多路输出单端反激式开关电源设计

1、摘 要 电子设备对电源的要求日益增高，促进了开关电源技术的不断发展。本文介绍了基于美国pi公司生产的单片开关电源芯片topswitch系列设计的多输出的ac/dc开关电源。 设计电路选用topswitch系列芯片的top244y，该芯集成了pwm控制器、mosfet功率开关管和欠电压、过电压等保护电路，芯片的开关频率为132khz，最大占空比为78%。设计电路的开关电源输出功率为25w时，实现了12v/1.2a,5v/2a和30v/20ma三路直流电压输出，效率为80%以上。论文介绍了开关电源相关内容，反激式开关电源的原理和应用技术，为电路设计提供了理论指导，并且提出了反激式开关电源的设计规划

2、。仔细分析反激式开关电源之后，选择了电路所需的元器件的型号和参数，最终完成电路图的设计。最后使用芯片专属的优化设计软件pi expert对反激式开关电源进行优化设计。设计结果为，优化设计之前电源的效率为78%左右，实际输出直流电压的最大误差为3.5%，经过优化之后最大误差降为0.36%，且电源效率提高到90%以上。反激式开关电源的直流输出回路接有emi滤波器，有效地降低了开关电源的输出纹波。关键词： 开关电源 ；反激式；多路输出；topswitch-gxtitle design of multi-output single-ended fly-back converter abstractel

3、ectronic devices demanded on power increasingly higher to promote the continuous development of converter technology. this paper introduced the small power multi output ac/dc converter design based on the chip of top-switch produced by american company power integrations.the converter design used to

4、p244y as switching chip, which had pwm control circuit and power mosfet, the chips switching frequency was 132 khz, the maximum duty cycle was 78%. when the output power was 25w, switching power served three dc outputs 12v/1.2a, 5v/2a and 30v/20ma and the efficiency was 80%.the paper introduced some

5、 related content about the converter and the theory and technology of fly-back converter, to provide a theoretical guidance for circuit design. and then the paper proposed a fly-back converter supply design plan. and next, i designed a fly-back switching power circuit, and selected circuits componen

6、ts and parameters. finally using pi expert to optimize this fly-back switching power, i received some result about the designed circuit. before the optimization, the efficiency was 78%, and the actual output dc voltages maximum error was 3.5%, after the optimization, maximum error decreased to 0.36%

7、, and the efficiency increased to 90%. and the fly-back switching power circuit had output emi filter, decreased output ripple of switching power effectively.朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典1. 动词 1. put forward2. propose3. raise4. bring forward5. pose6. advance7. dish朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典keywords: switching

8、power supply；fly-back；multiple output；topswitch-gx目 次1 绪论11.1 开关电源研究的目的和意义11.2 开关电源研究现状及发展前景11.3 开关电源的新技术新理论22 反激式开关电源的原理42.1 反激式开关电源介绍52.2 开关电源的芯片简介62.3 pwm反馈控制方式72.4 反激式开关电源的设计规划83 反激式开关电源的电路设计103.1 开关电源的emi设计103.2 整流电路设计123.3 高频变压器的设计143.4 反馈电路设计173.5 多路输出电压电路设计203.6 保护电路设计213.7 反激式开关电源的电路图224 反激

9、式开关电源电路的优化设计244.1 pi expert 辅助设计软件介绍244.2 直流输出优化设计244.3 高频变压器的优化设计254.4 反激式开关电源优化设计26结论28致谢29参考文献30附录 多路输出反激式开关电源电路图321 绪论能源在社会现代化方面起着关键作用。电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度和高效率，在21世纪必将得到大力发展。开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。1.1 开关电源研究的目的和意义开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。进入80年代计算机电

10、源全面实现了开关电源化，率先完成了的电源替换。开关电源运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。开关电源产品的主要特点是体积小，重量轻，效率高，可靠性和稳定性较好，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出。另外开关电源的发展与应用在节约能源、资源以及保护环境方面都具有重要的意义。例如高频开关整流焊接电源已取代传统焊接电源，广泛用于焊接行业，高频开关整流焊接电源在体积、质量、节能及焊接性能等方面是传统焊接电源无法比拟的。在电力操作系统中使用ac/dc，dc/dc高频开关电源，可以实现与市电的热备用运行，既可在市电正常情况为蓄电池充电，也可

