《多路输出开关电源设计》(共53页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上青岛农业大学毕 业 论 文（设计） 题 目： 多路输出开关电源设计 姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 指导教师： 年 月 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕

2、业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录专心-专注-专业多路输出开关电源设计摘 要在深入分析开关电源工作原理和特点的基础上，根据设计指标的要求完成了一款单端反激式两路输出开关电源

3、的设计。本文首先介绍了开关电源的发展历程及其工作原理，分析了开关电源的几种调节模式和几种工作电路；进而通过分析选定电路需要的元器件，包括TOP223P、TL431三端可调分流基准电压源、LM2575系列开关稳压集成电路和几种不同类型的二极管；最后设计出完整的总电路。主要电路包括输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。该电源具有宽电压输入，多路稳定输出、纹波和噪声可控制等优点。在完成电路的研究和焊接后通过不断的改进与完善，最终得到的结果基本符合预期，效果比较理想。关键词：开关电源；多路输出；TOP223P；脉宽调制；反激式The Desi

4、gn of Multiple-Output Switching Power Supply AbstractBased on the analysis of the working principle and characteristics of switching power supply, the design of a single ended flyback two-way output switching power supply is accomplished according to the design requirements. In this paper, we first

5、introduce the development of switching power supply and its working principle, analysis of the switching power supply of several regulatory mode and several working circuit; then, through the analysis of selected circuits require components, including top223p TL431, three terminal adjustable shunt r

6、eference voltage source, the LM2575 series switching regulator IC and several different types of diodes. Finally, we have designed integrated circuit. The main circuits include the input electromagnetic interference filter (EMI), the rectifier filter circuit, the power converter, the PWM controller

7、and the output rectifier filter circuit.The power supply has the advantages of wide voltage input, multi-channel stable output, ripple and noise control etc. After the completion of the research and the improvement of the circuit, the final result is basically in line with the expectation, the effec

8、t is comparatively ideal.Key words: Switching Power Supply; multiple output; TOP223P; PWM; Fly back 1绪论1.1 课题背景及意义最近几年，电子科技的迅速发展使得人们的工作、生活和学习与各种的电子产品的联系日益紧密，这也使得电子系统的应用领域越来越广泛。电子产品对输入的电压有很多指标要求，越来越多的电子产品的正常工作需要同时提供多个不同数值的直流稳压电，这就对电源的多路输出功能提出了要求；并且电子设备的小型化和低成本化也使得开关电源向着轻、薄、小和高效率的方向发展。单片开关电源集成电路具有高集成度

9、、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，它能够构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，所以代表着当今开关电源发展的趋势。开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优势在控制设备、电子检测设备、通讯设备等各种电子应用的领域中得到越来越广泛的应用。因此，对开关电源的研究和设计具有重要意义。本文设计的开关电源是直流12V和直流5V两路输出，控制电路部分选用TOP223P芯片，这种单片的开关电源可以极大的简化产品设计流程和新产品开发周期，并且在其它性能上也有很大优点。1.2 开关电源简介开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高

10、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性稳压电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。可以说，开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术1。开关电源的产生依赖于现代的高速发展，比如各种功率管的性能改进，开关电源是通过改变功率管的占空比，也就是调节功率管的导通时间在一个周期内所占的比率，从而输出稳定电压的一种电源。开关电源一般是通过（PWM）输出固定频率和固定幅度的脉冲来控制IC和MOSFET的导通和断开而实现。1.3 开关电源的发展历史和发展前景开关电源已有几十年的发展历史，早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源

11、等少数领域，20世纪60年代出现过晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用于芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展，目前，开关频率已从20KHZ左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）、瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（VSR）、熔断电阻器（FR）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁干扰滤波

12、器（EMI）、高导磁率磁性材料、三重绝缘线、等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。进入21世纪，伴随着电力电子技术的飞速发展，开关电源的发展也步入高速阶段。其发展的趋势主要有以下几个方向2：（1）高频率、重量轻和体积小开关电源重量和体积就是其机内组成元器件的体积重量。因此，尽量减小或减少组成开关电源的元器件就可以实现开关电源的体积和质量减少的目的。目前来说，由于电力电子技术的飞速发展，比如电容、二极管、三极管、MOSFET管等，在保证其性能提高的前提下，其体积越来越小，这也是现在电力电子发展的重要方向。因此开关电源的体积和质量不断地减小。一般来说

