单片开关设计毕业论文)

1、河南机电高等专科学校毕业设计论文单片开关设计系 部： 自动控制系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 2005级02班 学生姓名： 付琳琳 学 号： 051412230 指导教师： 吴君晓 2008年3月5日摘要本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行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TOP248Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431。利用TOP248Y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）根据设计需要选择单片开关电源电路；（2）设计输入整流滤波电路，并

2、确定相关器件参数；（3）TOPSwitch器件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；（5）设计输出整流滤波电路，并确定相关期间参数；（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细的阐述。关键词：单片开关电源；脉冲宽度调制；高频变压器；TOPSwith系列芯片ABSTRACTThis paper focus on the current prevalence of single-chip switching powe

3、r supply chips for the low-power universal switching power supply design and fabrication. The switching power supply has employed three major IC - TOP248Y-6-SMPS, PC817A linear optocoupler and adjustable precision parallel Regulators TL431. Use TOP248Y-6-SMPS PWM control switch to adjust the duty cy

4、cle of the output voltage to achieve staple output purposes.Completed the major design elements include: (1) The need to choose based on the design of switching power supply circuit; (2) Design input rectifier filter circuit, and to identify the relevant device parameters; (3) TOPSwitch right SMPS c

5、ontrol of the core parts of the design; (4) The design of high frequency transformer, the calculated variable transformer turns ratio and winding; (5) Design rectifier output filter circuit, and establish the relevant device parameters; (6) Design voltage feedback circuit; Keywords: SMPS, PWM, High-

6、frequency transformer, TOPSwith chip目 录绪论.第1章 开关电源简介. .1.1开关电源的发展史.1.2开关电源的发展趋势和前景展望.1.3本文的主要工作.第2章 开关电源的分类和基本工作原理. .2.1 开关电源的基本分类.2.2 开关电源的基本工作原理.2.2.1 TOPSwitch系列开关电源的基本工作原理.第3章 开关电源主要元器件介绍. .3.1 TOPSwitch系列单片开关电源.3.1.1 TOP248的管脚功能.3.1.2 TOP248的内部结构.3.2 线性光耦合器PC817.3.3可调式精密并联稳压器TL431.第4章 单片开关电源的设计

7、.4.1单片开关电源的主电路设计.4.1.1主电路的工作原理.4.1.2 电路基本参数的确定.4.2 输入整流滤波电路的设计.4.3 TOPSwitch系列芯片的选取4.4高频变压器的设计.4.5输出滤波电路的设计.4.6稳压反馈电路设计.第5章 结论 . .致谢.参考文献.附录.绪论 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、

8、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，都大量采用了开关电源。顾名思义，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两个明显的优点。1. 效率高：采用占空比控制的开关电源，在理想情况下，只进行能量的变换而没有损耗。实际上，电路中开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素，电感

9、和电容元件也有等效串联电阻和漏电流等非理想因素，所以存在损耗。但电路的总效率仍能达到85%98%，远远高于靠动态电阻调节的线性电源，通常比相控电源的功率也要高些。2. 体积小、重量轻： 开关电源采用较高的开关频率，一般高于20kHz这一人耳的听觉极限。因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减少。而线性电源和相控电源通常都需要采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。所以在同等功率的条件下，开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源时的1/10。另外，开关电源的效率较高，需要的散热器也较小，这在很大程度上减小了体积和重量。同时，还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。因为具有这些优点，开关电

10、源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于510mV）的情况下，仍需要线性电源，由于大功率全功率非常大（1MW以上）时，仍需采用相控电源。但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。本设计的交流输入电压范围是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。开关电源的基本技术指标有：电网频率fL:50HZ，输出电压UO:1624V，输出功率PO:120W，电

11、网调整率±1%，本设计主要采用TOP248Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器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1624V稳压输出功能。 第1章 开关电源简介1.1开关电源的发展史 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。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。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量

12、集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但其通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。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，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

13、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，开关电源技术进入高速发展期。 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

14、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。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)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。这一切高新要求边不断促进了开关电源的发展和进步。 40多年来，开关电源经历了3个发展阶段： 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、G

15、T0)发展为MOS型器件（功率MOS-FET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通功率，电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展，是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 1.2开关电源的发展趋势和前景展望 开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，

16、集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。所以其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。另外，由于功率小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V(±10%),而开关型稳压电源在电网电压在110260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。 开关电源的高频化是电源技术发展的创

17、新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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资源及保护环境方面都有深远意义。 目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的发展趋势可以概括为

18、一下四个方面： 1. 小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（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。 2. 高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。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

