[毕业设计精品]小功率通用开关电源的设计与制作

1、题目：小功率通用开关电源的设计与制作 目录摘  要1第一章 开关电源的基本概念与发展21.1 开关电源的基本概念21.2 开关电源的发展2第二章 开关电源的原理介绍与选择32.1 开关电源的基本工作原理32.1.1开关稳压电源的电路原理框图32.1.2调宽式开关稳压电源的基本原理32.1.3 单片开关电源的两种工作模式42.2开关电源的种类选择42.3 反馈电路的基本类型与选择82.4单片开关电源的典型应用电路分析10第三章 小功率通用开关稳压电源的研制113.1性能特点及技术指标113.2 开关电源电路中关键元器件的选择与设计113.2.1 top246y型6端单片开关电源123.

2、2.2 线性光耦合器pc817123.2.3 可调式精密并联稳压器tl431133.3 开关电源的电路设计153.3.1 开关电源电路的工作原理153.3.2 输入整流滤波电路的设计173.3.3 基于top246y的开关电源设计183.3.4 高频变压器的设计和绕制方法193.3.5 输出整流滤波电路的设计223.3.6 稳压反馈电路设计223.4 单片开关电源印制板的设计233.5小结23小结并致谢25参考文献26摘  要本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行的小功率通用开关稳压电源的设计与制作。该开关电源共选用3片主要的集成电路top246y型6端单片开关电源、线性光耦合器p

3、c817a及可调式精密并联稳压器tl431。利用top246y型6端单片开关电源的pwm技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。设计主要完成的内容有：（1）根据设计需要选择开关电源电路；（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；（3）基于top246y对开关电源的控制核心部分进行设计；（4）设计高频变压器，计算确定变压器的变比与绕线匝数；（5）设计输出整流滤波电路，并确定相关器件参数；（6）设计电压反馈电路。本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过反复实验和计算取得了高频变压器设计的宝贵经验，掌握了开关电源设计的核心技术，并对此进行了较为详

4、尽的阐述。 关键词：单片开关电源；pwm；占空比；高频变压器第一章开关电源的基本概念与发展1.1 开关电源的基本概念电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源（switched mode power supply-smps）其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、vcd播放机等家用电器、医用x光机、ct机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，

5、都大量采用了开关电源。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。1.2 开关电源的发展随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，

6、由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的

7、是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（pwm）技术的发展，pwm开关电源问世，它的特点是用20khz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有30%40%。因此，用工作频率为20khz的pwm开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20khz革命。随着超大规模芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件

8、和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。1）小型化、薄型化、轻量化、高频化2） 高可靠性3）低噪声4）采用计算机辅助设计和控制是开关电源的技术追求和发展趋势。第二章 开关电源的原理介绍与选择2.1 开关电源的基本工作原理 2.1.1开关稳压电源的电路原理框图开关稳压电源的电路原理框图如图2.1.1所示。ac dcdc比较器脉宽调制取样器振荡器基准电压输入整流滤波功率转换电路高频变压器输出整流滤波控制电路图2.1.1 开关电源电路框图交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电

9、压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。2.1.2调宽式开关稳压电源的基本原理开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型,即为pwm技术。pwm技术，全称脉冲宽度调制（pulse width modulation,pwm）技术，是通过对一系列脉冲的宽度进

10、行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的。pwm控制技术主要是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从事测量、通信到功率控制与变换的诸多领域。pwm开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号稳定。 调宽式开关稳压电源的控制原理如图2.1.2所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压uo可由公式(2.1)计算：  &

11、#160;            uo=um* t1/t                          公式(2.1)式中um矩形脉冲最大电压值；t矩形脉冲周期；t1矩形脉冲宽度。当um与t不变时，直流平均

