反击式开关电源

1、第十一章 绪论反击式属于开关电源的 DC/DC 变换器形式的一种，我们在研究反击式开关电源的时候必须对开关电源有所认识。11.1 开关电源概述11.1.1 开关电源的发展历史通常在一般的情况下， 发出电能的电源是不符合要求的， 这就需要进行转化， 即把一种形态的电能转化成另外一种形态的电能。 这种电能形态的变换可以是交流电和直流电之间的变换以及其它， 可以是交流电频率、 项数、幅值等的变换，也可以是电流幅值和电压幅值之间的变换。 比如变压器、 变频器等一般我们所见的。在有些情况下，这种电能形态的转换肯能仅仅是稳定精度的提高或对其它性能的改进。 输入这种电源输入也是电能， 因此， 许多输入和输出

2、都是电源称之为间接电源。 我们日常看见的电源就是一般电网发出电能而供热、 取暖的电源，它们的发出有几种形势，即水力发电、火力发电、核能发电新能源等，它们都属于工频交流电源。日常生活中接触比较多的还有另外一种电源，即电化学电源。干电池、蓄电池就属于， 在人们的日常生活中虽然占的比例比较小， 但是特别重要， 和人们的日常生活密切相关。 通过电池的充电， 蓄电池和干电池获得充电， 但是它们放电的过程是由化学能直接转变而来的， 所以说它们为直接电源从广义上来讲， 开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。开关电源通常由 5 大部分组成：第一部分是输入整流滤波电路， 有低通滤波和一次整流环节

3、， 输入的交流电先通过低值滤波去除不符合要求的波，再通过全桥整流电路得到脉动直流电压Vi 。第二部分是功率变换电路， 有电子开关和高压变压器等， 在电子开关的传导和高压变压器的变压下， 把直流电压变换成受到控制的、 符合设计要求高频方波脉冲电压以备后面的设计的需求。第三部分是输出整流滤波电路， 经过变换电路的高频方波脉冲电压经过整流滤波后变成直流电压输出，输入电压波动和输出负载变化一起来控制了这种电压。第四部分是控制电路， 经过输出整流滤波电路后的输出电压首先经过分压、 采样后与电路的基准电压进行比较、 放大为控制信号， 它调整调制脉冲宽窄还有频率高低， 最后使输出 电压保持在一稳定数值。第五

4、部分是频率震荡发生器组成的电路， 改变信号以及控制信号被它改变， 以达到脉冲宽度可调的目的。高频可调导致了电源的变换，高频可调在这里面占有重要的地位。随着技术的不断提高， 开关频率得以提高它最直接 的让开关电源的小型化、 轻量化得以解决。随着这些问题的产生， 软开关技术得以产生。这 种技术很好的解决了电路中的一些问题， 比如开关损耗和开关噪音等，使开关频率得以大幅 度的提高，使开关电源得以最好的应用。11.1.2 开关电源分类(1) DC/DC变换器推挽式电路、全桥式电路、半桥式电路、反激式电路、正激式电路一般来说，反激式和正激式变换器都可以经过一系列的变换，衍生出新的变换器，可以提高输出功率

5、以及效率等。随着技术的发展，DC/DC变换器的应用越来越广泛。实现变换器的输出是多种形式的，有一路输出和几路输出。实现 DC/DC变换器的多路输出一般包含3个步骤：第一：选择性的变换器的主题结构。隔离式 DC/DC变换器由于其输入、输出端被变压器隔离，因此，可以利用增加变压器二次绕组的办法实现多路输出。其中，反激式和正激式变换器在日常的生活中应用特别的广泛正是由于其工作的可靠性高、结构相对简单。第二：确定输入、输出变压器的控制变量。许多变换器多路输出技术的核心部分正是这些控制变量，多路输出变换器的整体稳压效果正是由这些控制变量的正确选择直接决定。我们假设变换器的输出支路个数为N,控制其中变量为

6、 M,如果假使每个输出都能精确调整，则必须M > N 0第三：确定整个电路每个输出支路的稳压技术，这也是非常重要的。(2) AC/DC变换器1)电压控制型利用输入电路的电压与电路的许多重要的基准点的电压进行比较。2)电流控制型将从整流滤波电路后电流采样出来与误差放大器的输出信号进行比较，根据比较结果来控制整个电路。(3) v><v控制型在电流控制整个电路的基础上产生的。11.1.3开关电源的发展趋势传统的电子变压器一般都是在普通铁氧体铁芯上缠绕铜线绕组，体积比较大，转换效率不高。随着电子技术和信息技术的飞速发展， 各种电子设备、信息设备、 实用电气等的外观和比重都在不同程度的