11、以在市电断电时提供负载所需的操作电源，克服了硅整流器及二极管调压存在的体积大、精度差等缺点。应用高压开关电源的脉冲电晕加氨脱硫是一种很有前景的烟气净化技术，可以解决世界性的三大环保问题之一的酸雨。1.2 开关电源研究现状及发展前景半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源的控制电路实现了集成化。20世纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于ac/dc电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的问世。ac/dc电源的集成化变为现实。 随着全球

12、对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，开关电源的效率比传统的线性电源高很多，这样就节省了能源，因此它受到了人们的青睐。但是开关电源也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对于电路的污染严重；电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路；这些都成为开关电源发展中必须解决的问题。开关电源技术追求和发展趋势可以概括为以下几个方面:小型化、微型化、轻量化、高频化，可靠性，低噪声，采用计算机辅助设计和控制，以及低输出电压技术等。开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此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

13、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。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。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电源的寿命。所以，要从设计方面思考，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。而单纯地追求高频化使开关电源的缺点噪声也会随之增大，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向，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。随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低，这就要求dc/dc变换器

14、能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展mosfet、igbt等新型高速器件，开发高频用的低损耗磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工作，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在开关电源技术领域里，边开发低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小型、高频、低噪声、高可靠方向发展。1.3 开关电源的新技术新理论1.3.1 功率因数校

15、正电路虽然开关电源的输入电压是电网的正弦波形，但由于电路是一种非线性元件和储能元件的组合，所以其交流输入电流不是正弦波，而是脉冲波形。脉冲状的输入电流含有大量的谐波，其无功分量基本上为高次谐波。高次谐波的产生大大降低了输入端的功率因数。大量电流谐波分量倒流输入电网，造成对电网的谐波污染。另外，谐波也可能使电路发生故障甚至损坏。所以为了提高功率因数，减少电流畸变，从20世纪80年代开始，将开关变换器技术应用到改善电流波形和提高功率因数上来，研发了功率因数校正（power factor correction, pfc）这项新技术。pfc电路的作用是在电网和负载之间插入校正环节，是输入电流波形逼近输

16、入电压波形，以提高功率因数并限制开关电源的谐波电流对电网的污染。pfc的方法很多，目前采用较多的是有源boost-pfc。它是由单相桥式整流电路和dc/dc boost变换器组成。在理想情况下，当输入电压按正弦规律变化时，输入平均电流也按正弦规律变化。这样，电流谐波大大减小，提高了功率因数。1.3.2 软开关技术总所周知，在硬开关方式下不断提高变换器的工作频率会引起一些问题，如开关损耗大，感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰小，电磁干扰严重。上述问题严重妨害了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效途径。和硬开关工作方式不同，理想的软关断过程是电流先降到零

17、，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零，同时也解决了感性关断的问题。理想的软开通过程是电压先降到零之后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，电容上的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时二极管反向恢复工作已经结束，因此二极管反向恢复问题亦不存在。di/dt和du/dt的降低使得emi问题得以解决。软开关技术实际上是利用电容与电感谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断；当电压为零时，使器件开通，从而实现开关损耗为零。按照其控制方式，软开关技术可以分为脉冲频率调制（pfm）方式、脉冲宽度调制（

18、pwm）方式和脉冲移相控制（ps）方式。软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使变换器的高频化成为可能，各类软开关技术在开关电源中也必将得到广泛应用。pfm软开关变换器电路结构简单，但工作频率不稳定，给变压器、电感等磁性元件的优化设计带来了一定的困难。因此此类变换器适合于负载、输入电压相对稳定的应用场合。pwm软开关变换器实现了恒频控制，大大方便了磁性元件的优化设计。pwm控制方式是软开关变换器中应用最广泛的控制方式，此类变换器适合于中、小功率应用场合。 移相全桥软开关变换器在不增加或增加很少元件的情况下，具有传统全桥变换器中开关器件电压、电流额定值较低，功率变压器利用率高，输出功