12、电压uo将与脉冲宽度t1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可达到稳定电压的目的。 图2.1.2 脉宽调制式开关电源控制原理图2.1.3 单片开关电源的两种工作模式 单片开关电源有两种工作模式，一种是连续模式cum (continuous mode)，另一种是非连续模式dum (discontinuous mode) 。这两种模式的开关电流波形分别如图2.1.3 (a)，(b)所示。 (a) 连续模式； (b) 非连续模式图2.1.3 两种模式的开关电流波由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始增大的，上升到峰值再迅速回零。其开关电流波形成梯

13、形。这表明，因为在连续模式下，储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，所以下一开管周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流ip和有效值电流irms，降低芯片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量lf，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于选输出功率较小的和尺寸较大的高频变压器。非连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再降至零的。这意味着储存在高频变压器中的能量必须在每形个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。非连续模式下的ip，irms值较大，但所需要的ip较小。因此，它适合采用输出功率较大的，配尺寸较小的高频变压器。2.2开关电源的种类选

14、择开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡;它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。

15、1. 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图2.2.1所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管vt1导通时，高频变压器t初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管vd1处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管vt1截止时，变压器t副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过vd1整流和电容c滤波后向负载输出。单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现单路或多路输出，开关管驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调

16、整率。其输出功率为20100w。它也有其一定的缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。单端反激式开关电源使用的开关管vt1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20200khz之间。图2.2.1 单端反激式开关电源2. 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图2.2.2所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管vt1导通时, vd2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感l储存能量：当开关管vt1截止时，电感l通过续流二极管

17、vd3继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管vd1，它可以将开关管vt1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时问应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管vt1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200w的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。 图2.2.2 单端正激式开关电源3. 自激式开关稳压电源 自激式开关稳压电源的典型电路如图2.2.3所示。当接入电源后在r1给开关管vt1提供启动电流，使vt1开始导通，其集电极电流ic在l1中线性增长，在l2中感应出使v

18、t1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使vt1很快饱和。与此同时，感应电压给c1充电，随着c1充电电压的增高，vt1基极电位逐渐变低，致使vt1退出饱和区，ic开始减小，在l2中感应出使vt1基极为负、发射极为正的电压，使vt1迅速截止，这时二极管vd1导通，高频变压器t初级绕组中的储能释放给负载。在vt1截止时，l2中没有感应电压，直流供电输人电压又经r1给c1反向充电，逐渐提高vt1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器t的次级绕组向负载输出所需要的电压。  自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，

19、也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 图2.2.3 自激式开关电源4. 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图2.2.4所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管vt1和vt2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器t次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100500w范围内。 图2.2.4

20、推挽式开关电源5. 降压式开关电源 降压式开关电源的典型电路如图2.2.5所示。当开关管vt1导通时，二极管vd1截止，输入的整流电压经vt1和l向c充电，这一电流使电感l中的储能增加。当开关管vt1截止时，电感l感应出左负右正的电压，经负载rl和续流二极管vd1释放电感l中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在vt1基极上的脉冲宽度确定。图2.2.5 降压式开关电源6. 升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图2.2.6所示。当开关管vt1导通时，电感l储存能量。当开关管vt1截止时，电感l感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管vd1向负载供电，使

21、输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。图2.2.6 升压式开关电源7. 反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图2.2.7所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管vt1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管vt1导通时，电感l储存能量，二极管vd1截止，负载rl靠电容c上次的充电电荷供电。当开关管vt1截止时，电感l中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管vd1向负载供电，同时给电容c充电。降压式、升压式、反转式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。 图2.2.7 反转式开关电源一般来说，功率很

22、小的电源（1100w）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在100w以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500w、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为60w的通用的小功率开关电源，主要采用top246y、pc

23、817a 、tl431等专用芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。因此，本设计就选择了基于top246y的单端反激式开关电源。2.3 反馈电路的基本类型与选择 单片开关电源的反馈电路有4种基本类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配tl431的光耦反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路。它们的简化电路如图2.3所示。(a) 基本反馈电路；(b) 改进型基本反馈电路；(c) 配tl431的光耦反馈电路；(d) 配稳压管的光耦反馈电路图2.3 反馈电路的4种基本类型(a) 基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型化、经济型开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调