13、，频率的提高不仅仅可以使你所选元器件的体积减小，而且可以大幅提高系统的工作性能。如今电气发展迅猛，逐渐趋向于智能化，因此，开关电源是必不可少的3。比如手机的移动电源、笔记本的充电器、甚至电动车的电源设备等等。（2）高效率和可靠性高开关电源相对于早些时间的线性电源来说，其组成的元器件比较少，单从这方面讲就可以提高开关电源的稳定性，可靠性。另一方面，组成开关电源的元器件是有寿命的，例如二极管、电容、三极管，它们有一定的使用期限，也就是和人一样，它们是有寿命的，减少开关电源的元器件就可以尽可能的提高开关电源的使用寿命，避免了因为元器件的繁多以及集成电路的复杂导致某一个器件烧坏而降低开关电源的寿命。另

14、外，努力提高开关电源的工作效率，一方面可以减少电能的流失，提高电能利用率。另一方面，降低了开关电源的损耗，减少了电源的发热量，并且提高了开关电源的可靠性。（3）降低噪声和提高动态响应噪声大成为开关电源的一个不足之处。开关电源的工作频率的提高确实是开关电源的一大发展方向，可是开关电源的噪声随之增大也伴随着发生。因此，设计中可以根据具体情况，具体的设计要求，电路环境等因素设计去噪音的有效电路。因此，降低开关电源的噪声干扰技术的研究和发展即是重点又是难点。开关电源中高频二极管、MOSFET管、IGBT管的使用可以有效的提高开关电源的动态性能，所以高频二极管、MOSFET管、IGBT管等电力电子设备的

15、改进刺激着开关电源的发展。（4）数字化如今，电力设备也逐渐的智能化，开始走进人们的生活，例如智能电视，智能冰箱等。智能化的发展离不开数字化做依托，所以电力产品也逐步数字化。模拟信号作为控制部分的传统的电子电路逐渐被抛弃，取而代之的是数字信号的引入，随 着数字信号处理技术的日趋完善，数字信号和数字电路也显 得越来越重要。目前而言，数字电源的发展还不是很成熟，仅仅占整个开关电源的很小一部分，但是数字开关电源具有传统模拟开关电源所不具备的适应性与灵活性，受到各行各业的关注因此，开关电源的数字化是未来的发展趋势，也是开关电源的主要研究方向之一4,5,6。（5）高度集成化近20多年来，集成开关电源沿着下

16、述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元制电路实现集成化。1997年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制器集成电路。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHZ的高速PM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型的产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中小功率开关电源实现单片集成化，如将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中7。2 开关电源的工作原理及分类2.1 开关电源的工作原理开关电源是把市电的交流输入电压转化为各种电力电子设备工作时所用的直流电的装置。它的工作原理：输入的交流市电经过整流和滤波后转变为含有一定脉动成分的直流高压电；然后再通过控制功率变换器中的

17、功率关管的导通和截止时间以及高频变压器的作用，转变成高频脉冲电压；高频脉冲电压经过输出端的整流和滤波电路转变成为稳定的直流电压，最后再通过稳压电路进一步稳压并输出给负载。开关电源系统的典型工作电路框图如2-1图所示，主要由四部分组成：输入电路，功率变换电路，输出电路和控制电路8。每个部分的组成和功能为：图 2-1 开关电源系统的典型工作电路框图(1)输入电路：输入端的保护电路由保险丝和压敏电阻组成。保险丝可以在电路发生故障或出现异常时，当电流升高到限定范围值时，自身熔断以切断电流的通路，从而保护电路的安全运行；压敏电阻用来吸收从电网内窜入的浪涌电压，对电路进行过压保护。滤波电路由安规电容和共模

18、捉流圈组成，对电路工作过程中产生的串模干扰和共模干扰起到抑制作用。一次侧输入整流电路利用二极管的单向导电性能，可以把经过滤波后的高频交流电压转换为含有较小交流分量的直流电压。(2)功率变换电路：由功率开关管和高频变压器组成，是开关电源最重要的部分。该电路用于把流经一次整流滤波后的直流高压转变成高频率的脉冲电压，然后经过变压器再转换为满足设计要求的隔离输出交流电压。(3)控制电路：由反馈电路，开关电源专用控制芯片和保护电路组成。反馈电路把反馈绕组上的取样电压与基准电压进行比较后产生的误差信号送入控制芯片，通过芯片内部电路产生的占空比波形来改变功 率开关管在一个周期内的导 通时间和关 断时间的比率

