d=ton/t成正比，所以通过改变开关管的占空比可以控制输出平均电压的大小。由于占空比d=ton/t总是小于1，所以v0总是小于v1，所以这样的电路称为降压斩波电路，即buck变换器。 2.2.3 buck电路的特点 buck电路只能实现降压，所以在任何时候，输出电压只能比输入电压低。由于电路中没有变压器，所以输入和输出之间没有隔离。buck电路的输出只有一路，不能用于多路输出，除非加个第二级的电压调节器，虽然buck电路即可以工作于电流连续状态，又可以工作于电流总是断续的。 buck变换器开关的门极驱动很麻烦，但是buck电路简单，所以成本比较低，而且buck变换器能把一个正的输入变换成一个负的输出。2.3 正激电路 2.3.1 正激电路图图 2-3 正激电路 2.3.2 正激电路的工作原理 当开关管vf导通时，输入电压v1全部加到变换器一次绕组w1两端，去磁绕组w1上产生的感应电压使二极管vd1导通，并将输入电流的能量传送给电感l0和电容c以及负载r。于此同时，在变压器t中建立起磁化电流，当vf截止时，vd2也截止，电感l0上的电压极性反转，并通过续流二极管vd3继续向负载r供电，变压器中的磁化电流则通过w1、vd1向输入电源释放而去磁。w1具有钳位作用，其上的电压等于输入电压v1，在vf再次导通之前，t中的去磁电流必须释放到零，即t中的磁通必须复位，否则变压器t将发生饱和，从而导致vt损坏。通常w1=w1，采用双线并绕耦合方式。vt的导通时间应小于截止时间，即占空比小于0.5，否则t将饱和。 如下图2-4所示可得： =nv0/v1 vd2、vd3、l中的电流最大值为： i=i0+(-v0) vf中的电流最大值为（lw为变压器一次侧电感量） i1=+=+(-v0)+ vf上的最大电压：v=2v1 图 2-4 正激变换器的波形图 vd1上的最大反向电压：v=2v1 vd2和vd3上最大电压：v=v=v1/n v0和v1关系：v0=v1-v-v 2.3.3 正激电路的特点 正激电路导通时输入馈电给负载，截止时l供电给负载，当单管正激时，开关管的最大电压为2v1，变压器的利用率不高（仅适用磁滞回线第一象限），制作上要加反馈绕组。 正激电路一般采用电压叠加的双正激开关电路。 当采用双正激时，功率增大了一倍，输出频率增加一倍，纹波及动态响应得到改善，开关管耐压值减半，而且取消了反馈绕组，自身的几个稳压管构成反馈路径，降低了变压器的制作工艺要求。因此双正激电路广泛应用于大功率变换电路中，被认为是目前可靠性较高，制作不复杂的主要电路之一。 2.4 反激电路 2.4.1 反激电路图图 2-5 反激电路 2.4.2 反激电路的工作原理 上图2-5的工作过程是，接通v1后，通过启动电路r1、r2、c1、vd3在vt基极中流过小电流，一次绕组w1启动，在反馈绕组w1上产生一个感应电压；此电压使vt基极电流增大，导致其集电极电流随之增大，形成正反馈过程，使vt很快饱和。吃食w2两端电压使vd2反偏，随着vt集电极电流增大，r3上的压降增加，vt的基极电位由于电路中加了稳压二极管vd3而保持不变，故vt基极电流不断减小，vt开始退出饱和区,并向截止状态转换。vt的基极电流减小引起集电极电流减小，w1、w1及vd1上的极性均发生翻转，vt的基极电流进一步减小，其集电极电流也随之减小，形成正反馈过程，vt很快截止。在vt截止期间，由于w2极性翻转式vd2导通，t在vt导通期间所存储的磁能转成电能而释放，供给负载。当磁能全部释放完毕，w1上压降为零时，启动电路重新开始工作，周而复始，形成自激震荡。 由图反激波形图可得： vcemax=vimax+nvomax二极管vd2上的最大反压为： v=+vcemax 图 2-6 反激波形图 周期t越输入电压及输出电压的关系式为： t=ton+toff=2p0lw（+） 从上式可知，当v1、v0一定时，f与p0成反比；当p、v0一定时，f与v1成反比，属于脉冲宽度与频率混合调制，也是自激行反激式电路的主要特性。 变压器一次电流与输入电压、输出电压之间的关系式为： i=2p0（+）从上式可知，当p0、v0一带那个是，v1增大，i减小；当v1、v0一定时，i与p0(即i0)成正比，在v1=v1，以及p0=p时，i值最大。 