19、路，提高了平均无故障时间。 3. 低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，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。所以低噪声影响是开关电源又一发展方向。 4. 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、纪录并自动报警等。 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的。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。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性

20、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，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，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性发展。1.3本文的主要工作 开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的单片开关电源芯片进行了稳压电源特性的研究，论文的主要内容如下： 开关型稳压电源

21、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。本设计是设计并制作出一种额定输出功率为120W的开关电源，主要采用TOP248Y、PC817A 、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1624V稳压输出功能。第二章开关电源的分类和基本工作原理2.1 开关电源的分类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

22、，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。 一般来说，功率很小的电源（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

23、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输出功率为120W的开关电源，主要采用TOP248Y、PC817A 、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TOP248Y的单端反激式开关电源。2.2开关电源的基本工作原理 开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式

24、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

25、的控制原理如图2.8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可由式（2.1）计算： 式（2.1） 式中Um为矩形脉冲最大电压值，T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。当Um与T不变时，直流平均电压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，就可以达到稳压输出目的。图2.1 脉宽调制式开关电源控制原理图开关稳压电源的电路原理框图如图2.2所示。图2.2 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，该电压通过功率转换电路进人高频变换器

26、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。2.2.1 TOPSwitch系列单片开关电源的基本工作原理 TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用电路如图2.3 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2.3 单片开关电源的典型应用电路 由图

27、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TOPSwitch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TOPSwitch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TOPSwitch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MOS

28、FET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，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1所吸掉。 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TOPSwitch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

29、电压，然后通过光耦去改变TOP249Y的控制端电流 ，TOPSwitch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TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。第三章 开关电源电路中主要元器件介绍 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

30、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。TOPSwitch系列单片开关电源经历了四代发展。第一代单片开关电源包括TOP100、TOP200两大系列，TOP200与TOP100的重要区别有两点：第一，用作单片开关电源时TOP200的交流输入电压为220/230V，或85265V，这更适合我国的电网情况。第二，TOP200将内部功率MOSFET的耐压值提升到700V，两者的引脚排列及内部电路相同。TOPSwitch-与第一代相比，

31、不仅在性能上有进一步的改善，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路。TOPSwitch-FX系列是美国PI公司2000年最新研制的具有高性能的五端单片开关电源，该产品出具备TOPSwitch-的全部优点之外，还对内部电路做了重大改进，增加了许多新颖，使用的功能。而且输出功率比TOPSwitch-系列提高了10%15%。TOPSwitch-GX系列是美国与2000年11月退出的第四代六端单片开关电源，并作为主流产品加以推广，该系列除具备TOPSwitch-FX系列的全部优点外，还将最大输出功率从75W扩展到290W，适合构成大、中功率的高效率、隔离

32、式开关电源。 本次设计就是针对TOP Switch的第四代产品TOP248Y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。（不妥，怎么一开始就知道是用TOP248Y）3.1 TOP248Y型6端单片开关电源（改成介绍TOP Switch的第四代产品）3.1.1 TOP248Y的管脚功能TOP248Y外形如图3.1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3.1 TOP248Y外形及管脚图控制端C：误差放大电路和反馈电

33、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。TOP248Y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MOSFET的源极，是初级电路的公共

34、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。3.1.2 TOP248Y的内部结构 TOP248Y的内部工作原理框图如图3.2所示。图3.2 TOP248Y的内部工作原理框图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 线性光耦合器PC817 光电耦合器是以光为媒介来传

35、播电信号的器件。通常是把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图3.3。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3.3 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3.4 PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系P

36、C817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。图 PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系。3.3 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3.5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

37、作电流为150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.530V。图3.5 TL431特性功能图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3.6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。 TL431的电路图形符号和基本接线如图3.6所示。  

38、图3.6 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

39、生变化，再通过光耦去改变TOP248Y控制C端电流的大小，调节TOP248Y的输出占空比，从而达到稳压的目的。 第四章 单片开关电源的设计 本设计的交流输入电压范围是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TOP248Y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。该单片开关电源的技术指标为：1交流输入电压最小值umin:85V2交流输入电压最大值umax:265V3电网频率fL:50HZ4开关频率f:132kHZ5，输出电压U

40、O:1624V6输出功率PO:120W7电源效率:80%8电网调整率±1%4.1 单片开关电源的主电路设计随着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 Swi

41、tch的第三代产品TOP248Y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。4.1.1主电路的工作原理电路主要包括输入整流滤波、TOP248Y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4.1所示。 图 4.1 单片开关电源电路原理图由VDZ1和VD1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P6KE200型瞬态电压抑制器，VD1选用BYV26C型超快恢复二极管，其反向耐压为800V。选择全