24、整率su=1.5%2%；负载调整率si=-4%+4%。(b) 改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管vdz和电阻r1，即可使负载调整率达到-2%+2% 。vdz的稳定电压一般为22v，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压ufb，满足电路的需要。 (c) 配tl431的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。这里用tl431型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对uo作精细调整。这种反馈电路适于构成精密开关电源。(d) 配稳压管的光耦反馈电路，由vdz提供参考电压uz，当uo发生波动时，在led上可获得误差电压。因此，该电路相当于给增加一个外部误差放大器，再与

25、内部误差放大器配合使用，即可对uo进行调整。 由于本设计旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作，所以选择配tl431的光耦反馈电路。2.4单片开关电源的典型应用电路分析系列单片开关电源的典型应用电路如图2.4所示。由于单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现多路输出，开关管驱动简单，因此该电源采用单端反激式电路。图2.4 单片开关电源的典型应用电路由图可见，高频变压器初级绕组np的极性与次级绕组ns、反馈绕组nf的极性相反。在导通时，次级整流管vd2截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；当截止时，vd2导通，能量传输给次级。高频变压器在电路中兼有能量

26、存储、隔离输出和电压变换这三大功能。图中，br为整流桥，cin为输入端滤波电容，cout是输出端滤波电容。交流电压uac经过整流滤波后得到直流高压，经初级绕组加至的漏极上。在功率mosfet关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上还会产生感应电压(即反向电动势)uor，两者叠加在直流输入电压巧上，加至内部功率开关管mosfet的漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管vdz1和阻塞二极管vd1组成，vd1宜采用超快恢复二极管。当mosfet导通时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致vd1截止，因而钳位电路不起作用。在mosfet截止瞬间

27、，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被vdz1吸收掉。该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过vd3，cf整流滤波后获得反馈电压ufa，经光耦合器中的光敏三极管给的控制端提供偏压。ct是控制端c的旁路电容。输出电压uo通过电阻分压器r1、r2分压并获得取样电压，与tl431中的2.5v基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变top246y的控制端电流 ，的输出占空比d与ic成反比，故d减小，这就迫使uo降低，达到稳压目的。反之，uo减小，导致uf减小，ic减小，进而d减小，最终使uo减小，同样起到稳压作用。由此可见，反馈电路正是通过调节的占空比，使输出电压趋于稳定的。第三章 小

28、功率通用开关稳压电源的研制3.1性能特点及技术指标小功率通用开关稳压电源具有输出纹波电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。采用了较新的电路结构，采取一系列措施来降低输出纹波，能在输出过压、过流、过热和电路工作异常时进行保护。具有一定创新性和先进性。线性稳压电源的输出电压稳定度很高，纹波电压很小，其缺点是电源效率低，需使用笨重的工频变压器。而单片开关电源的效率很高，体积小，能省去工频变压器，输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大，可与其他相应的稳压器构成理想的高效、精密稳压电源。-gx适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器（adapter）。本设计的交流输入电压范围是

29、85v265v，这属于全世界通用的电压范围，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。因此，该开关稳压电源的设计主要采用top246y型6端弹片开关电源、线性光耦合器pc817与可调式精密并联稳压器tl431等集成芯片进行设计。该开关电源的基本技术指标为：（1）交流输入电压uaci：220v（85v265v）；（2）电网频率：50hz；（3）开关电源f：132khz；（4）输出直流电压uo： 9v、12v；（5）输出额定电流io：3a、2.4a；（6）额定输出功率po：60w；（7）负载调整率si：-4%+4%；（8）电源效率h：高于84%（当交流电压u

30、aci=85v时，满载效率可达85%；当uaci=230v时，电源效率高达90%）；（9）空载功率损耗：低于0.52w（uaci=230v时）；（10）输出纹波电压：不高于120mv（峰峰值）。3.2 开关电源电路中关键元器件的选择与设计随着pmw技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司power integration inc开发的top switch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、pmw控制电路及保护电路等集成在一