19、率大等优点的同时，实现了开关器件的软开关，而且采用恒频控制，电压、电流应力小，在减小体积、重量以及降低电磁干扰方面效果明显。因而，移相全桥软开关变换器非常适合于中、大功率应用场合。但此类变换器有一个明显的缺点，即变压器次级存在占空比丢失现象，而且滞后桥臂的软开关范围受到负载、输入电压等多种因素的影响。如何尽量减小次级占空比的丢失、增大滞后桥臂的软开关范围，仍然是移相全桥软开关变换器需要深入研究的课题。2 反激式开关电源的原理2.1 反激式开关电源介绍 开关电源的基本组成如图2.1所示，其中ac/dc变换器用以进行功率变换，他是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号放大部分，对来自信号源的开关信号

20、进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号有它激或自激电路产生；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率和波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。开关电源典型结构有串联开关电源结构、并联开关电源结构、正激开关电源结构、反激开关电源结构、半桥开关电源结构、全桥开关电源结构等。这里重点介绍反激式开关电源结构。图2.1 开关电源的基本组成反激式开关电源如图2.2所示，当功率开关管vt1导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压

21、器的初级线圈n1中，由于同名端的关系，次级侧二极管v1不导通，负载没有电流通过。当功率开关管vt1断开时，变压器次级绕组开始为负载供电，二次侧绕组和整流二极管构成电流回路，同时完成了磁复位的功能。反激式开关电源输出纹波电压大，电压和电流调整率低。要提高性能指标，可以增大滤波电容或增加辅助lc滤波器，或者在二次侧再串联一个线性集成稳压器，但是这样势必增大体积和成本，稍弱了本来具有的优点。因此，单端反激式变换器多用于100w左右的小功率电源。图2.2 反激式开关电源原理图2.2 开关电源的芯片简介2.2.1 topswitch-gx芯片的内部工作原理简介topswitch系列单片机开关电源是美国功

22、率集成公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源，它是三端离线式pwm开关的英文缩写（three terminal off line pwm switch）被誉为“顶级开关电源”。它的特点是将高频开关电源中的pwm控制器和mosfet功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。topswitch-gx是该公司推出的第四代系列产品，除具备topswitch-fx系列的全部优点外，它还将最大输出功率从75w提高到290w，适合构成大中功率的高效率，隔离式开关电源；将开关频率提高到132khz，有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积，适合作为伺服电机控制板的板载电源的主控器件。当开关电源负载

23、很轻时，它能自动将开关频率从132khz降低到30khz（在半频模式下，则由66khz降到15khz）,这样可降低开关损耗，进一步提高电源效率，采用被称作ecosmart的节能新技术，显著降低了在远程通/断模式下的功耗，当输入交流电压是230v时，功耗仅为160mw。2.2.2 topswitch-gx芯片的使用的特点topswitch-gx的内部主要由18个部分组成，与第三代topswitch-fx系列的主要区别是在原有的5个组成部分上新增加了3个单元电路，电流极限调节器也增加了软启动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132khz（全频模式）或66khz（半频模式）；给频率抖动振荡

24、器增加了一个“停止逻辑”电路，使其工作更为可靠。topswitch-gx利用反馈电流来调节占空比，达到稳压目的，当输出电压降低时，经过光耦反馈电路使反馈电流减小，占空比则增大，输出电压随之升高，最终使输出电压维持不变，同理，当输出电压升高时，通过内部调节，也能使输出电压维持不变。2.3 pwm反馈控制方式pwm开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制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或电流等被控制信号稳定。控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压及开关器件峰值电流。

25、由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的。同时，可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁等功能。图2.4为buck降压斩波器的电压模式控制反馈系统原理图。电压模式控制是20世纪60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上的斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容和电感的相移延时作用，输出电