42、频工作方式时，开关频率设定为132kHz。输出滤波电路由C4、C5、C6、L1、C7构成。TOP248Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。C6接在交流电源进线端，专门滤除电网线之间的差模干扰。 精密光耦反馈电路由光耦合器、TL431等组成。输出电压UO通过电阻分压器R5R7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TOP248Y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VD2、C4整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。C3还与R2一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。R4、C9、C1

43、0和C2均为控制环路的补偿元件。  4.1.2 基本参数的确定1.据u，确定初级感应电压UOR和钳位二极管反向击穿电压UB值表4.1 确定UORUB值u/V初级感应电压UOR/V钳位二极管反向击穿电压UB/V固定输入100/1156090通用输入85265135200固定输入230±35135200由表3可得初级感应电压UOR135V 钳位二极管反向击穿电压UB =200V2.根据UI(min)和UBR来确定最大占空比Dmax设定MOSFET的漏源导通电压UDS(ON)10V，将UOR135V和UI(min)90V带入上式得出Dmax63。3.确定初级纹波电流IR

44、与初级峰值电流IP的比值KRP定义比例系数当u确定后，KRP有一取值范围，如下表4表4.2 根据u来确定KRPu/VKRP最小值（连续模式）最大值（不连续模式）固定输入100/1150.41.0通用输入852650.41.0固定输入230±350.61.0在连续模式下，取KRP0.4。4.确定初级波形参数 输入电流平均值 初级峰值电流4.2 输入整流滤波电路的设计在输入端先通过EMI滤波器（由L2、C11构成）来防止电磁干扰，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。取L2=820H、C11=0.1F。初步滤波之后，加接单相整流桥，选取整流桥参数如下：整流桥的反向击

45、穿电压应满足代入umax265V得UBR468.4V，所以应选耐压600V的成品整流桥.设输入有效电流为IRMS整流桥额定的有效电流为IBR，应当使IBR2IRMS，计算IRMS的公式如下：式中cos为电源的功率因数，一般为0.50.7，可选cos0.5,代入得IBR7.1A ,取IBR8A4.3 TOPSwitch系列芯片的选取所选芯片的极限电流的最小值ILIMIT(min)应满足下条件：0.9 ILIMIT(min)IP代入IP值得出ILIMIT(min)3.67A表4.3内部自保护极限电流值产品型号极限电流ILIMIT/A最小值典型值最大值TOP244Y1.2561.351.445TOP

46、245Y1.6741.801.926TOP246Y2.5112.702.889TOP247Y3.3483.603.852TOP248Y4.1854.504.815TOP249Y5.02255.405.778TOP250Y5.8596.306.741由上表，应选取TOP248Y芯片。另外，在TOP248Y的外端加接了由VDZ1和VD1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VD1构成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UDCI

47、max上，加至内部功率开关管MOSFET的漏极上。因此，VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器，VD1选用BYV26C型超快恢复二极管，其反向耐压为600V. 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VDZ1吸收掉。 4.4 高频变压器的设计高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，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

48、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。元器件的参数计算如下：初级电感实取LP300µH高频变压器最大承受功率PM与磁心面积SJ有下关系： 高频变压器额定输入功率PIPO/120/80150W所以取PM160W，带入上式得SJ1.9表4.4 部分国产E型磁心得尺寸规格产品型号磁心截面积SJ/cm2E301.15E351.00E401.38E502.25E602.56由上表可选取E50型磁心。计算

49、次级匝数NS:对于宽范围85265电压输入次级绕组可取.匝/，考虑到在次级肖特基二极管上还有.的正向导通压降UF1，因此次级匝数为NS=（UO+UF1）*0.6匝/（24V+0.4V）*0.6匝/=14.64匝.由于次级绕组上还存在导线电阻，也会形成压降，所以取NS=15匝（注意中英文标点的使用）计算初级匝数NP: 将UOR=135V, UO=24V, UF1=0.4V, NS=15匝代入上式得NP=83匝计算反馈绕组匝数NF：已知UFB=12V,UF2=0.7V,从上式可得NF0.5匝4.5 输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由VD2、C4、C6、L1和C7构成。超快恢复二极管适合作为开关电源中的高压大电流整流管，所以输出整流管也采用超快恢复二极管整流管实际承受的最大反向峰值电压为所选整流管的最高反向工作电压URM2U(BR)S = 184V .其额定整流电流Id3 IOM。IOM为最大连续输出电流，为5A，所以Id15A查表可选取Motorola公司的MUR120型二极管输出滤波电容： 输出滤波电容COUT的容量与最大输出电流有