31、起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。本次设计就是针对top switch的第三代产品top246y型6端单片开关电源，并根据设计条件选择线性光耦合器pc817和可调式精密并联稳压器tl431来设计单端反激式开关电源。3.2.1 top246y型6端单片开关电源3.2.1.1 top246y的管脚功能top246y采用to-220-7c封装形式，其外形如图3.2.1.1所示。它有六个管脚，依次为控制端c、线路检测端l、极限电源设定端x、源极s、开关频率选择端f和漏极d。各管脚的具体功能如下： 图3.2.1.1 top246y外形及

32、管脚图控制端c：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流ic的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。线路检测端l：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。top246y的欠压电流iuv为50a，过压电流iav为225a。若l端与输入端接入的电阻r1为1m，则欠压保护值为50vdc，过压保护值为225vdc。极限电流设定端x：外部电流设定调整端。若在x端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。源极s：连接内部

33、mosfet的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。开关频率选择端f：当f端接到源极时，其开关频率为132khz，而当f端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即66khz。漏极d：连接内部mosfet的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。 3.2.1.2 top246y的内部结构 该开关电源脉宽调制器路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器误差放大器（pwm）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断自动重起动电路及高压电流源等部分组成。3.2.2 线性光耦合器pc817 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l

34、ed）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图3.2.2.1。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。图3.2.2.1 pc817内部框图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。 图3.2.2.2 pc817集电极电压vce与发光二极管正向电流if关系pc817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以

35、起到隔离作用。图3.2.2.2 pc817集电极电压vce与发光二极管正向电流if关系。3.2.3 可调式精密并联稳压器tl431 本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器tl431来完成，其特性功能如图3.2.3.1所示。在反馈电路的应用中运用采样电压通过tl431限压，再通过光电耦合器pc817把电压反馈到top249y的控制端c 端。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，输出杂波低。其最大输入电压为37v，最大工作电流为150ma

36、，内基准电压为2.5v，输出电压范围为2.530v。图3.2.3.1三端稳压器tl431的特性功能tl431是由美国德州仪器（ti）和摩托罗拉公司生产的2.536v可调式精密并联稳压器。其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。此外，tl431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。tl431大多采用dip-8或to-92封装形式，引脚排列分别如图3.2.3.2所示。图中，a为阳极，使用时需接地；k为阴极，需经限流电阻接正电源；uref是输出电压uo的设定端，外接电阻分压器；nc为空脚。  图3.2.3.2 tl431的电气符号图和等效

37、电路图tl431的等效电路如图3.2.3.3所示，主要包括：误差放大器a，其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相端则接内部2.5v基准电压uref，并且设计的uref=uref，uref通常状态下为2.5v，因此也称为基准端；内部2.5v基准电压源uref；npn型晶体管vt，它在电路中起到调节负载电流的作用；保护二极管vd，可防止因k-a间电源极性接反而损坏芯片。tl431的电路图形符号和基本接线如图3.7所示。 图3.2.3.3 tl431的电路符号r3是ika的限流电阻。其稳压原理为：当uo上升时，取样电压uref也随之升高，使uref>uref，比较器输出高电平，使vt

38、导通，uo开始下降。 反之，uo下降会导致uref下降，从而uref<uref，使比较器再次翻转，输出变成低电平，vt截止uo上升。这样的循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫使uo趋于稳定，从而达到了稳定的目的，并且uref=uref。 在本设计中就是利用tl431和光耦构成反馈电路，其工作原理就是当输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与tl431中的2.5v基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使led的工作电流发生变化，再通过光耦去改变top246y控制c端电流的大小，调节top246y的输出占空比，从而达到稳压的目的。 3.3 开关电源的电路设计本设计的交流输入电压范围

39、是85v265v，这属于全世界通用的电压范围，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。因此，该开关稳压电源的设计主要采用top246y型6端单片开关电源、线性光耦合器pc817与可调式精密并联稳压器tl431等集成芯片进行设计。该开关电源的基本技术指标为：固定交流输入电压uaci：220v（85v265v）；电网频率：50hz；输出：12v/3a,9v/2.4a,额定输出功率po：60w；负载调整率si：4%；电源效率h：高于84%；空载功率损耗：低于0.52w（u=230v时）；输出纹波电压：不高于120mv（峰峰值）。3.3.1 开关电源电路的工作