26、压的变小也延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至pwm比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。图2.4 反馈系统原理 电压模式控制的优点有：pwm三角波的幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好；单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节。电压模式控制的缺点有：对输入电压的变化的动态响应较慢；补偿网络设计由于闭环增益随输入电压而变化而更为复杂；输出lc滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点

27、进行补偿。在检测及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。2.4 反激式开关电源的设计规划本课题要求设计基于topswitch系列芯片设计的单片反激式开关电源，用于智能仪表的多输出ac/dc开关电源。综合运用所学过的电力电子和模拟电路等多学科知识。设计电路的输出总功率为25w，采用反激式开关电源，共有三路输出电压，输出电压各为12v/1.2a，5v/2a，30v/20ma。电路采用闭环反馈控制模式称为脉冲宽度调制（pwm）稳压方式，使输出电压稳定在设定值，电路有过电压和欠电压保护，也有降低最大占空比的电路和从外部设定极限电流等。满足开关电源设计输出功率以及功能要求的topswitch芯片很多，考虑电

28、路的可靠性、灵活性以及开关电源的效率，综合电路设计要求，最后在topswitch-fx和topswitch-gx两个系列中做选择。现比较两种芯片的性能特点。两种系列芯片的开关频率、最大占空比都没有大的区别，topswitch-gx系列比topswitch-fx系列更加注重电源的效率，topswitch-gx具有轻载时自动降低开关频率的电路，对于topswitch-gx而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小。其减小量与控制端流入的电流成反比。当控制端电流逐渐增大时，占空比能线性地减小到10%，但是当负载很轻时，占空比还可低于10%。与此同时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在

29、轻载下的效率。例如当开关频率在全频模式下，频率最小值就降至30khz，在半频模式下开关频率最小值就降至15khz。该特性能保证开关电源在轻载时，仍保持良好的负载调节功能，并且降低了电源的开关损耗，提高了电源的效率。相对topswitch-fx系列在电源轻载时跳过周期的方式更加灵活和高效。所以对于现如今能源紧缺的环境，并且负载情况的多样性，topswitch-gx系列更加适合作为本电路设计的开关电源芯片。以宽范围交流输入为输入电压，参照pi公司提供的产品型号和最大输出功率表，选择top244y敞开式电源。该型号芯片的最大输出功率为40w，芯片性能特点满足设计要求，而且增加的新功能可以使开关电源的

30、电路设计更加灵活而且可靠性高。选择好了芯片型号之后，开始对开关电源的emi电路、整流电路、高频变压器、保护电路、多路输出电路和反馈电路分部设计。在设计过程中选择电路的各部分的元器件以及元件的参数。最后使用芯片的辅助设计软件对反激式开关电源的电路进行优化设计。3 反激式开关电源的电路设计3.1 开关电源的emi设计开关电源应用于交流电网的场合，整流电路导致输入电流的断续，增加了大量的高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作形成了电磁干扰源，所以尽量降低开关电源的emi，提高其使用范围，是从事开关电源设计时必须考虑的问题。滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源emi信号的传导干扰

31、和辐射干扰来说更是如此。任何电源线上的传导干扰信号均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的影响较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的影响较大。因此，欲减弱传导干扰，把emi信号控制在有关emc标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源的输入和输出电路中加装emi滤波器。3.1.1 电源的输入回路的emi滤波器设计开关电源的工作频率为10100khz。对开关电源产生的高频段emi信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较简单的emi滤波器，就可获得满意的抑制效果。开关电源emi滤波器中的4只电容器用了两种不同的下标“x”和“y”，不

32、仅表示其在滤波网络中的作用，还表明了它们在滤波网络中的安全等级。不论是选用还是设计emi滤波器，都要认真地考虑cx和cy的安全等级。在实际应用中，cx电容接在单相电源线的l和n之间，它上面除加有电源额定电压外，还会叠加l和n之间存在的emi信号峰值电压，因此要根据emi滤波器的应用场合和可能存在的emi信号峰值，正确选择适当的安全等级的cx电容器。cy电容器接在电源供电线l、n与金属外壳(e)之间。在使用开关电源滤波器时，要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器时，要特别注意滤波器的输入导线与输出导线间隔距离不能把它们捆在一起走线，否则emi信号很容易从输入线上耦合到输出线上，这将会大

