20W单端反激开关电源设计要点

1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文） 题目：20W单端反激开关电源设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气101 学 号： 学生姓名： 郭永江 指导教师： （签字）起止时间：2012-12-31至2013-1-11专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气学 号学生姓名郭永江专业班级电气101课程设计（论文）题目20W单端反激开关电源设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为小功率电子设备如影碟机、CD机、移动硬盘等提供12V稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的

2、体积和重量。设计任务1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、输入电压单相170 260V。2、输入交流电频率4565HZ。3、输出直流电压12V恒定。4、输出直流电流2A。5最大功率：25W。6、稳压精度：直流输出电压整定值的1进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：确定高频变压器变比及容量；第

3、7天：输出整流滤波电路设计；第8天：控制电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要近年来，随着电力电子技术的发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化继承化的方向发展，高效率的开关电源已经得到了越来越广泛的应用，单端反激式电路以其简单，可以高效提供直流输出等诸多优点，特别适合设计小功率的开关电源。 本文介绍了一种单端反激式单片开关电源的设计方法。该开关电源输入电压单相170 260V，输入交流电频率4565HZ,输出直流电压12V恒定,输出直

4、流电流2A，最大功率：25W，可获得高质量的稳压输出。参照给定的该电源的技术参数，设计了该开关电源的滤波、整流、逆变等电路。详细的给出了开关电源高频变压器的设计方法，并通过反复试验有了一定的心得，取得了高频变压器设计的宝贵经验。文中给出了主电路图，通过基本计算，选择控制电路和保护电路的结构以及变压器的变比及容量。本文重点介绍该电源的设计思想，工作原理及特点。 关键词：开关电源；反激电路；脉宽调制目 录第1章 绪论1.1 电力电子技术概况一、及特点 包括信息和两大分支。通常所说的模拟和数字属于信息。是应用于领域的，它是利用电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电子器件采用半导体制成，

5、故称半导体器件。信息主要用于信息处理，而则主要用于变换。的发展是以电子器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。 可以理解为功率强大，可供诸如系统那样大电流、高电压场合应用的，它与传统的相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电子器件运行的特点。二、的发展历史 电子器件的发展对的发展起着决定性的作用，因此，的发展是以电子器件的发展为基础的。的发展史，如图2所示。19471904年19301957197019801990电子管问世

6、水银(汞弧)整流器时代2000晶闸管时代IGBT出现功率集成器件史前期（黎明期）晶体管诞生晶闸管问世（公元元年）全控型器件迅速发展 图2 电力电子技术的发展史1.2 本文设计内容开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正朝着集成化、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的主流方向。 单端反激开关电源具有输出纹波小，输出稳定、体积小、重量轻、效率高以及具有良好的动态响应性能等许多优点，被广泛应用在小功率开关电源的设计中。本论文主要围绕当前流行的反激变换器进行了小功率开关电源的设计和特性研究。论文主要内容如下： 为小功率

7、电子设备如影碟机、CD机、移动硬盘等提供12V稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。 本文主要研究内容包括：1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。电源主要技术参数：1、输入电压单相170 260V2、输入交流电频率4565HZ3、输出直流电压12V恒定4、输出直流电流2A5、最大功率：25W6、稳压精度：直流输出电压整定值的1%第2章 20W单端反激开关电源的电路设计2.1 20W单端反激开关电源的总体设计方案2.1.1 开关电源的种类选择开关型稳压电源的种类很多，分类

8、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。 2.1.2 单端反激式开关电源单

9、端反激式开关电源的典型电路如图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，且有较好的电压调整率。其输出功率为20100W。

10、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。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

11、；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。图2.1 单端反激式开关电源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、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TOP246Y的单端反激式开关电源。 2.1.3 开关稳压电源的电路原理框图整流滤波高频变压高频整流电路控制及保护电路逆变电压反馈电路滤波Uo开关稳压电源

12、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。2.1.4 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

13、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的控制原理如图2.3所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平

14、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：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。 滤波电压反馈电路 图2.3 脉宽调制式开关电源控制原理图2.1.5 开关电源的两种工作模式 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

15、开关电流波形分别如图2.4(a)(b)所示: (a) 连续模式； (b) 非连续模式图2.4 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

16、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 具体电路设计2.2.1 主电路设计电源的主电路结构如图2.5所示，由输入整流滤波电路，单相逆变桥，高频变压器，输出整流滤波电路等四部分组成。 图2.5反激开关电源主电路图IdUd整流部分 单相桥式整流电路如所图： U2U1 图2.6 单相桥式整流电路图 电路图如图2.6所示，图中Ti为电源变压器，它的作用使交流电网电压V1变成整流电路要求的交流电压v2=V2sinwt，R是要求直流供电的负载电阻，