输出电压与输入电压之间的关系： v0=tonv1 2.4.3 反激电路的特点 在vt导通期间，vd2反偏；在vt截止时，vd2正偏，供给负载功率；vt集电极承受的最大电压值vcemax=vimax+nvomax；另外电路的利用率不高，一般用在小功率输出场合。本章小结 开关电源有多种拓扑结构，常用的是上面所提到的几种，每一种拓扑结构都要自己的优势和缺点，所以只有仔细分析各种拓扑结构，才能决定自己的设计选择哪种才是最优设计。第三章 电路的选择 3.1 电路拓扑类型的选择 3.1.1电路拓扑结构选择要注意的问题 1）升压或降压：输入电压总是比输出电压高或低吗，如果不是就不能选择buck变换器或boost变换器 2）占空比：输入电压和输出电压是否相差5倍以上，如果是，就可能要用变压器。计算合适的占空比，不要使占空比太小或太大。 3）需要多少组输出电压：如果多于一组，除非再后接电压调节器，否则就可能需要变压器，输出电压组数很多时，建议用多个变换器，这样做的结果比较理想。 4）是否需要隔离：考虑电压的高低，如果需要隔离就需要变压器。 5）emi有什么要求：emi的要求横哦啊，建议不要输入电流不连续的那些拓扑，如buck变换器，boost变换器，最好让变换器工作于电流连续模式。 6）成本高低：对离线式电源来说，也可以用igbt，否则就考虑mostet 7）电源是否需要空载工作：如果电源需要空载工作，变换器就要工作于电流断续模式，除非是同步整流。 8）是否能够同步整流：同步整流不管负载大小如何，都可以是变换器工作于电流连续模式 9）输出电流的大小：如果输出电流很大，选用电压模式要比电流模式控制好。 3.1.2拓扑结构的对比分析 buck电路存在着很多限制，变换电路上只有一个电感，没有变压器，这就意味着输入和输出之间不可能有隔离。buck变压器只能对输入电压进行降压变换，如果输入电压比输出电压低，变换器就不能正常工作，而且buck电路只有一路输出，如果需要多路输出电压，除非愿意采用第二级电压调节器，如接解线性调节器，buck电路就不能使用；虽然buck电路既可以工作于电流连续状态，又可以工作于电流断续状态，但是输入电流总是断续的，这就意味着每个周期里，当开关关断时，输入电流为零，输入电流断续会使emi滤波器要比别的电路拓扑更大，而且buck电路不应用门极驱动。 boost电路一个周期时间内，开关导通时，电压加于电感上，电流以某一斜率上升，并将能量储存在电感中，当开关关断时，电流讲过二极管流向输出电容和负载。但是buck变换器只有一个输出电压，无法得到多个输出电压，输出电压和输入电压没有隔离，输出电压不能比输入电压低，即使完全关断开关，输出电压只能等于输入电压（除去二极管的导通压降）。如果你需要只有一组输出且不用隔离的电源，那么boost变换器只需要处理只有一个绕组的电感即可。 正激式变换器需要有一个最小负载，电感必须足够大，才能保证脉动电流的峰值小于最小负载电流，否则电流就不会连续，并引起输出电压上升，所以正字式变压器不能工作在空载状态，因为无穷大的电感是不现实的。正激式变换器的变压器不能存储能量，因此不像反激式变换器那样有功率上的限制，变换器只有一个电感，用来平滑输出电容上的电流，正激式变换器可以做到500w甚至更大，这对mosfet的要求比较高。 反激式变换器，开关导通时，能量存储于变压器原边的电感中，注意变压器的同名端，当开关关断时，漏极电压要高于输入电压，变压器副边电压高于地，使二极管导通，向输出电容和负载提供电源。反激式变化器可以在变压器副边有多少个绕组，方便地输出多组电压。各个输出电压和原边隔离，而且各组输出电压可以任意大小，仅仅通过调节器的变比就能实现。这种电阻可以工作于电流模式，也可以工作于电流断续模式，而且反激式变换器最常见的工作模式是电流断续模式。 我所设计的开关电源的输入是我们所用的日常的交流电，而输出的电压是48v，输出的最高电流是5a。因为buck变化器和buck变化器是不用变压器的，是非隔离式的，而且都是针对小功率的，只能单方面的升压或降压，且不能多路输出，调试上不出现问题，我想再做一路15v的输出，所以不考虑buck变化器和boost变换器。正激电路的优点很多，但是正激变换器的变压器是不能够存储能量的，虽然没有功率上限，但是正激电路多采用双正激开关电路用在较大的功率场合，而且对于要求严格的mosfet管，以现有的条件限制无法满足。