毕业设计论文 开关电源 脉宽调制基于TOP222Y的单片开关电源的设计

1、摘要采用pwm控制器和mosfet功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。本文介绍了三端pwm/mosfet二合一集成控制器件topswitch系列的工作原理及其在开关电源设计中的应用，同时也介绍了与topswitch相匹配的高频功率变压器的设计。其中， pwm控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。在研究了单片开关电源的工作原理基础之上，采用top222y芯片设计了输出为5v/2a小功率单片式开关电源电路及高频变压器；并对电路中的一些元器件的参数进行了计算和选择。该电路基本能满足设计的要求。通过毕业设计，即巩固了所学的知识 ，又得到了一次实践的锻炼。关键词：开关电

2、源、脉宽调制、top222y目录第一章 序言11.1 开关电源的发展11.2 单片开关电源芯片及应用1第二章 单片开关电源工作原理32.1 开关电源的工作原理32.2 单片开关电源的工作原理4第三章 基于top222y的单片开关电源的设计63.1 top222y的工作原理63.2 基于top222y芯片单端反激式开关电源的设计8第四章单片开关电源电路的元件选择与参数计算114.1 整流滤波电路元件的选择114.2 pc817的内部结构及工作原理114.3 tl431的工作原理114.4 pc817光电耦合器与tl431外围器件参数计算124.5 tl431的取样电阻计算12第五章 高频变压器设

3、计145.1 变压器的分类145.2 高频变压器的工作原理145.2 高频变压器设计方法145.3 高频变压器的绕制15第六章 总结17第一章 序言1.1 开关电源的发展开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制ic和mosfet构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出功率端移动，这为开关电源提供了广

4、阔的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。传统开关电源设计一般均采用分立的mosfet功率开关和多引脚的pwm集成控制器，电路的结构非常复杂，系统的稳定性不够理想，分立的mosfet功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分pwm集成电路和mosfet功率开关，集成在同一块芯片上，构成pwm/mosfet二合一集成芯

5、片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。topswitch器件是美国功率集成公司(power integrations)于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式pwm开关(three-terminal offline pwm swtich)的英文缩写， 其第一代产品以1994年推出的top100/200系列为代表， 第二代产品则是1997年问世的topswitch-。上述产品一经问世便显示出

6、强大的生命力，它极大地简化150w以下开关电源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。1.2 单片开关电源芯片及应用1topswitch系列器件是三端脱线式pwm开关（three terminal off line pwm swtich）的英文缩写。topswitch系列器件主要包括下列型号：top100top104，top200top204/top214，top209/top210等。topswitch - 是top-sw itch 的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100w提高到150w，电磁兼容性也得到增强，具有更高的性能价格比，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模

7、块的优选集成电路。topswitch- 所包括的几个型号之间的区别在于输出功率的不同，其产品分类见表1.1。表1.1topswitch-的产品分类及最大输出功率产品型号固定输入（110/115/230v,ac,15）宽范围输入（85v265v,ac）top221y127top222y2515top223y5030top224y7545top225y10060top226y12575top227y15090top221p/221g96top222p/222g1510top223p/223g2515top224p/224g30 20topswitch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的

8、具有通态可控栅极驱动电路的高压n沟道功率的mos场效应管，电压型pwm控制器，100khz高频振荡器，高压起动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。采用topswitch器件的开关电源与采用分立的mosfet功率开关及pwm集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：1. 成本低廉；2. 系统效率高；3. 电源设计简化；4. 应用灵活性高；5. 功能完善的系统级故障保护。值得注意的是，top222y还特别为小功率备用电源应用作了优化，弥补了topswitch系列在这一类应用中的不足。应用top222y可以设计出性价比更高的开关电源，可为绿色

9、或节能产品，如个人电脑、监视器、ups、复印机、传真机提供备用电源，还可在诸如电视、家用电器、工业控制器和个人电脑等产品中应用。第二章 单片开关电源工作原理2.1开关电源的工作原理“开关电源”是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率,使一个电路运行于“开关状态”并维持稳定输出电压的一种电源；与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。但是，开关电源也