7、缩减。近年来，许多移动通信和笔记本 电脑为主的各种容易携式装置的需求量都在成倍增加，更加要求电子系统体积小、 重量轻， 它们能够迅速的从一个地方快速的移动到另外一个地方以及可以快速的集成模块化。 在上述所说的这些设备中， 电源部分是最重要的， 体积和重量很多时候都是由电源部分决定的。 其中就是因为磁性元件存在于电源的内部， 包括电感器、变压器和电容器。因为大多数情况下必须满足一定功率容量的要求，不可能像电阻、电容那样大幅度减少体积和重量。但是，电源作为供能的部分，开关电源技术也在不断发展， 磁性元件的外观体积的大大缩小正是由于开关电源在工作下的频率的很大程度的提高， 这种情况可以实现电感器、

8、变压器、 电容器的小型化。近年来，微型变压器、电容器、电感器在计算机、航空航天、航海等如雨后春笋般的出现。 目前， 世界各地相继的已经出现了结构为平面变压器、 集 成程度很高的集成变压器和大幅度采用微制造工艺的芯片形式的微型变压器。为了使开关电源的外观体积减小、 重量变轻， 其中的一个手段就是提高开关电源的功率密度是人们不断努力追求的目标。 电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。开发和应用软开关技术的重要的一个目的是为了提高开关电源的工作效率。 此外开关电源还有许多用途， 比如发展新能源、 节约许多一次和二次资源及为环境的绿色化等方面都具有重要的意义。11.2 本设计的研究意义变压器在一

9、些器件上的插入而形成了反激式变换器。随着电力电气的发展，电力电子的技术的不断更新， 开关电源的效率的提高、 体积的减小、 低成本越来越受到人们的关注。本次设计采用的TOPSwitch-II系列中的基于TOP224Y控制 的双端输出反激式开关电源。11.3 本设计主要内容1）先介绍开关电源的入门：反激式开关电源。2）介绍了 TOP224Y,包括设计原理图、输入整流滤波电路、变压器、输出滤波整流电路、反馈电路（ TL431 加光耦合）的设计。3） 各设计包括先计算相应的参数， 再通过计算参数选择器件的型号及最后确定参数。4）电路的组建及对数据的分析。第十二章简单介绍反激式开关电源的工作原理-II)

10、U212.1 反激式开关电源工作原理反馈电路（光耦+稳压器）图2-1-1 TOPSwitch- H构成的开关电源框图如图所示，一般的电路包括：输入滤波整流电路、把功率扩大或缩减电路、 输出滤波整流电路、反馈电路、控制电路。工作流程：输入端输入交流电压 U1经过输入滤波整流电路后输入到高频率 变压器原边，经过里面一系列的工作后，电压能够得到反激，副边上的高频电压 流过滤波整流电路后从输出端获得输出电压U20钳位保护电路是用来吸收高频变压器漏感产生的峰值电压，继而保护了TOPSwitch- n中功率管免受峰值电压所害。稳压管和光耦合组成反馈电路。末尾输出U2的原理：出现紧急情况使U2下降，则光耦合

11、中发光二极管电流下降，经过光耦合后，使得光耦合中的接 受电流也降低，使得TOPSwitch-II控制端电流降低，经过 TOPSwitch-II内部控 制后使控制脉宽占空比升高，导致 U2上升，达到稳定电压的作用。12.2 常见反激式变换器的工作原理图 2-1-2反激式变换器拓扑电路原理开关Q打开时，Np能够迅速的储存电能，然而当开关 Q合上时，Np立即向 Ns释放能量，这就是靠变压器T1来完成的，它起着隔离能量、储存和传递能量 的作用。电感器Lo和两Co电容的并联一起组成一个低通滤波器，它们都在整 个电路的输出端，Cr、Rr和Dr组成的RCD漏电感尖峰电压吸收电路，这些都 是在变压器的初级。一

12、个整流二极管D1必须在输出回路里面设置一个。由于其 变压器的磁芯里面存在间隙，所以在铜上面的能量损耗较大，变压器的温度相对 其他来说较高。并且其输出端输出的电压比较大。电路结构相对简单是该反激式 变换器的优点之一，适用于 200W 以下的电源应用且多路输出交调特性都比其 它的好。反激式变换器输出端输出电压大，有大幅度调整电压的能力。为了要提高该电 路性能指标，可以增加滤波电容和辅助 LC滤波器，但同时增加了成本和体积的 大小，将原来的优点削弱了。这些决定了它的适用范围。12.3 TOP224Y参数与结构Tab Internally Cannoctoidl to SOURCE PinY Pack