33、大降低滤波器的抑制效果。电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源emi滤波器的基本电路如图所示。在图3.1中，cx1和cx2叫做差模电容，l1叫做共模电感，cy1和cy2叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。图3.1 开关电源输入的emi滤波器共模电感l1是由同一个磁环上的两个绕向相反，匝数相同的绕组构成的，通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕组困难。当工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗的传输。如果工频电流中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个

34、绕组时产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。l1的电感量与emi滤波器的额定电流i的具体关系如下表3.1所示：表3.1电感量与额定电流的关系额定电流i(a)12345电感量l(mh)823240.40.80.20.300.08在实际使用中，共模电感的两个绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被用作差模电感，所以，一般电路中不必在设置独立的差模电感了。共模电感的差值电感与电容cx1及cx2构成了一个型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。除了共模电感以外，图中的电容cy1和cy2也是用来滤除共模干扰的。对共模滤波在低频时主要

35、有电感器起作用，而在高频时大部分有电容cy1和cy2起作用。电容cy的选择要根据实际情况来定，由于电容cy介于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要具有高耐压、低漏电流等特性3.1.2 电源的输出回路的emi滤波器设计由于开关电源的干扰源是不可能消除的，所以减小干扰源的能量就显得十分重要。开关电源输出整流电路如图3.2所示，其中vd5为整流二极管，vd6为续流二极管。由于vd5、vd6工作于高频开关状态，因此，输出整流电路的emi源主要为vd5和vd6。在图中，r5、c12和r6、c13分别为vd5，vd6的吸收电路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。通过减少整流二极管的数量可减少emi

36、的能量，因此，在同等条件下采用半波整流比采用全波整流和全波整流产生的emi要小。为减小二极管的emi，必须选用具体软恢复特性、反向恢复时间短的二极管。从理论上讲，肖特基势垒二极管（sbd）是多数载流子导流，不存在少子的存储与复合效应，因而也就不会有反向电压尖峰干扰。但实际上对于具有较高反向工作电压的肖特基二极管，随着电子势垒厚度的增加，反向恢复电流会增大，也会产生电磁噪声。因此，在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管产生的emi会比选用其他二极管要小。图3.2 输出整流电路的emi滤波电路为了抑制开关电源的输出对负载产生共模、差模干扰，开关电源直流输出端也可以使用直流emi滤波器，它的典型电路

37、如图3.3所示。它由共模扼流圈l1，l2，扼流圈l3和电容c1，c2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒导磁率磁芯。图3.3 开关电源输出回路的emi滤波器3.2 整流电路设计3.2.1 输入整流电路图3.4 输入桥式整流电路由图3.4可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压的正半周内，二极管d1、d3导通，d2、d4截止；在负半周内，正好相反，d1、d3截止，d2、d4导通，整个周期内输出的电流方向一致。因此，整流电路输出的是方向不变的脉动直流电压和电流。桥式整流器选择b

38、r106，额定电流为10a，额定电压为600v。通过桥式整流器之后输出两端产生的是脉动电压，再通过c1将脉动的直流电压变成一个变化幅度比较小，基本上波形比较平滑的直流电压。3.2.2 输出高频整流电路 开关电源的输出整流电路的工作频率要远远高于普通的线性稳压电源的整流电路。开关电源中采用的整流电路类型多，从大的方面分为有普通整流、同步整流、异步整流、倍流整流等。现代高速超大规模的集成电路尺寸不断减小，电源电压不断下降。本设计电路选用人们比较熟悉的普通整流电路，高频变压器的次级采用半波整流技术。如图3.5所示，整流二极管选择为肖特基二极管sb540，额定电流为5a，额定电压为40v。二极管与电容