10、存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点，随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。开关电源的主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。除主电路外还有控制电路，作用是保证主电路正常工作。开关电源分类方法有很多种：根据输入输出类型可分为dc/dc变换器和ac/dc变换器；根据驱动方式可分为自励式和他励式；根据控制方式可分为脉冲宽度调制式、脉冲频率调制式和混合式；根据电路组成可分为谐振型和非谐振型。此外还可分为单端正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式、升降压式等。1开关电源的工作原理图2.1所示，50hz单相交流220v电压或三相交流220v/380v电压经em

11、i防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百khz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。图2.1开关电源原理框图2脉冲宽度调制型(pwm)开关电源图2.2 pwm方式开关电源框图(1)原理结构采用pwm技术的开关电源原理结构如图2.2所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，其余为控制回路。(2)工作原理工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经功率转换电路，变换成

12、符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。控制回路在提供高压开关t管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压一脉冲宽度转换电路(v/w电路)、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路，以及自用电压源等基本电路构成。对于pwm方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟振荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经v/w电路调制脉冲宽度以调节输出电压。例如，由于某种原因(负载电流减小或电网电压上升)使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随

13、之提高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误差电压，v/w电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。3高频开关电源的发展趋势现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其中开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等是高频开关电源的发展趋势,这些技术的成熟,将实现高效率用电和高品质用电相结合。2.2 单片开关电源的工作原理单片开关电源的原理框图2.3所示。交流220v市电经电源噪声滤波器lf后再图2.3单片开关电源

14、的原理框图通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，变成308v的直流电压供给topswitchii器件，topswitchii构成dc/dc变换电路，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。第三章 基于top222y单片开关电源的设计3.1 top222y的工作原理21. topswitch-ii芯片介绍top222y是专业从事电源半导体芯片设计和生产的美国power integration公

15、司的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路topswitch-ii系列芯片。topswitch-ii系列芯片有三种封装形式，to-220型、dip-8型和smd-8型等。其中最常见的为三引脚的to-220封装,如图3.1所示。图3.1 topswitch的管脚排列（a）to220封装（b）dip8封装和smd8封装(1)控制极c：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。启动时由内部高压电流源提供内部偏置电流；在正常工作时，流入反馈控制电流。同时用作电源旁路电容器和自动启动/补偿电容器的接入点。(2)源极s：在to-220封装中，既是mosfet管的源极接点，也是开关电源初级 回路的公共点和

16、参考点。(3)漏极d：mosfet管漏极接入点。在启动时，提供内部偏置电流。2. topswitch-ii的特点(1)topswitch-ii系列芯片将脉宽调制（pwm）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管（mosfet）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。(2)输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110v115v230v交流电，允许变化15；在宽电压范围输入时，适配85v265v交流电，但pom值要比前者降低40。(3)top

17、switch只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。开关频率的典型值为100khz，允许范围是90khz110khz，占空比调节范围是1.767。(4)外围电路简单，成本低廉。芯片本身功耗很低，电源效率可达80左右。3.topswitch的工作原理topswitch-ii系列芯片内部结构框图如图3.2所示。主要由以下几部分组成：n沟道高压mosfet管、栅极驱动器、电压模式的pwm控制器、误差放大器、100khz振荡器、输入欠压保护、输出过流、过热保护电路及尖峰抑制电路等。图3.2 topswitch-ii系列芯片内部结构框图

18、(1)控制电压源:控制电压uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流ic则能调节占空比。控制端的总电容用ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由d-c极之间的高压电流源提供控制端电流ic，以便给控制电路供电并对ct充电。(2)带隙基准电压源:带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。(3)振荡器:内部振荡电容是在设定的上、下阈值uh、ul

19、之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（saw），与此同时还产生最大占空比信号(dmax)和时钟信号(clock)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100khz，脉冲波形的占空比设定为d。(4)放大器:误差放大器的增益由控制端的动态阻抗zc来设定。zc的变化范围是1020，典型值为15。误差放大器将反馈电压uf与5.7v基准电压进行比较后，输出误差电流if，在rfb上形成误差电压ufb。(5)脉宽调制器（pwm）:脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流ic的大小，即可调节占空比d，实现脉宽调制。第二、误差电压ufb经由