13、ay#仃。22国期S-OUIWeESOURCE |TSOURCE TCaNTFbOL 芭T sauneg rtkh7 SOURCE (HV RTHjSOURCE 於 RIhiP Package DIP S) G PaEkage图2-1-3 TOP224Y参数与结构如图：从外观上来看，该器件外部只有 3个控制管脚：D （漏极）主电源能 从其直接输入，C （控制端）可以让控制信号从这儿输入，S （源级）作为开关电 源公共端同时也是控制电路基本的测点之一。 上图为其外观引脚。该芯片的引脚 功能如下：DRAIN却:作为输出管MOSFET漏C级。在启动时，通过一个内部开关控制的高压电 流源提供内部偏置电

14、流以及内部感应点。CONTROL：它作为占空比控制时， 是反馈电流和误差放大器的输入端。 正常工作时， 它是分流调整器， 向其提供内部偏置电流。 也可以用做内部电路和自动重启动以及 补偿电容连接点。SOURCE：G型和P封装时，是原边控制电流的公共参考点。SOURCE(HVTN)却和G封装)：输出管MOSFET源级，作为高压电源的回路。Y型封装时，是输出 MOSFET勺源级，作为高压电源回路。它的原边控制电 流的公共参考点。第十三章 基于TOP224YK片的反激式开关电源设计13.1 设计目标输入220V交流，输入频率50HZ；双路输出电压15V、电流1A和电压5V、电 流3A。输出总电能功率

15、能够达到30W调整电压的效率：Sv=-1%厂+1%开关电 源的开关频率100kz。13.2 设计思路采用TOP224股计双路输出反激式开关电源，给出设计原理图。开关电源外部 电路分为输入滤波整流电路、变压器和钳压、输出滤波整流和反馈电路等。并对 各个部分进行精确的计算和看结果分析，提出可行的改进办法。13.3 设计内容随着电力电子中PWMJ术的发展，开关电源因为其高性价比获得了广泛的应用。由于开关电源的设计通常采用控制电路与功率MOSFET分立的拓扑结构，这种设计方案开发周期长、系统可考虑低、成本低。采用 TOPSwitch-II系列智 能开关电源集成芯片就能够较好的处理和解决这些问题。+ 1

16、5V 1A+5V 3A图3-1-1 设计原理图13.3.1 输入滤波整流电路设计此电路包括交流滤波、整流、电容稳压 3部分。一般情况下，查技术参数可 得：除差模干扰的C1为0.1uF,C1根据输出功率大约为68uF, L1为33mH,采用双线并绕。整流桥的参数计算：计算输入整流桥的电压和电流是必须计算的。因为输入整流桥的最高电压为220V时，其峰值电压为UiDeak=J2M220V=311V,考虑到整 ipeak流桥需要承受较高的输入浪涌电压，可以选取该电压的1.52倍以上的等级电压，实际可以选取500-700电压的整流桥。输入整流桥承受的最大电流出现在 输入电压最低时，估算输出功率为60W时

17、，效率为90%,则输入功率为66.7W, 当输入电压为220V时，输入电流有效值为I imax =66.7 + 220 = 0.3,考虑到余量， 所以选择整流桥电流容量12A。13.3.2 变压器设计传输和变换各种信号(单频、多频)和功率是功率变压器的主要用途，是现 代电气设备、电子设备的重要组成部分。本设计主要介绍功率变压器的一些常见 理论和初步设计方法并结合当前发展状况，以反激式开关电源用变压器为例，详细介绍变压器的具体设计、制作成产品的过程，最后对样品进行测试和对比其它 的进行分析，为更深一步的测试分析方法提供理论基础和进一步的研究和设计提 供重要参考。3.3.2.1磁芯选择变压器的输出

18、功率po=U oM I o =15父1 +5M3 =30W变压器的计算功率PptPPP叫4+1屈声3q刈000丸场k©7.5W效率为80%设(67能为 0.2 - 100 - 1000 -：- 395 ' 0.4)0.214(cm4)根据标准铁芯的规则：表3-2-1标准铁芯规则NUMBERTYPEMATERIALa*b*c4Ap( cm )2Ae(mm )2Aw( mm )14EE2329SPC4023*147*60.436835.80122.015EE2519PC4025.4*9.46*6.290.31284078.2016EE25.4PC4025.4*9.66*6.350