39、c2、c4和c12组成输出整流电路，由于输出功率比较大，增加了rc滤波回路l1，c3(l2、c9、l3、c11)来降低输出电压纹波。图3.5 直流输出整流电路3.3 高频变压器的设计变压器是一种应用电磁感应原理，将电能从一个电路传输到另一电路的电磁装置，是电源设备中的关键部件之一。在电路中起电气隔离、储能、变压、交流、变阻等作用。在电源设计中，变压器参数的设计对电源装置的性能、可靠性、安全性，具有至关重要的影响。3.3.1 变压器磁芯的选择磁芯是制造高频变压器的重要组成，设计时合理、正确地选择磁芯材料、参数、结构，对变压器的使用性能和可靠性，将产生至关重要的影响。因此，磁芯材料及参数的选取，便

40、成为高频变压器设计程序的主要内容之一。开关电源高频变压器的磁芯的选择包括磁芯材料和磁芯结构两方面。全桥式开关电源的变压器磁芯工作在整个磁滞回线区间，要求磁芯材料具有高饱和磁感应强度，以最大限度地提高磁芯的工作磁感应强度，减小变压器体积。目前开关电源变压器的磁芯材料大多采用软磁铁氧体磁性材料，这是由于铁氧体磁性材料电阻率高、交流涡流损耗小、价格低、易加工成各种形状结构的磁芯。这也是在开关电源中普遍应用的重要原因。开关电源变压器磁芯有多种结构可供选择，其结构选择取决于变压器的工作体制、磁芯的材料、工作频率、输出功率和绝缘耐压及使用环境等因素。在本变压器设计中，选择的是ee型结构的铁氧体磁性材料的磁

41、芯。3.3.2 变压器主要参数计算（1）变压器的输出功率 （3.1）（2）变压器的计算功率 （3.2）式中，电源效率（3）设计输出能力 （3.3）式中，磁芯截面积乘积，单位为； 变压器计算功率，单位为w； 工作磁感应强度，单位为t； 工作频率，单位为hz； 窗口占空系数； 电流密度系数。所以，由于占空比的变化较大，为便于工作点的自动调节等，取为0.2t；取468；取0.2。根据式（3.3）的计算结果可知ee22型磁芯的尺寸和参数满足设计输出要求。（4）线圈计算本设计的高频变压器设计采用ee22型磁芯，其有效磁通面积s=0.46，骨架的有效宽度为8.45mm。确定最大占空比 =100% （3.4

42、）其中，u=135 v，直流输入最小电压值u=87.8v，mosfet的漏-源导通电压大约u=12v，代入上式得： =63.8%。随着输入电压的升高而减小。输入电流的平均值为 =0.36a （3.5） 式中，电源效率。初级峰值电流为=0.87a （3.6） 其中，k为初级纹波电流i与初级峰值电流的比值，大约取为0.6，d=63.8% 确定初级绕组电感l= （3.7） 其中，损耗分配系数z=0.61，=0.44a，k=0.6，po=25w，开关频率=132khz代入得：672h。初级绕组的匝数n以通过下式计算= （3.8）式中：s磁芯截面积，单位为； 磁芯最大磁通密度，单位为t。由（3.6）得

43、=0.92a，由（3.7）得672h ，s为41，为1.5t，代入（3.8）可得=102.6，实取103匝。对于多路输出高频变压器，各输出绕组的匝数可以取相同的每伏匝数。每伏匝数可以由下式确定= （3.9）式中：线圈数，单位为n； 每伏匝数，单位为v/n； 肖特基整流管的压降，单位为v。所以对于12v输出的回路，次级绕组的圈数为6.18，所以取数值6；对于5v输出回路，次级绕组的圈数为2.6，所以取数值3；对于30v输出回路，次级绕组的圈数为15.5，取16。3.3.3 变压器的漏感反激式开关电源的变压器把流过初级线圈的电流转换成磁能，并把磁能储存在变压器的铁芯中，当电源开关管关断，流过变压器