20、ra、ca组成截止频率为7khz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至pwm比较器的同相输入端，再与锯齿波电压uj进行比较，产生脉宽调制信号。(6)门驱动级和输出级:门驱动级（f）用于驱动功率开关管(mosfet)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。mosfet管的漏源击穿电压u(bo)ds700v。(7)过流保护电路:过流比较器的反相输入端接阈值电压ulimit，同相输入端接mosfet管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6a或0.75a。(8)过热保护电路:当芯片结温tj135时，过热保护电

21、路就输出高电平，将触发器置位，q=1，关断输出级。此时进入滞后调节模式，uc端波形也变成幅度为4.7v5.7v的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3v以下，达到uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器置零，使mosfet恢复正常工作。(9)关断/自起动电路:一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5占空比下工作，同时切断从外部流入c端的电流，uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2hz。(10)高压电流源:在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关给内部电路

22、提供偏置，并且对ct进行充电。电源正常工作时电子开关改接内部电源，将高压电流源关断。当top开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变if，经由pwm控制mosfet的输出占空比，最后达到动态平衡。3.2 基于top222y芯片单端反激式开关电源的设计5图3.3是用top222y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。由于topswitch芯片集成度高，设计工作主要为输人滤波、钳位保护、输出整流滤波及反馈等外围电路的设计34。该电源电路拓扑为单端反激式，220v市电经电源噪声滤波器lf后再通过桥

23、式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波图3.3 采用top222y芯片设计的单端反激式开关电源原理图器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308v的直流电压供给topswitchii器件，topswitchii构成dc/dc变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压

24、输出。电路的工作频率为100khz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有3个绕组，其中的5v/2a绕组n3控制topswitchii器件的脉宽，即这一组输出电压为pwm稳压，由并联可编程稳压器tl431和光电耦合器pc817a及分压电阻r203、r205完成取样反馈工作。之所以选择这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组n2。反馈回路由外部误差放大器tl431加精密光耦pc817a构成。电路利用流过光耦pc817a呈线性关系变化电流来控制topswitch的ic，从而改变pwm宽度，达到稳定输出电压

25、的目的。流人topswitch控制脚c的电流ic与占空比d成反比关系，如图3.4所示图3.4 topswitch占空比与控制电流的关系第四章 单片开关电源电路的元件选择与参数计算4.1 整流滤波电路元件的选择4输入滤波电容c1的值可根据输出功率按照1 uf/w来取值，并考虑余量后可采用22 uf/250v的电解电容。由d200和d201构成的钳位电路可防止高压对top222y的损坏，d200采用p6ke150型瞬态电压抑制器(tvs)，其钳位电压为150v，钳位时间仅1ns，峰值功率是5w。d201需采用uf4005型1a/600v的超快恢复二极管（frd），其反向恢复时间trr=30ns。输

26、出整流滤波电路由整流二极管、滤波电容和滤波电感构成。整流二极管选用mur320，其反向电压值vr=200 v，工作电流ip=3a。其最高反向工作电压大于实际承受的最大反向峰值电压。滤波电容选择细高型的120 uf/35 v低esr电容。输出滤波电感采用3.3u h 的穿心电感，又叫磁珠电感。其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小，一般为0.0050.01 ，能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接有共模抑制电容c214。4.2 pc817的内部结构及工作原理pc817是线性光电耦合器，是以光为媒介来传播电信号的器件。通常是把发光器（发光二极管led）和受光器

27、（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图4.1所示。图4.1 pc817内部框图pc817当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。 普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。 pc817光电耦合器不但可以起到反馈作用，还可以起到隔离作用。 4.3 tl431的工作原理在本设计中就是利用tl431和光耦构成反

28、馈电路，基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器tl431来完成，在反馈电路的应用中运用采样电压通过tl431限压，由于tl431具有体积小、基准电压精密可调、输出电流大等优点，所以用tl431可以制作多种稳压器。其性能是输出电压连续可调达36v，工作电流范围宽达0.1100ma，动态电阻典型值为0.22欧,输出杂波低。其最大输入电压为37v，最大工作电流为150ma，内基准电压为2.5v，输出电压范围为2.530v4.4 pc817光电耦合器与tl431外围器件参数计算电源反馈隔离电路由光电耦合器pc817以及并联稳压器tl431 所组成，如图4.2所示，其中r2为光耦的限流电阻，r3 及r4