19、.317340.3078.73也脾大40衲mm2(2)Ap的31EEcm.4,相关参数：(3)Wa :78.73mm2 (4) A : 2000.00nh/N 2LE : (mm): 48.70高频变压器采用EE25.4型氧化体铁芯，具有效磁通面积SJ= 0.3173cm2 ,次级绕组有2种绕制方法：一种是分离式绕法，另外一种是堆积式绕法 表3-2-2绕制方法对比绕制方法优点缺点分离式绕法排列很有灵活性，能将输 出电流较大的某一路输出 靠侧，能把损耗减至 最小因漏感较大，在输出滤电 容上会产生峰值冲电效应分离式绕法能加强磁耦合，能改善轻 载时的稳定性能，骨架的 引脚很少，制造费用比较 低电压最

20、低的绕组必须靠近 初级，为降低大电流灵活 性该表列出了 2者的优缺点，可供参考。分离式的每个绕组上仅传输与该电路 特定负载特性有关的电流，因为次级上的 3个绕组之间关系不大是相互独立的， 所以在各绕组的制作上，排列上有一定的灵活性。现在考虑到5V (3A)输出绝大部分的功率，因此可将这一绕组靠近初级。最佳排列的顺序是先绕5V输出绕组，再绕15V输出绕组，使次级各绕组之间耦合最好，损耗最小以及性能最好。 反之，若将15V输出绕组紧靠原边，由于5V输出的漏感引起的损耗较大，会大 幅度降低电源效率，并且增加干扰。堆积式绕法是变压器生产厂家经常采用的方法，其特点是有5V绕组给15V绕组提供一部分匝数及

21、来接地的一部分，各绕组的线径组合必须满足该路输出电 流流过它上面的电流总和不大于允许的最大电流密度的要求。堆积式绕法采用的技术先进，有许多优点，导线能够节约下来，绕组体积能够减少以及成本能够降 低，绕组之间的互感量也能够降低，耦合程度也能够加强。举例说明，当 5绕组 输出满载是，而15V绕组输出轻载时，由于5V绕组作15V绕组的一部分，因 此能减少这些绕组的漏感，可以避免因漏感使 15V输出电路中的滤波电容被峰 尖电压充电到最大值(也称为峰值)而引起输出端输出电压不稳定。堆积式绕法 的缺点是在确定哪个次级绕组最靠近原边时，灵活性不好。现将 5V绕组作为次 副边组的始端。在为变压器绕组时，特别原

22、理采用将多股导线并联后平行绕在骨架上。 这样， 能保证良好的覆盖性、减少相对的体积，增强原边与副边的耦合程度，加强了原 边和副边的连系。13.3.2.2 计算弁确定绕组匝数首先确定变压器变比n：根据输出电压U0关系式：U0 = Up*toJnFT-ton),得n=Ud*ton+U0+(Tton式中UD为输入端整流器输出的直流电压，取电路一 般的导通电压：135vn -135 0.5-M5-(1 -0.5) =9计算初级线圈中的电流：已经输出直流电压U0=15V和5V，负载电流为1A,3A,则输出功率p =30W,p0，开关电源效率一般为60%90%,本设计取“1=70%P = po 二30-0

23、.7 = 43W初级的平均电流卜=puDmax= pj，UDmax=300.7F35 = 0.32A假定变压器原边线圈的初始电流为零，那么，在开关电源开关管导通时间ton里,原边线圈中电流正从零开始线性增长到峰值i1p0i1P =2丁/ 10n =2 10 0.32 : 5-1.28A.计算原边绕组圈数N1：原边绕组最小电感L1NLi，11PM 106+sBmL产UDmax ton i1P = 135 5 10-6=527 10-6 =527 104 1.28 106 0.2- 40.3取整得Np=84T,实际用时选择90T=84.70计算次级电感：N2 =90 9 = 10N3 = 10 3

24、=33 实际取15V输出选10T,5V输出选4T 反馈绕组的计算与确定：要求既能保证开关元件的饱和导通又不至于造成过大损 耗，根据：Vv = (Vcc Vf) Vs V0 Vf) = (14.5 1) 4(5 1) =10.33 实际取10T 13.3.3输出整流滤波电路设计输出滤波整流电路由滤波电容和输出整流二极管构成。表3-2-3整流管的型号选择输出电压规定指标整流管型号与参数输出电流最低耐压型号i fU RM (V)5V3A30VMBR7457.8A45V15V1A70VMUR4204A200V根据经验，L取2.210uH电容推荐选择120uF/35V低ESR电容 输出直流15V, 1A