44、初级线圈的电流为零的时候，开关电源变压器才把存储在变压器磁芯中的磁能转换为电能，并通过变压器的次级线圈输出。开关电源变压器的电磁转换过程中，其工作效率不能达到100%，会有一部分能量损失。其中的一部分能量损失就是因为产生漏磁或漏磁通而造成的，而开关电源变压器的漏磁通在5%20%之间。减小变压器的漏感的措施可以采用以下几种，减小绕组匝数，选用高磁通密度、低损耗的磁芯；减小绕组厚度，增加绕组高度；在保证安全的前提下，尽量减小绕组间绝缘厚度；初级和次级采用分层交替绕制，像“三明治”那样初次级夹层，初级与次级线圈的位置尽可能安排均匀。这种方法不仅可减小初级和次级线圈间的漏感，还可以保证初级和次级线圈平

45、均长度相等，满足初级和次级的铜损耗相等的条件。 3.4 反馈电路设计3.4.1 反馈电路的类型开关电源的反馈电路有四种类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路，配tl431的光耦反馈电路。基本反馈电路的优点是电路简单，成本低廉，适合于制作小型化，经济型开关电源，但是稳压性能差。改进型基本反馈电路，只增加一个稳压管和电阻就能提高负载调整率。稳压管的电压一般为22v，必须增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压，满足电路的需要。配稳压管的光耦反馈电路，由稳压管提供参考电压，当输出电压发生波动时，在光耦内部的发光二极管上可获得误差电压。配tl431的光耦反馈电路，其电路较复杂，

46、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普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对输出电压作精密调整，可使电压调整率和负载调整率均达到0.2%，能与线性稳压电源相媲美。这种反馈电路适合于构成精密开关电源。3.4.2 反馈电路设计 本设计电路的反馈电路的类型选择为配tl431的光耦反馈电路，如图3.6所示。图3.6 电压反馈电路 电路中的tl431可调式精密并联稳压器的工作原理为通过电路图中的r4和r7（输出的取样电阻）组成的分压器，来检测5v输出电压的变化量u，然后将采样电压送入tl431的输入控制端，tl431的输出电压（图中k点的电压）也发生相应的变化，从而使光电耦合器中

47、的发光二极管工作电流变化，光电耦合器输出电流。而光耦是一种以光为媒介来传输电信号的器件。通常把发光器（红外线发光二极管led）与受光器（光敏晶闸管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电-关-电”转换。普通的光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。而线性光耦合器是一种新型光电隔离器件，它能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。本设计中选用siemens公司的sfh615-2型低输入电流光电晶体管的光耦合隔离器。经过光电耦合器和tl431组成的外部误差放大器，调节控制端c的电流，调整占

48、空比d，从而使输出电压变化，达到稳定输出电压的目的。3.4.3 反馈电路的改进方案如图3.6所示，开关电源反馈电路仅从一路输出回路引出反馈信号，其余各路未加反馈电路。这样，当5v输出的负载电流发生变化时，会影响12v输出的稳定性。解决方法就是给12v输出也增加反馈电路如图3.7所示。在12v输出端与tl431的基准端之间并上电阻r6，并将r4的阻值从10k增至21k。由于5v输出亦提供一部分反馈信号，因此可改善该路的稳定性。在改进前，当5v输出的负载电流从0.5a变化到2a时即从满载电流的25%变化到100%时，12v输出的负载调整率为s=2%，经改进后s=1.5%。图3.7 改进后的电压反馈

49、的电路的12v输出反馈电路的设计方法如下：12v输出的反馈量有r6的阻值来决定。假定要求12v输出与5v输出反馈量相等，各占总反馈量的一半，及反馈比例系数k=50%。此时通过r4、r6的电流应相等，即i=i。tl431的基准端电压u=2.5v。改进前，全反馈电流通过r4，因此i=250（a） (3.10)改进后，50%的电流从r6上通过，即i=250a/2=125a。r6的阻值由下式确定：r6= (3.11)将u=12v，u=2.50v，i=125a代如上式中，得到r6=76k，可取标称阻值75k。由于i已从250a减至125a，因此还须按下式调整r4的阻值：r4= (3.12)将u=5v，u

