基于THX208小功率开关电源设计

1、天津理工大学 课程设计报告   题目：基于THX208小功率开关电源设计     专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2017年 1月目 录一、设计要求2二、设计目的2三、设计的具体实现 21. 系统概述22. 单元电路设计3四、结论与展望22五、心得体会及建议23六、参考文献24七、附录241、作品照片252、原理图263、源程序清单274、答辩PPT缩印稿3020信息传输与处理课程设计基于THX208小功率开关电源设计-电路设计一设计要求熟读详细使用手册，搭建电路实现5V/3W的开关电源，根据控制芯片原理

2、，设计合理的辅助电路，通过计算和仿真分析，得到系统优化参数。掌握开关电源设计的核心技术，并对过程做了详细阐述。1.根据需要选择开关电源的拓扑结构2.基于THX208设计开关电源的控制核心部分3.输出电压可调范围： +5V4.输出 5V 0.5A, CC/CV  二、设计目的(1)利用所学开关电源的理论知识进行硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。 (2)我们这次的课程设计是以THX208为基础，设计并开发小功率开关电源。 (3)掌握各个接口芯片(如THX208等)的功能特性及接口方法，并能用其实现一个简单的应用系统。三、设计的具体实现1.系统概述 开关电源是利用

3、现代电力电子技术，控制开关开通和关断的就、时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源是一般又脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源主要是进行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率转换的装置，通过对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。本设计开关电源控制集成电路主要包括电源电路、滤波整流电路、监测电路以及THX208控制芯片构成的控制电路。方案一：单端正激式开关电源原理

4、单端正激式开关电源原理简述：电路原理框图如上所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作原理不太相同。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VD2,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间应相等，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，可输出50-200 W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大 方案二：单端反激式开关电源原理反激

5、式变换器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用广泛。所谓反激式变换器开关电源，是指当变换器的初级线圈被直流电压激励时，变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变换器初级线圈的激励电压被关断后，才向负载提供功率输出，这种变换器开关电源称为反激式开关电源，再通过THX208控制电路。 从以上两种方案，很容易看出，按系统功能实现要求，两者相比较方案二的设计（1） 电路结构简单转换效率高稳压性能优并且转换效率高; （2） 性能优越电压可调体积小、重量轻、性价比高，可普遍使用于生活当中，故采用方案二。所以，本设计 反激式变换器部分采用普通元器件构成模拟部分，利

6、用THX208实现控制功能，整流、利用PC817B对电路进行监测，当电压超过最大值时，电路会自动断开。本系统主要包括三大模块：整流模块变压器模块及电路监测，保护模块。总体结构框图如图1所示整流变压器THX208输出5V/3WPC817BTL421A过压断开图1 总体结构框图2.单元电路设计（1)各部分概述 反激式变换器 反激变换器工作原理是：主开关管导通时，二次侧二极管关断，变压器储能；主开关管关断时，二次侧二极管导通，变压器储能向负载释放。它和正激变换器不同，正激变换器的变压器励磁电感储能一般很小，各绕组瞬时功率的代数和为零，变压器只起隔离、变压作用。而反激变换器的变压器比较特殊，它兼起储能

7、电感的作用，称为储能变压器（或电感-变压器）如图2图2 反激式变换器TL431电路安全控制前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图3所示的电路，当R7和R8的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若电压增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致R7，R8两端的电压之和大于5V从而导致TL431启动，进而导致PC817B导通，关闭THX208。图3 保护电路 THX208原理描述启动阶段，上电时 VR 关闭；FB 上拉电流源关闭；OE 由功率管输入启动电流到VCC；OB 控制功率管的

8、基极电流，限制功率管集电极电流（即 THX208 启动接受电流），从而保证功率管的安全；在 VCC 电压上升到 8.8V，启动阶段结束，进入正常阶段。正常阶段，VCC 电压应保持在 4.89.0V，VR 输出 2.5V 基准；FB 上拉电流源开启；振荡器输出 OSC1 决定最大占空比，输出 OSC2 试图触发电源进入开周期、及屏蔽功率管开启电流峰；若 FB 小于 1.8V（约在 1.2-1.8V 之间）振荡器周期将随之增加，FB 越小振荡器周期越宽、直至振荡器停振（此特性降低了开关电源的待机功耗）；若外围反馈试图使 VCC 大于 10V，则内电路反馈到 FB 使 VCC 稳压在 10V（利用此