29、 为tl431 的分压电阻，c1 作为频率补偿之用。光电耦合器的限流电阻r2 可由下式求得 (4-1)其中 vf 为二极管的正向压降， if 为二极管的电流。若pc817 之耦合效率为 ，则所产生的集极电流ic 会与if 之间关系式为: (4-2)此时反馈电压信号为: (4-3)输出电压vo ，则由tl431内部2.5v之参考电压求得: (4-4)图4.2 取样反馈隔离电路图4.5 tl431的取样电阻计算1.计算总取样电流iq值 iq=2.5/r4=2.5v/10k=0.25ma 这里设总取样电流为0.25ma,所以r4取10k。 2.计算r1值 a路取样电流为：ia=iq*ioa/(ioa

30、+iob+ioc) ia=0.25ma*3.5a/(3.5a+2a+10a) ia=0.056ma r1=(voa-2.5v)/ia=(12v-2.5v)/0.056ma r1=170k(可用150k与20k电阻串联) 3.计算r2值 b路取样电流为：ib=iq*iob/(ioa+iob+ioc) ib=0.25ma*2a/(3.5a+2a+10a) ib=0.032ma r2=(vob-2.5v)/ib=(5v-2.5v)/0.032ma r2=78k(可用56k与22k电阻串联) 4.计算r3值 c路取样电流为：ic=iq*ioc/(ioa+iob+ioc) ic=0.25ma*10a/(

31、3.5a+2a+10a) ic=0.16ma r3=(voc-2.5)/ic=(3.3v-2.5v)/0.16ma r3=5k 5.验算 ir1 =(12v-2.5v)/(150k+20k)=0.0558ma ir2 =(5v-2.5v)/(56k+22k)=0.032ma ir3 =(3.3v-2.5v)/5k=0.16ma 实际取样总电流：iq =0.0558ma+0.032ma+0.16ma =0.2478ma 约等于理论计算值的2.5ma第五章 高频变压器设计5.1变压器的分类变压器按线圈之间耦合材料分，有空芯变压器、磁芯变压器、铁芯变压器。按工作频率分，有高频变压器、中频变压器、低频

32、变压器、脉冲变压器。如收音机的磁性天线，它是高频变压器；在收音机的中频放大级，用的是中频变压器，俗称“中周”；低频变压器种类较多，有电源变压器、输入变压器等；电视机的行输出变压器，也称“高压包”，它是一种脉冲变压器。5.2高频变压器的工作原理变压器的工作原理如图所示：在一次绕组上外施一变流电压u1便有i0流入，因而在铁心中激励一交流磁通，磁通同时也与二次绕组匝链。由于磁通的交变作用在二次绕组中便感应出电势ez。根据电磁感应定律可知，绕组的感应电势正比于安的匝数。因此只要改变二次绕组的匝数，便能改变电势ez的数值，如果二项绕组接上用电设备，二次绕组便有电压输出，这就是变压器的工作原理设计高频变压

33、器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小、铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但bs值比较小，常使用在开关电源中。5.2高频变压器设计方法5高频变压器的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积aw与磁芯有效截面积ae的乘积ap（ap=awae，称磁芯面积乘积），根据ap值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何

34、参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。由于外围电路元件少,该电源设计的关键是高频变压器,下面给出其设计方法。磁芯选择：1.磁芯的截面积估算：选择ae值比较接近的r2kdp锰锌铁氧体材料制成的ee22型磁芯。从手册中可查出ae=0.41cm2。2.初级电感量lp计算：初级峰值电流：初级临界电感量：适当增大lp值，有利于电源工作在连续模式下以提高topswitch的利用率。3.初级感应电压v or的计算：初级感应电压vor是开关管断开期间初级感应到的电压值： 4.确定变压器各绕组匝数：变压器各次级电压由式计算得：。变压器的变比由式计算得： n1=0.2135。初级线圈匝数：，实取18匝。次级线圈匝数：ns1=npn1=3.84，实取4匝。反馈绕组匝数：，实取11匝。5.计算磁芯的气隙宽度lg：单端