19、，来达到稳压的目的。在开关电源工作过程中，若电路出现异常或者各项参数超过设计限定值时，保护电路会将保护信号送到控制器使开关电源暂停或停止工作来保护器件。(4)输出电路：由整流电路和滤波电路组成，将高频脉冲电压整 流滤波为满足输出标准的直 流电，与输入整流滤波电路工作原理相同。2.2 开关电源的设计指标在进行开关电源设计时,为了使设计的电源能够满足使用要求,需要收集好电源的各项技术指标,如电源的工作环境,输入输出参数等。根据指标要求设计的开关电源需提供两路直流电压输出:两路分别为+12V、+5V共地直流电压。根据设计目的，要求开关电源的性能指标如下:(1)输入电压参数:市电220V；(2)输入交

20、流电压范围:85V265V；(3)输入电压频率:50Hz；(4)效率:85%；(5)输出电压/电流参数:+5V/2A，+12V/0.5A；(6)输出电压准确度:3%；(7)纹波系数:1%。2.3 开关电源的调节方式2.2.1 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是在频率一定的情况下，通过改变占空比来控制输出的一种调制方式。所谓占空比就是元器件导通时间占整个工作周期的比重。脉冲宽度调制器的频率是可以调节的，一般通过其内部结构产生频率一定的震荡波形，从而确定工作频率。更重要的一点是，脉冲宽度调制配备反馈环节，输出的电压值会被反馈到脉冲宽度调制器，进行比较、分析，进而调节，确保输出稳定可靠地电压值。脉

21、冲宽度调制电路一般应用DC-AC，DC-DC的电路中9。2.2.2 脉冲频率调制(PFM)脉冲频率调制PFM(Pulse Frequency Modulation)不同于脉冲宽度调制，它是通过改变工作电路的工作频率从而引起内部变化进而调节输出的一种调制方式。该调制方式在低负载时的效率相比于其他调制方式要高， 并且PWM中含有误差放大器，所以相对于PWM，PFM具有较快的响应速度。但是高负载时转换效率并不理想，较PWM要差。除此之外，脉冲频率调制滤波非常困难10。2.2.3 混合的调制方式混合调制方式，PFM-PWM-PSM结合的方式，这种调制方式比较灵活，因为设计者可以根据电路中负载值得不同而

22、选择不同的调制方式。并且设计者可以根据各种调制方式的优缺点来结合，从而达到最佳的工作方式。但是，混合调制方式的工作电路比较复杂，这样增加了设计的难度，对设计者的要求也相应的提高了11。2.4 开关电源分类随着科技的进步，电力电子技术向着多元化的发展，电力电子产品也变得多种多样。伴随着，电力电子设备所需求的电压范围也变得越来越宽，比如一些数字电路中要求的电压就比较小，一般在10V以下；一些模拟电路中所需的电压一般在10V以上；还有一些大型的用电设备所需的电压可以达到1000V甚至更高。所以电源装置的设计就必须跟上步伐，以满足各方面的需求。实现电能的转换，电压的改变有两种方法：线性电源和开关电源。

23、图 2-2 线性电源线性电源如图2-2，电路包括工频变压器、整流滤波电路、稳压电路。首先工频变压器为输入电压降压，然后经过整流滤波电路，去除滤波并输出直流电，最后由稳压电路线性调节，输出稳定电压。线性电源的调整管工作在放大区，因此发热多，效率小（35%左右），需要加体积庞大的散热片，并且还要配上大体积的工频变压器。开关电源的开关管工作在饱和和截至区，所以发热量少，效率大（75%以上）并且省掉了体积很大的变压器。但是线性电源纹波小。所以开关电源很好的适用于那些对电源的效率和安装的体积有规定的环境，而对电磁干扰和电源纯净性有规定的环境（如电容漏电检测）多选择线性电源。开关电源可以分为隔离式和非隔离