40、原理电路主要包括输入整流滤波、top246y脉宽调制、高频变压器、电压反馈整流滤波、输出整流滤波等几部分，其电路原理图如图3.3.1所示。 该电源共使用3片集成电路：top246y型6端单片开关电源（ic1）；线性光耦合器pc817a（ic2）；可调式精密并联稳压器tl431（ic3）。电阻r13用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流id(pk)。这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下，采用较小尺寸的高频变压器。当输入直流电压过压时。r13还能自动降低最大占空比dmax，对最大负载功率加以限制。r13为欠压或过压检测电阻，并能给线

41、路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。取r5=2m时，仅当直流输入ui电压达到100v时，电源才能起动。gx的欠压电流iuv=50a，过压电流iov=225a。有公式 uuv=iuv·r5                                 

42、60;                                               公式 (3.1) uov=iov

43、3;r5                                                 &#

44、160;                              公式  (3.2) 将r5=2m分别代入式（1）和式（2）中得到，uuv=100v（dc），uov=450v（dc）。过压时最大占空比dmax随流入x端的电流ix的增大而减小，当ix从90a增加到190a时，最大占空比dm

45、ax就从78（对应于uuv=100v）线性地降低到47（对应于375v）。在掉电后，欠压检测能在c1放电时减少输出干扰，只要出现输出调节失效或者输入电压低于40v的情况，都会使-gx关闭。当开关电源受到450v以上的冲击电压时，r11同样可使top249关断，避免元器件受到损坏。图3.3.1高效率60w通用开关电源电路原理由vdz1和d9构成的漏极钳位电路，能吸收在mosfet关断时由高频变压器初级漏感产生的尖峰电压，保护mosfet不受损坏。vdz1采用钳位电压为200v的p6ke200a型瞬态电压抑制器。将电容c1电阻r1、r2和vdz1并联后，能减少钳位损耗。选择全频工作方式时，开关频率

46、设定为132khz。为了减小次级绕组和输出整流管的损耗，现将两路次级绕组都分成两路，每路单独使用两只共阴极肖特基对管（d1、d2、d3、d4）并联工作，输出滤波电路由c4、c5、c6、l1、c10、c11、c12、l2、c13、c14构成。空载时，top246y能自动降低开关频率，使得在交流230v输入时电源损耗仅为520mw。top246y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。只要合理地选择安全电容c20和emi滤波器（l3、c21、c22）的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射符合cispr22（fccb）/en55022b国际标准。将c20的一端接ui的正极，能把top246y的共

47、模干扰减至最小。需要指出，c20和c21、c22都称作安全电容，区别只是c20接在高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰，在iec950国际标准中称之为“y电容”。c21、c22则接在交流电源进线端，专门滤除电网线之间的差模干扰，被称作“x电容”。 精密光耦反馈电路由pc817、tl431等组成。输出电压uo通过电阻分压器r7、r8、r12获得取样电压，与tl431中的2.50v基准电压进行比较后产生误差电压，再经过光耦去改变top246y的控制端电流ic，使占空比发生变化，进而调节uo保持不变。反馈绕组的输出电压经d10、c17整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。3.3.2 输

48、入整流滤波电路的设计在输入端先通过emi滤波器（由l3、c11、c12构成）来防止电磁干扰，其内部结构如图3.3.2所示。它能有效地抑制电网噪声，提高电源的抗干扰能力及系统和可靠性。图3.3.2 emi滤波器内部结构参考与本设计类似相关的实验数据资料，本电源就采用alap-ia型的emi滤波器，并合理选择了emi滤波器（l3、c11、c12）的参数值：取l3=20mh、c11=0.1f 、c12=0.1f。为更好抑制emi，滤波器可采用如图3.9所示电路，其中l1、l2、c1可除去差模干扰，l3、c2、c3可除去共模干扰。初步滤波之后，加接单相整流桥，交流输入电压最大值为 uacimax=26