17、四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式电路之称。在电源V2的正负半周内电流通路分别用实线和虚线箭头表示，负载R上的电压波形如图2.7所示，电流的波形与电压相同。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。 图2.7 单相桥式整流波形图单相逆变桥单相逆变桥由四个功率开关管（MOSFET）组成，为高频变压器提供脉宽可调的高频交流方波电压。栅极电阻与栅极并联。反激电路 图2.8 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2.8所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅

18、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。输出整流滤波电路输出整流电路：本次设计中采用的为半波整流电路，它是通过整流二极管实现的；在电路中，电容的主要作用是防止高次谐波辐射产生的影响。由一个整流二极管构成的一个简单的整流电路（半波整流电路）如图2.9所示： 图2.9 输出整流滤波电路图半波整流电路简单，元件少，蛋输出电压直流成分小，脉动程度

19、大，整流效率低，适用于输出电流小，允许脉动程度大、要求较低的场合。2.2.2 控制电路设计TOP250的管脚图及其作用 图 2.11 TOP250的管脚图漏极 (D) 引脚：高压功率MOSFET的漏极输出。通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。控制 (C) 引脚：误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动补偿电容的连接点。线电压检测 (L) 引脚：(仅限Y、R或F封装)过压(OV)、欠压(UV)、降低DCMAX的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有

20、功能。外部流限 (X) 引脚：(仅限Y、R或F封装)外部流限调节、远程开关控制和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。多功能 (M) 引脚：(仅限P或G封装)此引脚集Y封装的线电压检测(L)及外部流限(X)引脚功能于一体。是过压(OV)、欠压(UV)、降低DCMAX的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能并使 TOP250以简单的三端模式工作。频率 (F) 引脚：(仅限Y、R或F封装)选择开关频率的输入引脚：如果连接到源极引脚则开关频率为132 kHz，连接到控制引脚则开关频率为66 kHz。P和G封装只能以132 kHz开关频率工作。源极

21、(S) 引脚：这个引脚是功率MOSFET的源极连接点，用于高压功率的回路。它也是初级控制电路的公共点及参考点。TOP250的特色输出功率更大以适应更高功率的应用，使用P/G封装时输出功率在34 W以下都无需散热器，而且节约外围元件成本，采用完全集成的缓启动电路降低了器件的应力及输出电压过冲，外部电路实现精确的流限编程，而且更宽的占空比实现更高的输出功率，同时可以使用更小尺寸的输入滤波电容，在Y/R/F封装具有独立的输入线电压检测及流限编程引脚，输入欠压(UV)检测可以防止关机时输出的不良波动，输入过压(OV)关断电路提高了对输入浪涌的耐受力。TOP250采用反激式的拓扑结构，以高性价比将高压M

22、OSFET、PWM控制器、故障自动保护功能及其它控制电路集成到一个硅片上。TOP250还集成了多项新功能，可以降低系统成本，提高了设计灵活性及效率。除标准的漏极、源极和控制极外，不同封装的TOP250还另有1至3个引脚，这些引脚根据不同封装形式，可以实现如下功能：线电压检测（过压欠压，电压前馈降低DCMAX)、外部精确设定流限、远程开关控制、与外部较低频率的信号同步及频率选择(132 kHz/66 kHz)。开关频率（轻载时自动降低)、可降低EMI的频率调制、更宽的DCMAX、迟滞热关断及更大的爬电距离封装。另外，所有重要参数（例如流限、频率、PWM增益等）的温度容差及绝对容差更小、设计更简化

23、，系统成本更低。TOP250的典型外接电路 图 2.12 TOP250典型的外接电路图2.13 占空比和频率与控制引脚电流的关系由图2.12可见，TOP250构成的开关电源采用的是反激式拓扑结构。TOP250是一款集成式开关电源芯片，能将控制引脚输入电流转化为高压功率MOSFET开关输出的占空比。在正常工作情况下，功率MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性减少，如图2.13。TOP250具有高压启动、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、热关断等特性，还综合了多项能降低系统成本、提高电源性能和设计灵活性的附加功能。此外，TOP250采用了专利高压CMOS技术，能以高性价比将高压功率

24、MOSFET和所有低压控制电路集成到一片集成电路中。TOP250增加了频率、线电压检测和外部电流限制（仅限Y、R或F封装）引脚或一个多功能引脚（P或G封装），以实现一些新的功能。将如上引脚与源极引脚连接时，TOP250的三端模式工作，在此种模式下，TOP250仍能实现如下多项功能而无需其他外围元件：1. 完全集成的10 ms软启动，限制启动时的峰值电流和电压，显著降低或消除大多数应用中的输出过冲。2. DCMAX可达78%，允许使用更小的输入存储电容，所需输入电压更低或具备更大输出功率能力。3. 轻载时频率降低，降低开关损耗，保持多路输出电源中良好的交叉稳压精度。4. 采用较高的132 kHz