24、式两种，下面着重介绍开关电源的分类12,13。2.4.1非隔离式开关电源非隔离式开关电源的电路结构比较简单，主要由电感、电容、晶体管、电阻等小元器件组成。通过改变开关管的占空比来改变输出电压的大小，最基本的四种电路拓扑结构如下。一、Buck（Step Down）变换器Buck变换器又被叫做降压变换器。电路包括电源电压，占空比已知且一定的晶体管Q，电感线圈L，二极管D1，负载R和电容C组成，通过控制晶体管的占空比，从而实现将输入电压降压的功能14。电路结构图如图2-3所示：图2-3 Buck降压电路Buck变换器工作过程：开关管Q导通时，电感L上通过的电流在没有达到饱和状态之前，将会线性的增加，

25、且值与输入电流is相同；负载R上流过的电流值大小为，R两端输出电压值为Vo。当<时，电容C处于充电状态，此时二极管D1的工作电压为上正下负，被反向截止。开关管Q截止时，为了保持电感电流值保持不变，通过L中磁场的作用，线圈L两端的电压极性被改变。当<时，电容C向负载放电，以维持输出电压和电流保持不变。此时二极管D1的电压变为上负下正，正向导通工作时为电感电流提供通路，被称为续流二极管。用伏秒平衡来列出式子：公式（2-1）公式（2-2）上式Ton 是开关管的导通时间，Toff 是开关管的截止时间；T 是开关管工作周期，D 是占空比，D=Ton/T。由2式可知，由开关管占空比的改变就可以

26、控制输出平均电压的大小。由于占空比总是不大于1，所以总是小于U，因此Buck电路是降压电路。二、Boost（Step Up）变换器Boost 变换器的原理图如图2-4所示：图2-4 Boost升压电路Boost 变换器的组成类似于Buck 变换器电路。晶体管的导通和断开的状态受外在提供的脉冲信号控制，通过改变脉冲信号的占空比来实现将低压升到高压的目的，并且输出电压可调15。Boost 变换器工作过程：当晶体开关管Q导通时，电流流过电感线圈L，并且储存能量，此时电容为C放电状态，释放的电荷为负载R供电，这里设R上流过的电流为Io，两端的电压值为Vo，此时二极管被截止。设晶体管通态时间为TON，此

27、段时间里电感上所积累的能量为V·IL·TON。当晶体开关管Q关断时，电感会阻止电流的减小，电感会产生感应电动势，此时L中的电磁能量会转化成电压V并与输入端电压V串联后共同向电容C和输出端负载R供电。因此电路输出的电压要大于输入电压。根据伏秒平衡有式（2-3）、（2-4）：公式（2-3）公式（2-4）要获得所需的电压需改变开关管的占空比，而且由于D 总是小于1，因此U0也一定高于V1，如此来看，Boost电路能实现升压功能的原理就不再难理解。三、Buck-Boost变换器Buck-Boost变换器又被称为降压一升压变换器，它是在将Buck变换器和Boost变换器结合而组成的电

28、路16。经过等效简化后形成如图2-5所示：图2-5 Buck-Boost电路工作过程：晶体开关管Q工作在导通状态时，电源电流is流过电感L，电感储存能量，此时电容C向负载R放电，二极管Dl反向截止。开关管Q断开时，电感电流有减小趋势，为了保持不变，L产生反向自感电势，使L两端电压变为下正上负，二极管D1此时正向导通，负载R两端输出电压，此时电容C处于充电状态，以保证晶体管关断是为负载提高电压。其公式为：(2-5)式中为占空比，改变占空比可以使输出的电压大于或者小于电源电压。四、Cuk变换器Cuk变换器又称Boost-Buck串联变换器，它也是通过前两种电路结构而成组合，创新之处是电路中多了个电

29、感，有效地保存了电能17。由晶体管和二极管组成的Cuk变换器电路结构图如图2-6所示：图2-6 Cuk电路Cuk变换器工作过程:晶体管Q在导通状态时，输入输出环路闭合，二极管D1被反向截止，输入端电流it流过电感L1，L1此时储存能量，C2释放电荷，供电给负载并使电感L2储能，晶体开关管中流过的电流为it与i2之和。晶体管Q断开期间，二极管D1处于导通状态，使输入环路和输出环路工作在闭合状态，电源输入电流it和电感L的释能电流同时为电容C1提供充电电流；电感L2的释能电流为负载提供能量。其计算公式和式2-5相同：(2-6)2.4.2 隔离式开关电源隔离式开关电源是通过变压器来实现升压、降压或稳