9、特性可以不采用外围反馈电路，由内电路稳定输出电压，但稳压精度较低）；开周期，OB 为功率管提供基极电流，OE 下拉功率管的发射极到 IS，而且OB 采用斜坡电流驱动（指 OB 开电流是 IS 的函数，当 IS=0V 时 OB 开电流约 24mA，然后 OB 开电流随 IS 线性增加，当 IS 增加到 0.6V 时 OB 开电流约 40mA，此特性有效地利用了 OB 的输出电流，降低了 THX208 的功耗），若 IS 检测到 FB 指定电流则进入关周期；关周期，OB 下拉，功率管不会立即关断，但 OE 箝位 1.5V（功率管关断后基极反向偏置，提高了耐压）；在开或关周期，如检测到功率管超上限电

10、流，则上限电流触发器优先置位，强制 FB 下降，占空比变小，从而保护功率管和变压器；在下一个关周期开始沿或 FB 小于 1.8V，上限电流触发器复位。另外，THX208 内置热保护，在内温度高于 125后调宽振荡器的周期，使 THX208 温度不超过 135；内置斜坡补偿，在 THX208 大占空比或连续电流模式时能稳定开/关周期。若 VCC 降到 4.2V 左右，振荡器关闭，OSC1、OSC2 低电平，电源保持关周期；VCC 继续下降到 3.6V 左右，THX208 重新进入启动阶段特点单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。THX208引脚图，如图4 所示，每部电路

11、方块图如图5所示。 图4 THX208引脚图 图5 内部电路方块图1CT 定时电容与开关频率的关系由内部电流源对 CT 电容进行 50uA10100nF 之间根据反馈回路的频率特性进行选取，推荐使用 10nF。恒流充电形成时钟的上升沿，在充电电压至 1.6V 时，内部电路将以 1.9mA 的下拉电流对 CT 放电，形成时钟的下降沿，完成一个时钟周期，一个时钟周期约为：T=CT*48000 (S)Fs=1/T (Hz)尽管双极型电路也能工作在较高的频率下，但对于双极功率开关而言，仍需考虑存储时间对开关损耗的影响。通常比较合适的开关频率约在 70KHz 以下。在一般的应用场合可将 THX208 的

12、 CT 电容按330PF 配置，此时对应的工作频率约为66KH 左右。2.FB反馈与控制在正常工作状态，FB 的电压将决定最大开关电流的值，此电压越高开关电流3K（近似等效值）。此外在 FB 电压23K（近似等效值）。此外在 FB 电压低于 1.8V 时，将使振荡周期加大，开关频率下降，低于 1.8V 越多，开关频率将越低。外接 FB 电容将对反馈带宽产生影响，进而影响某些外部参数，比如瞬态特性。如图6图6对于 CFB 电容的值，典型的应用可在10100nF 之间根据反馈回路的频率特性进行选取，推荐使用 10nF。3过温度保护IC 内部集成了精确的过温度保护功能。在芯片内部温度达到 125时，

13、热保护电路动作，将时钟信号下拉，使开关频率降低，降低功耗。开关频率随温度的升高而降低，直至振荡器关闭。 如图所示图74功率管驱动特性与高耐压偏置技术功率管采用斜坡电流驱动，驱动电流随输出功率增加而增加，在 FB=0 时，OB 电流约为 24mA,在 FB=6V 时，OB电流约为 35mA，小输出时的驱动功耗得到显著的降低。IC 内部集成了独特的偏置技术，在功率管关断时，OB 输出立即下拉到地，同时偏置 OE 输出到约 1.5V，反向偏置发射结，加速 Ic 电流的下降速度，扩展了有效的安全工作区，开关管承受反向的CB 电压，使得开关管达到 700V 的电压承受能力。如图7图 8偏置波形如图9所示