49、5v，经整流滤波后得到其直流输入电压最大值uacimax，由公式（3.3）得到：udcimax=uacimax* (1.21.4)=345v。而输入整流桥的最大反向电压ubr=udcimax=345v，则输入整流桥的反向击穿电压urm应满足：urm=（23）ubr=600v。由于电路的输入电流iacimax限制在3.15a以下，即iacimax<=3.15a。当交流输入电压为固定输入220v时，输入滤波电容通常与输出额定功率po的值相当，并且uacimin=85v，uacimax=265v，由公式（3.3）和（3.4）计算得：udcimin=uacimin*(1.21.4) 公式（3.3

50、）udcimax=uacimax*(1.21.4)                     公式（3.4）计算得到：udcimin=110v，udcimax=345v。此处取c20=680f,耐压400v的电解电容。3.3.3 基于top246y的开关电源设计利用top246y设计了一种新型单端反激式开关电源，其输出分别为9v/2.4a、12v/3a，电路原理如图3.3.1所示。该电源设

51、计的要求为：输入电压范围为交流85265v，输出功率为60w。由此可见，选择top246y能够满足此要求。从该电路原理图中可以看出，电阻r13用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流id(pk)。这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下，采用较小尺寸的高频变压器。将f端与s端短接可将top246y设为全频工作方式，开关频率为132khz。当输入直流电压过压时，r13还能自动降低最大占空比dmax，对最大负载功率加以限制。而r5为欠压、过压检测电阻，在线路检测端l与直流输入电压udci端连接电阻r5可进行线路检测，并能给线路提供电压前馈

52、，以减少开关频率的波动。取r5=2m时，仅当直流输入电压udci达到100v时，电源才能起动。-gx的欠压电流iuv=50a，过压电流iov=225a。因此其欠压保护工作电压为100v，过压保护工作电压为450v，即top246y在本电路中的直流电压范围为100450v，一旦超出了该电压范围，top246y将自动关闭。另外，空载时，top246y能自动降低开关频率，使得在交流230v输入时电源损耗仅为520mw。top246y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。当然，在过压时最大占空比dmax随流入x端的电流ix的增大而减小，当ix从90a增加到190a时，最大占空比dmax就从78%

53、（对应于uuv=100v）线性地降低到47%（对应于375v）。在掉电后，欠压检测能在c1放电时减少输出干扰，只要出现输出调节失效或者输入电压低于40v的情况，都会使-gx关闭。当开关电源受到450v以上的冲击电压时，r5同样可使top249关断，避免元器件受到损坏。但一般说来，由于交流输入电压在85265v范围内，经整流滤波后的直流输入电压就在110345v范围内波动，不会超出100450v的范围，所以本设计的开关电源相对安全。另外，在top246y的外端加接了由vdz1和d9构成的漏极钳位电路。在功率mosfet关断瞬间，高频变压器初级漏感会产生尖峰电压ul，那么就利用由vdz1和d9构成

54、的漏极钳位电路来保护mosfet不受损坏。同时，高频变压器初级漏感在初级绕组上还会产生感应电压（即反向电动势）uor，两者叠加在直流输入电压udcimax上，加至内部功率开关管mosfet的漏极上。这就要求功率mosfet至少能承受700v高压，ubrds700v。所以，uor+udcimax+ul700v，将uor=73v，udcimax=345v带入式中得ul200v。因此，u1采用钳位电压为200v的p6ke200a型瞬态电压抑制器,在mosfet截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被u1吸收掉。 3.3.4 高频变压器的设计和绕制方法高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输