从实验室现有的材料，我准备采用输出功率更大、设计灵活性更强、高效节能的集成离线式开关ic，top250，在top250的典型电路中采用的就是反激式，反激式的输出功率是几瓦到几百瓦，正好符合输出的要求。 下面是根据所选的设计出来的整体结构图：图 3-1 电路的整体结构 3.2 反激变压器的主要方程 我们从交流电已经整成直流开始，电压加在原边电感上，开关导通期间，电流持续上升： ipk=ton= 这里，d是占空比，f是开关频率，t=是开关周期，这个方程适用于电流断续反激式变压器，原边电流波形图。图 3-2 断续模式下反激式变压器的电流波形 储存在原边电感中的电量取决于峰值电流的大小： e= 能量每个周期传递一次： p=ef=这个方程式电流断续模式下反激式变压器的基本方程。这个方程告诉我们，一旦输入电压固定，如果要增加输出功率，那么只能通过减低开关频率或减少电感来实现。而如果开关频率也以选定，那么只有通过减少电感才能增加功率。但是实际的电感都由一个最小值，断续工作的反激式变换器由最大输出的限制。 由所选的器件得知开关频率为132kz，计算得： 48*5w= 得出原边电感值为l200uh，可以计算得峰值电流ipk为： ipk=4a3.3 变压器磁芯的选择和匝数的计算 3.3.1 变压器的磁芯的选择 现在我们来选择磁芯材料。考虑到开关频率比较高，我们选用铁氧体材料或者mpp，完善的设计必须两者都考虑，这里我们只考虑铁氧体材料，因为如果效率相同，铁氧体磁芯的体积比mpp的体积更小。 我们已经知道（工程上单位取厘米、安和高斯） bmax= （1）以及： l= （2） 这里l是磁路长度。我们要用的铁氧体磁芯磁路长度非常短，这样b值会很大，甚至可能会使磁芯饱和，同时损耗也增大。因此反激式变压器（包括一些采用铁氧体材料的直流电感器）总是采用气隙。由于空气空气的磁导率远远低于铁氧体，一次气隙能够极大地增加磁路的有效长度。带有气隙磁芯的有效磁路长度为： l=l=u*l （3）在很多实际应用的例子中，后面一项远远大于前面一项 u*ll （4）所以这样的近似是合理的 lu*l （5） 注意：制置是一个近似关系，并不能保证任何时候都成立，每一次设计的时候都要检查一下这个近似关系是否成立。 近似值来计算，我们可以得到以下式子： b=与 （6） 这些方程的使用前提我们必须清楚：对于带有气隙的铁氧体材料磁芯，在确认（4）方程成立的条件下，可以试方程（6）；否则，应使用基本方程（1）和（2），如果磁芯的气隙非常小，应该使用有效磁路长度（3)。 我们需要在不同的磁芯中进行选择，以确定自己所选的型号是最合适的，变压器的高度要求是我们的设计准则。但是考虑到成本，只能现有的材料中选择相近似的磁芯，现有的磁芯中最接近的是e42如图3-3。图 3-3 磁芯 由于我做的这个变压器的开关频率为132khz，查一下软磁铁氧体材料选择表，e42的性能优良，能够适用所设计的电路。3.3.2 变压器的匝数的计算 磁芯的形状和材料选择好以后，下面我们要选择合适的气隙。通常先取最大磁感应强度，然后确定气隙大小，磁通也就确定了。对于气隙，可能会有一个问题，有时要求磁芯只有一边气隙，而另一边没有气隙。着需要特意模具，需要花费很多，另一个可能出现的问题是：气隙非常小，任何一点很小的气隙误差都会对磁感应强度产生很大的影响，并进一步影响损耗，甚至会导致磁芯的饱和。 即使是使用带有气隙的磁芯，仍然会有很多问题：由于本身的气隙很小，当两块磁芯连接在一起的时候，总的气隙误差会比较大；粘合的胶水也会增加气隙的长度。 回到我们的设计来，我们可以查到e42的a的值为376nh，大的a意味着匝数可以最少，那样线圈电阻也可以最小。200uh需要的匝数为： n=23匝说明气隙可以通过ae=178mm=0.178cm来计算，所以有 376nh=这样，可以得到气隙长度l=0.059cm，算好磁感应强度，就可以计算出磁感应强度： b=1958g 因为我所选用的磁芯的最大磁通密度是2286g，计算出的磁感应强度小于最大的磁通密度，所以选用的磁芯是合适的。 现在来计算次级线圈的匝数（是48v匝数）。 由公式： =n2的二次侧的线圈的匝数，n1为一次侧的线圈匝数,v0为输出电压，v为二极管顺向电压，v1（min）是输入的最小的电压，d为占空比。 =所以n2=19匝3.3.3 磁芯等的各种损耗 在反激式变压器里，电流是单向的，所以磁感应强度也是单向的：从0增加到b，然后又降低到0。所以磁感应强度的峰峰值是b的一半。132khz时，对于e42这种材料，磁感应强度为2286/2=1143g时的损耗近似为320mw/cm。 现在我们降低开关频率可否降低磁芯损耗，损耗与频率、磁感应强度之间是一种非线性关系，典型的关系式为： loss/lb=因为，我们需要有2倍的电感值来保持同样的功率，这就意味着需要倍的绕组来实现两倍的电感，这就使得磁感应强度变为原来的，因为磁感应强度b与匝数同比增加。 总的损耗，即每一磅的损耗乘以重量，为 1.92fbl由于磁芯的重量和存储能量的大小有直接的关系，而存储能量与电感呈电感量呈线性关系。因此开关频率降低一半，磁芯损耗几乎变为原来的2倍。另一方面，降低开关频率的确能够降低开关晶体管的损耗： pk+af式中，k由通态损耗决定，a由开关速度决定。如果开关损耗远大于通态损耗的话，可以有： p 0.5p一般情况下，通常的情况是这样的：即使在整个范围内进行优化，改变开关频率对效率的影响不是很大。而真好的好处在磁芯尺寸的大小却非常明显，随着开关频率增加，体积明显可以减小。 下面我们来计算一下磁芯损耗，磁芯的总体积3.7cm，因此磁芯的损耗为320mw/cm*3.7cm=1184mw。磁芯的损耗是可以的。 如果磁芯损耗大得无法接受，可以有两个方法：第一个办法是进一步增加气隙，如两半块磁芯的匹配连接，定制自己需要的，带有气隙的磁芯；第二个办法是选用大尺寸的磁芯，随着气隙的增大，其边界范围也随着增大，漏感也要增大，漏感增加会影响到电路中的其他元件，并且使变压器的效率降低。同时大型号的磁芯体积也相应的比较大，需要占用更大的印制板面积，成本更高。在工程设计中，通常要权衡这些因素，折合选择。下图为我做好的变压器：图 3-4 变压器的正面 本章小结 通过第二章的对各种拓扑电路的分析，结和所有的因素，我们选择了合适的拓扑结构，通过选择的拓扑结构来计算变压器的各种参数。 第四章 开关电源中的芯片介绍 4.1 top250 4.1.1 top250的管脚图及其作用图 4-1 top250的管脚图 漏极 (d) 引脚：高压功率mosfet的漏极输出。通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。 控制 (c) 引脚：误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动补偿电容的连接点。 线电压检测 (l) 引脚：(仅限y、r或f封装)过压(ov)、欠压(uv)、降低dcmax的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 外部流限 (x) 引脚：(仅限y、r或f封装)外部流限调节、远程开关控制和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 多功能 (m) 引脚：(仅限p或g封装)此引脚集y封装的线电压检测(l)及外部流限(x)引脚功能于一体。是过压(ov)、欠压(uv)、降低dcmax的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能并使 top250以简单的三端模式工作。 频率 (f) 引脚：(仅限y、r或f封装)选择开关频率的输入引脚：如果连接到源极引脚则开关频率为132 khz，连接到控制引脚则开关频率为66 khz。p和g封装只能以132 khz开关频率工作。 源极 (s) 引脚：这个引脚是功率mosfet的源极连接点，用于高压功率的回路。它也是初级控制电路的公共点及参考点。 4.1.2 top250的特色 输出功率更大以适应更高功率的应用，使用p/g封装时输出功率在34 w以下都无需散热器，而且节约外围元件成本，采用完全集成的缓启动电路降低了器件的应力及输出电压过冲，外部电路实现精确的流限编程，而且更宽的占空比实现更高的输出功率，同时可以使用更小尺寸的输入滤波电容，在y/r/f封装具有独立的输入线电压检测及流限编程引脚，输入欠压(uv)检测可以防止关机时输出的不良波动，输入过压(ov)关断电路提高了对输入浪涌的耐受力，具有最大占空比(dcmax)降低特点的线电压前馈抑制了，工频纹波并