30、压的，主电路部分同样也是由晶体管等元器件组成。下面介绍几种简单地隔离式开关电源的类型。一、单端正激式变换器图2-7 正激式变换电路单端正激式变换器电路比较简单，其可靠性较高。它更适合应用在输出功率在100200W的场合。当晶体管Q导通时，二极管D1反向截止，线圈N1'产生感应电压，电流流过初级线圈N1。次级线圈N2中产生感应电流，流过二极管D2，电感L和电容C储存能量，并且电流流过负载R，输出电压。当晶体管Q截止的时候，初级项圈N1中储存的能量通过D1和N1'返回到电源，此时由于电感和电容中储存的有能量，二极管D3导通，D2截止，电流经过电感、R、D3形成回路，从而正常工作。这

31、里需要注意的地方是，为了保证晶体管再次导通前变压器中的能量完全释放，免于损坏晶体管，应该保证晶体管的导通时间要小于截止的工作时间。此种电路中变压器的结构比较复杂，体积比较大，所以目前应用较少18。二、单端反激式变换器反激式变换器的电路结构组成比较简单，可以在输出端引出多路输出，常用于输出功率在150W以下的小功率输出电路。电路如图2-8所示：图2-8 反激式变换器电路当晶体管Q导通时，二极管D1和线圈N1'不通，变压器初级线圈N1储存能量，由于初级线圈N1和次级线圈N2的同名端相反，所以次级线圈中的感应电压上负下正，二极管D2反向截止，此时由电容释放电荷为负载R提供输出电压。当晶体管Q

32、截止时，初级线圈中的能量通过D1和N1'返回到电源，并且对晶体管Q起到保护作用，此时次级线圈中的极性反向，电压上正下负，因此D2导通，电容充电，并为负载提供输出电压。该电路中变压器的结构也比较复杂，所以很少用到19。三、推挽式功率变换器推挽式功率变换电路工作时两个功率开关管Q1和Q2交替导通或截止。当Q1和Q2分别导通时，变压器初级绕组有相应的电流经过，从而在变压器次级绕组中有功率输出。推挽式功率变换电路的原理图如图2-9所示：图2-9 推挽式功率变换器电路当晶体管Q1导通时，电流通过Q1、电源、初级线圈N1形成回路，相应的次级线圈中产生感应电压，电压为上正下负，所以二极管D1导通D2

33、反向截止，所以电流流过D1、R，输出电压；当Q1关断Q2导通时，初级线圈N2中有电流流过，次级线圈中产生上负下正的感应电压，此时二极管D2导通D1截止，为负载提供电压。图中二极管和电容起到整流滤波的作用，保证输出稳定的直流电压。该电路的效率比较高，工作频率范围较大，但是变压器和功率管的要求相应的也高，所以，电路中应该包含较好的保护电路20。四、全桥式功率变换器图2-10 全桥式功率变换电路全桥式功率变换器电路中控制开关的是四个功率开关管，其中Q1，Q4和Q2，Q3交替导通或者截止，使变压器T的次级侧功率输出，为负载R供电，此方法在大功率变换电路中应用较广。全桥式功率变换器电路如上图2-10所示

34、：当Q1和Q4导通时，Q2和Q3则截止，此时Q1和Q3两端承受的电压为输入电压。当开关管瞬间截止时，由于变压器为储能元件，其中储存的能量与输入电压叠加就会给开关管输入一个较大的电压，称之为冲击电压。通常在开关管Q1，Q2，Q3和Q4的集电极与发射极之间分别反接上钳位二极管D1，D2，D3和D4，通过二极管就可以将加在开关管上的电压限定在一定的范围之内，减小冲击电流对开关管的影响，有效地保护开关管。该电路虽然比较复杂，元器件比较多，但是该电路的传递效率比较高，且稳定系数要高，所以该电路广泛应用在大功率变换器中21。五、半桥式功率变换器半桥式功率变换器电路与全桥式功率变换器的电路相类似。把全桥式功