14、：图9 5.过压与欠压保护 IC 具有带迟滞的欠电压保护功能。在VCC 电压达到 8.8V 时 IC 开始启动，这个初始的启动电压有驱动电阻提供，输入的高电压通过驱动电阻注入开关管的基极，放大的 Ic 电流在 IC 内部经过限制电路对 VCC 电容充电，从而形成驱动电压。在 IC 正常工作时应保持 VCC 电压在4.8-9V 之间（包括满负载输出的情况），若 VCC 电压下降到 4.2V 则振荡器将进入关闭状态，VCC 进一步降低到 3.6V时，IC 即开始重新启动如图10所示图10 IC 内部 VCC 具有一个上限电压比较器控制，若 VCC 试图大于 10V，则比较器动作，FB 将被下拉，锁

15、定 VCC 至 10V，达到过电压的限制功能。利用此能可以方便地实现前端的电压反馈功能，也可避免输出开环时的输出电压大幅度升高现象，保障负载的安全。因为此特性的存在，VCC 的设计应保持在合适的范围，避免在大输出负载时 VCC 的上升过高， IC过压限制动作导致的输出电压下降现象。6最大开关电流限制IC 具有逐周期电流限制功能。每个开关周期均对开关电流进行检测，达到 FB设定的电流或防上限电流时即进入关周期，电流的检测具有实时前沿消隐功能，屏蔽开关尖峰，避免开关电流的错误检测。合理的温度补偿则消除了温度的影响，相对常规的 MOSFET（温度变化时的 Ron 变化很大）开关芯片，开关电流在一个较

16、宽的范围都可以非常精准，这样将允许设计者在设计方案时不必留有太大的余量即可满足较大的工作温度范围，提高电路的使用安全性。 对于 THX208，其典型的最大开关电流限制值约为 0.23A,在一个设计在 80V反射电压的反激式电源中，可以容易地实现大于 4W 输出功率，且满足宽的温度范围。7散热的要求对于一个典型的功率开关而言，应使用必要的散热措施，以避免过高的温度导致热保护。IC 内部主要的发热是开关管的开关损耗产生的热量，因此恰当的散热位置是 IC 的 Pin8 脚，一 简单的使用方法Pin8 脚铺设一定面积的 PCB 铜箔， 尤其在铜箔之上镀锡处理将大大增加。如图11所示图11THX208与

17、变压器的设计OB口对电压进行偏置，当电压达到相应值时THX208进行工作变压器进行充电，如图12图12 THX208余变压器的设计1. 磁心参数Core : EE13,TDK PC40 Ae=17 mm2 Aw=33.5mm2Bobbin : EE13, 10PIN, 5+5PIN,VELOX 420-SEO , 94V0Lp=2.5mH ±5%2. 绕线图图133.线圈数据 （2）仿真1.打开WAVE 6000 软件，菜单栏选择“文件”中的“新建文件”，在弹出的窗口中编写程序，然后保存后缀为“*.asm”的程序。2.菜单栏选择“项目”中的“编译”，如果程序无误即编译成功，否则修改程

18、序直至编译成功。3.打开Proteus软件，新建文件FileNew Design，同样在弹出的原理图编辑窗口中绘制原理图，然后保存。4.加载程序，选择SourceAdd/Remove Source Files，在弹出的对话框中点击“New”选择在WAVE 6000软件中编写保存的程序如“*.asm”，点击“OK”即加载成功。5.在Proteus软件中的左下方点击图标仿真调试开始，即可看到仿真调试的结果。四、结论与展望开关电源具有如下特点： (1) 开关器件节能（效率一般可达85%以上）。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗比较小，但是效率较高，一般在80%90%，高的甚至可

19、达90%以上； (2) 体积小、重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量大大减轻，只有同容量线性电源的1/5，体积也在很大程度上缩小了； (3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90270 V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率； （4）安全可靠，具有各种保护功能。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20KHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而

20、减小功耗；特别是由于功率开关管工作在开关状态下，因此损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损 坏。 因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。 通过本次设计，在硬件连接方面方面更加熟练。本次设计采用了THX208芯片，与以往其他电路方向相比出现了许多新的功能，使我接触了许多新的东西。以前在学开关电路时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。五、心得体会及建议此次课程设计是这个学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的直流电压表系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，撑受能力及耐力也都得到了不同程度的提升。通过本次设计我的收获非常丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从各个角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求