25、的用3根直径为0.25mm (AWG#31)的线并绕输出直流5V, 3AD用4根直径为0.25mm (AWG#31)的线并绕13.3.4 阻断二极管VD1和VD2的选择在每个开关周期内，TOPSwitch- H的关断将导致变压器漏感产生峰值电压。VD1和VD2构成的钳位电路有效的防止了该电压对 TOPSwitch-II的损坏。它们 的选择由反射电压vOR决定。推荐值135V,它们的耐压值应大于VMAX，并选择快 恢复二极管。13.3.5 反馈电路设计首先确定反馈电路开关电源多路输出的反馈电路有 4种类型：基本反馈电路、改进后基本反馈 电路、配稳压管的光耦合反馈电路以及配 TL431的光耦合电路

26、。(1)基本反馈电路是利用反馈后来绕组从输出端获得输出电压的变化信号的， 因此不是很需要光耦合器。该方案的电路最为简洁明了，但开关电源的线性稳定 性不高，不能把负载调整率 SI降到±5%以下。如果仅仅为改善轻载时的负载调整率，可在输出端并联一只符合要求的的稳压管，使其稳定电压Uz=uo1,此时 SI < -5% 0(2)改进型(也称增强型)通常所用反馈电路的特点是在反馈电路中并联一 只22V的稳压管，再并联一只0.1uF电容器。(3)配稳压管的光耦合反馈电路电路是利用一只稳压管的稳定电压作为次级 参考电压。包括了稳压管的稳定电压(uz)、光耦合器中LED的正向压降和利 用控制环

27、路增益的串联电阻 R1上的压降这3者之和来决定输出端输出电压值。 当Uz的偏差值不不大于2%时,能快速将住输出的调整负载的频率控制在2%以内，该电路的不足之处是参考电压稳定性很低， 并且只能对单一电路进行负反馈 即对主电路进行反馈，其他各路输出各路辅助输出就不能有效的进行反馈，因此辅助输出的电压稳定性较差。(4)配TL431的多路输出光耦合反馈电路的特点是利用TL431型可调式精密并联稳压器构成副边误差电流放大器，各种信号再通过光耦合电容器对主输出进 行精确的调整。因此除主输出作为主要的反馈信号输出之外， 其他各路的辅助输出也按照一 定比例反馈到TL431的2.5V基准端。在本例中就是利用TL

28、431和光耦合构成反 馈电路，基准电压和反馈电路采用通常的3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限制电压，由于TL431具有体积小基准电 压精密可调，输出电流大等特点，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到36V,工作范围达到0.1100mA,动态电阻典型值为 0.22欧，输出的杂波比较低。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2.5 30V.这对全面提高多路输出式开关电源 的各种性能具有重要指导意义，同时也是开关电源的一项新技术。R6VD4VD5C3C6C7L2R7C9L1R2C

29、8C10R4R5C11+15V 1A+5V 3A图3-1-2 反馈电路如图所示,如果开关电源从5V主输出引出反馈信号，15V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 15V输出的稳定性解决方案：给15V也增加反馈电路在15V输出端与TL431的基准端并上电阻 R7,并将R4的阻值增大，由于 15V输出也提供一部分反馈电流和电压，因此能够改善该输出以及整个电路的稳 定性的波动。15V输出的反馈量由r7的阻值来决定。假定要求15V输出与5V输出的反 馈量相等，各占总反馈量的50%,即反馈量比例系数K=50%,止匕时通过和R7和 R4的电流相等，即I R7 = I R4。TL431

30、的基准电压值U REF =2.5V ,改进前全部 的反馈电流通过 R4,所以 I r4=(U OU REF)+R4 = 2.5* 10000= 250mA,改进 后50%电流从R7上流过，即I R7 = 250 + 2=125uA,R7的阻值由以下式确定：R7 = (U O2 -U REF) ： I R6 = (15-2.5) ：- 0.000125 = 100K-由于I R4已从250uA减到125vA,因此必须按下式调整 R4的阻值：R4 =(U O1 U REF) + I R4 = (5 2.5) *(125M 10* =20KQ 考虑到接上 R7之后 5V 输出的稳定度会略有所下降，应稍微增