50、=2.50v，=125a代入上式中得到r4=20k。考虑到接上r6之后5v输出的稳定度会略有下降，应稍微增大r4的阻值以进行补偿，实取r4=21k。参照这个方法也可以给30v输出增加反馈电路。3.4.4 芯片的控制回路设计 如图3.6所示，高频变压器的反馈绕组电压经二极管bav21和c6组成的整流滤波电路，通过光电耦合器中的光敏三极管给top244y的控制端c提供偏压。反馈电压的该变量经光电耦合器之后使控制电流ic发生变化，控制电流改变之后芯片内部的pwm稳压电路调节开关管的占空比，最终使输出电压稳定在额定值。r2为光电耦合器sfh615-2的限流电阻，r2的大小决定控制环路的增益。电容器c8

51、为软启动电容器，可以消除刚启动电源时芯片产生的电压过冲。在x和s之间接的一只电阻为芯片的极限电流设定电阻ril值为5k。只需要改变ril即可调节im的大小，进而从外部设定极限电流的值。3.5 多路输出电压电路设计开关稳压电源的输出可以是单路的，这种电源多为专业电源。而多数电源为多路输出，其中一路为主输出，其他各路为辅助输出。带有变压隔离器的dc/dc变换器中，其输出与输入由变压器隔离，可以通过增加变压器副边绕组数目的方法来实现多路输出。下面简述本设计使用的dc/dc变换器的多路输出技术多副边绕组式。多副边绕组式是最简单的、应用最早的一种多路输出技术。选择一路输出作为主输出，对其进行闭环反馈控制

52、，使其达到稳压精度的要求。而其它各路，只经过整流、滤波输出，稳压精度和纹波等技术指标都很低。本课题设计电路提供两路主输出为12v/1.2a，5v/2a两路主输出和一路30v/20ma的辅助输出；两路主输出都有反馈回路稳压。高频变压器的次级串联肖特基整流二极管sb540、并联滤波电容器c2、c3、c4和c9构成整流滤波电路。3.6 保护电路设计一个理想的开关电源，除了高电气性能指标和高安全性外，还要能应对来自外界的恶劣条件和自身发生的故障，能对电源提供及时保护以免电源损坏，影响整个电子系统的正常工作。3.6.1 过电压、欠电压保护电路设计稳压电源发生过电压的主要原因是电源内部出现故障。开关管的击

53、穿不会引起输出过电压，出现过电压的主要原因是控制电路的元器件的损坏。输出电压的慢慢爬高也会出现过电压的现象，但在开关稳压电源中，由于变压器副边的高频整流电路采用扼流圈输入方式，因为滤波扼流圈电感和滤波电容具有较大的时间常数，输出电压的上升斜率是缓慢的，只有保护电路动作迅速，就可以阻止电压缓慢上升超过规定值。当开关电源的输出低于规定值时，若负载为逻辑电路，则逻辑电路会发生误动作。因此要求在开关电源中具有欠电压保护电路。欠压的原因主要是电源的控制电路发生故障，如调节输出电压用的电位器的滑动片因受外界机械冲击或多次使用而松动；误差放大器的基准电压降低；输入电压下降；控制电路用的辅助电源的电压下降等。

54、当输入电压下降时，除主输出电压下降外，辅助电源电压也随之下降。为维持输出电压保持稳定，开关管增加导通时间，减小截止时间，这就要求控制信号的导通时间增大，或者关断时间减小。若输入电压继续下降，就会使开关管的驱动电流不足。为避免这一现象发生，当辅助电源电压出现下降并降到规定值时，应自动停止工作，使控制电路停止工作，保护稳压电源。当输入电压在欠电压保护规定值上下的某一范围内波动时，控制电路会产生忽通忽断的状态。同样，当负载发生变化时，也会出现同样的情况。top244y芯片集成了欠电压。过电压检测电路在芯片内部，所以对于过电压和欠电压保护来说更加容易实现，只需要在l端与一个电阻器就可以实现过电压保护、欠电压保护。本电路设计的电阻器的阻值为2m。3.6.2漏极保护电路由于高频变压器存在漏感，在mosfet功率开关管有通态变成断态时，高频变压器的原边绕组上会产生尖峰电压。这个尖峰电压与直流电压和感应电压叠加在一起，极易损坏mosfet功率开关管。因此，必须设置漏极保护电