55、的重要部件，开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率h有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性(emc)。为此，一个高效率的高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组的分布电容及各绕组间的耦合电容小等条件。开关电源中变压器的功能是把输入的高频高电压转变为所需要的高频低电压。所以实际工作情况与线性稳压电源中的电源变压器差别很大。线性稳压电源中变压器输入的是正弦交流电，而开关变压器的初级是开关电源的一部分，工作在直流高频斩波状态下进行。这也是设计开关变压器的基本出发点。3.3.4.1 该开关电源高频变压器的参数计算在单端反激式开关电源中，高频开关变压器既是储能元件又

56、是传递能量的主体，设计难度较大，是一个十分关键的环节。设计的主要参数包括变压器变比n，初、次级绕组匝数np、ns和反馈绕组匝数nf等。1. 选择恰当的磁芯与骨架由于该电源的输出功率较为60w，高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足132khz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用ei或ee型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。参考其他同类型相关的实验数据资料，本设计就选用r2kdp锰锌铁氧体材料制成的ee22型铁氧体磁芯，r2kdp属于高频低功耗电源铁氧体材料。 当开关电源的额定输出功率po=60w时，设开关电源的效率h达到85%90%，则高频变压器的额定输入功率pi=po/h=

57、 60w/（85%90%）= 70w。输入直流最小电压udcimin=110v；最大导通时间ton=dmax/f；占空比（也称导通比）是漏极脉宽调制信号中的低电平通态时间ton与开关周期t的百分比，而开关周期t=ton+toff，则dmax= ton /t= ton /（ton + toff）为设定的最大占空比，通常取dmax=0.4；开关频率f=132khz；电源预测效率值h=（85%90%）。2. 初级感应电压uor的计算关断且次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级。初级感应电压uor是开关管断开期间初级感应到的电压值。udcimin=110v，则由公式（3.5）计算：uor=udc

58、imin×ton / toff =udcimin×dmax/(1-dmax) 公式（3.5）计算得到：uor=73v。3. 确定变压器各绕组匝数 （1）变压器变比的计算 当top246y中的mosfet关断时，储存在变压器初级中的能量开始向次级传递，次级两路绕组的电压us1、us2可表示为：us = udcimin×ton / toff×ns/np 公式（3.6） 变压器次级电压与输出电压的关系为： us1=uo+ul+uf=12+0.3+0.4=12.7v；us2=uo+ul+uf=9+0.3+0.4=9.7v；其中变压器次级绕组压降ul为0.3v，输

59、出整流共阴极肖特基对管vd2、vd3压降uf为0.4v。变压器的变比n可表示为： n=ns/np= ns /(udcimin×ton/toff)=us1/uor 公式（3.7） 计算得n1=0.093、n2=0.07。 （2）变压器初级、次级及反馈绕组匝数的计算 根据单端反激式变压器的工作磁通密度及法拉第电磁感应定律=-n×db/dt×s，另外参考同类型相应实验数据资料，可得到初级线圈匝数np、次级线圈匝数ns，即np =43匝， ns1 = np×us1/ uor = 4匝。ns2 = np×us1/ uor =3匝。（3）反馈绕组匝数的计算

60、公式为： nb=np×(ub+uf)/ uor 公式（3.8）将nb =12v，uf =0.7v带入得nb = 4匝。 3.3.4.2高频变压器绕制的注意事项 高频变压器的结构如图3.3.4.1所示，np、ns、nf分别代表初级、次级和反馈级的绕组，110为骨架的引出端。  图3.3.4.1 该单端反激式开关电源变压器绕制示意图（1）初级绕组必须绕在最里层。其优点之一是能缩短每匝导线的长度，减小初级绕组的分布电容；优点之二是初级绕组能被其他绕组所屏蔽，可降低初级绕组对相邻元件的电噪声。 另外初级绕组的起始端应接到的漏极端，利用初级绕组的其余部分和其他绕组将它屏蔽，减小从初级耦合到其他地方的电磁干扰。初级绕组最好设计成两层或两层以下以降低初级分布电容和漏感。在初级各层之间加一绝缘层，能将分布电容减小到原来的1/4左右。漏电感会导致mosfet关断时产生感应电压。为减小变压器的漏感，可采用三明治绕法把副边夹在原边的中