25、开关频率，可减少变压器尺寸，并对EMI没有显著影响。5. 频率调制功能可降低EMI。6. 迟滞过热关断功能确保器件在发生热故障时自动恢复。滞后时间较长可防止电路板过热。7. 采用缺省引脚及引线的封装，可提供更大的漏极爬电距离。8. 绝对容差更小，降低温度变化对开关频率、电流限制及PWM增益的影响。线电压检测(L)引脚通常用于线电压检测，通过一个电阻与经整流的高压直流总线连接，能设定过压(OV)欠压(UV)和降低DCMAX的线电压前馈。在此模式之下，电阻值确定OV/UV的阈值，且DCMAX从电路电压超过欠压阈值时开始线性减少。此引脚还可用于远程开关控制及同步输入。外部流限(X)引脚通常通过一个电

26、阻与源极连接，从外部将流限降低到接近工作峰值的电流。此引脚也可用作两种模式下的远程开关控制和同步输入。在P和G封装中，多功能引脚组合了线电压检测及外部流限引脚功能，但其中某些功能不能同时实现。在Y、R和F封装中，频率引脚与源极相连时开关频率设置为132 kHz的缺省值。而与控制引脚连接时，频率减半。此引脚最好不要悬空。2.2.3 保护电路设计短路保护电路在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。 短路保护电路通常有两种，图2.14是小功率短路保护电路，其原理简述如下：图2.14小功

27、率短路保护电路当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后脚电位消失，TL431不导通UC3842脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。 输出过压保护电路输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：

28、1、可控硅触发保护电路：图2.15 可控硅触发保护电路如图2.15，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。 2、光电耦合保护电路：图2.16 光电耦合保护电路如图2.16，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6到地产生电流流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通， 3842的脚电降低，使IC关闭，停止整个电源的工作，U

29、o为零，周而复始，。2.3 元器件型号选择我们所选的器件满足我们所需要的功率输出即可，如果选取不当不仅会造成资金的浪费，同时也会影响设计电路的普及能力。要求输出功率为20W，但是考虑到变压器的能量传输效率和电子器件的损耗。我们可以认为输出整流后的输出功率为25W1)电源基本参数：输入AC 170260V；输出 DC 12A；带隔离；稳定；效率高2)开关频率选择：86KHZ,Rt=20k Ct=102 f=1.72/RC=86KHZ3)输入滤波电容选择：Po=20W，Cin=3*20=60uf，选择Cin=70uf由于采用电容滤波所以整流后的输出电压： EMBED Equation.3 输入电压

30、为 170V260V4)所以的整流后的输出电压： EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 5)二极管承受的最大反向电压： EMBED Equation.3 6)二极管的额定电压： EMBED Equation.3 7)整流的最大输出电流 ： EMBED Equation.3 8)二极管的额定电流： EMBED Equation.3 根据参数表所以选取二极管为IN40019)选磁片磁片选用R2KB软磁铁氧化材料，其饱和磁感应强度Bs=4700Gs，考虑到高温时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间变压器饱和，设定最大工作磁密度Bm=Bs/3=1500Gs。对半桥变换器，当脉冲

31、波形近似为方波时可按照本式子来确定磁芯的大小。 Ap = Ae*Aw= EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 式中：Ap为刺心的面积成积，cm EMBED Equation.3 ；Ae为磁芯的截面积，cm EMBED Equation.3 A为磁芯的窗口面积，cm EMBED Equation.3 ；Po为输出功率，W； EMBED Equation.3 为变压器的效率，一般可以去80%；fs为变压器的工作频率，Hz；Bm为磁芯的最大工作磁密，Gs；J为导线的电流密度，一半取23A/mm EMBED Equation.3 ；Kc为磁芯的填充系数，对铁氧化体，取Kc

32、=1；Ku为窗口的铜填充系数，一般Ku=0.20.4。本设计选取EE-40型铁氧体磁芯，由手册知其参数为：Ae=127mm EMBED Equation.3 ，Aw=173mm EMBED Equation.3 ，则Ae*Aw=2.20cm EMBED Equation.3 ，远大于Ap的计算值。10)计算原边匝数按最低输入电压和满载输出地极端情况来计算已知输入的最小电压为170V，减去20V的直流纹波电压和整流器的压降，最小的直流电压为Vimin=170*1.4-20=232V。反激电流路变压器原边绕组所加的电压等于输入电压的一半，即Uimin=116V则原边绕组的匝数 N1= EMBED Equation.3 式中：U1为变压器的原边电压（V）。由（2）式计算得N1=44.5匝经实验实际取值为45匝。2.4 系统调试或仿真、数据分析本文使用Protel进行仿真，仿真电路如图2.17所示： 图2.17 反激式开关电源仿真电路图图2.18(2)可以看出在去磁检测出现高电平后稍有延迟MOSFET便触发导通。每次触发都是在监测到去磁成功后发生的。这样便可避免变压器因去磁不完全而饱和。图2.18 电路仿真波形图（1） 图2.19 电路仿真波形图（2）图2.19示