35、率变换电路中的Q3和Q4用电容容量相等的C1和C2代替，就成为半桥式功率变换器，电路图如图2-11所示，C1和C2构成分压电路，使它们连接点的电压Va等于输入端的电压的一半。图2-11 半桥式功率变换器当Q1导通，Q2截止时，输入电流的方向沿着图中虚线所示的方向进行，电容C1充电，变压器T的初级绕组上的电压极性为左负右正，当Q1截止，Q2导通时，输入电流方向为图中实线方向，电容C2充电，变压器T初级绕组的电压极性变为左正右负。在整个周期内都能够使初级绕组有电流流通，变压器绕组得到充分利用，能够提供较大的输出功率。3 开关电源主要元器件选择3.1 开关电源芯片的选取单片开关电源集成芯片在电路的设

36、计过程中具有很多明显的优点：高度集成化、尽量简化外围电路结构、高性能指标、无工频变压器并且能完全实现电气隔离等显著优点。本设计选用的是TOP223P开关电源集成芯片。机内设有脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，经由高频变压器让输出端与电网一侧完全隔离，可安全可靠的使用。由于采用COMS电路，使器件功耗显著降低。它不需要外接大功率的过流检测电阻，外部也不必提供启动时的偏置电流22。该系列芯片是美国PI公司在世界上率先研制成功的三端隔离、反激式脉宽调制单片开关电源集成电路。第一代产品以1994年推出的TOPSwitch系列为代表（含TO

37、P100/200系列）为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列（TOP221TOP227）。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大的简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发过程，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好的条件。表3-1：TOPSwitch分类、最大输出功率PO（单位：W）TO220 封装（Y）DIP8 封装（P）/SMD8 封装（G）产品型号固定输入（110/115/230V，AC，±15）宽范围输入（85V265V，AC）产品型号固定输入（110/115/230V，AC，±15）宽范围输入（85V265V，

38、AC）TOP221Y127TOP221P/221G96TOP222Y2515TOP222P/222G1510TOP223Y5030TOP223P/223G2515TOP224Y7545TOP224P/224G3020TOP225Y10060TOP226Y12575TOP227Y15090与第一代产品相比，TOPSwitch-II不仅在性能上有很大提高，而且明显提高了输出的功率，现已成为国内外的优选集成电路，在开发中、小功率开关电源及电源模块方面。表3-2：TOP223P引脚排列及其功能引脚引脚符号引脚功能1SUPRCE内部MOS管源极2SUPRCE内部MOS管源极3SUPRCE内部MOS管源极

39、4CONTROL稳压控制反馈输入5DRAIN内部MOS管D极6SUPRCE内部MOS管源极7SUPRCE内部MOS管源极8SUPRCE内部MOS管源极两个系列的封装是一致的，实际上它是一个三端器件。三个脚分别是D、S、C，即漏极、源极、控制极。封装形式有TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8的八脚双列式两种基本形式。八脚封装的1-3、6-8通常并联后作为S，所以也相当于三端器件。图3-1就是本设计所使用的图 3-1 TOP223P引脚排列表3-3用列表的形式对三个脚分别是D、S、C，即漏极、源极、控制极的功能进行说明：表3-3：D、S、C，即漏极、源极、控制极的功能IC 脚名称功能说

40、明源极S连接内部功率开关管的源极，还与小散热片接通（仅对TO-220封装而言），作为初级电路的公共地。漏极D它与片内功率开关管的漏极联通，并且还是机内电流的检测点，该点机内设置一个电流源来提供芯片的偏置电流，漏-源击穿电压Vbr700V 。控制极C控制端有四个作用：第一，利用控制电流Ic的大小来调节占空比D，当Ic从6.0mA减到2.0mA时，D就由1.7%增至7%，比例系数即为脉宽调制增益；第二，它与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流；第三，该端还作为电流支路和自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率；第四，对控制回路进行补偿。TOPS

41、witch-II 的工作原理：TOPSwitch-II 的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D，以此来达到稳压的目的。比如，当输出电压V0升高时，经过光耦反馈电路使得Ic增大，这样会导致D的减少，使V0减小，最终使得V0不变。TOPSwitch的内部结构框图如图3-2所示，主要包括10部分：图 3-2 内部结构框图TOPSwitch系列芯片将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。主要包括10部分：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、脉宽调制器、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路、高压电流源。图3-2中，Z

42、C为控制端的动态阻抗，RPB是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7KHZ的低通滤波器。下表列出了该芯片内部各部分名称及其作用：表 3-4：TOPSwitch内部各部分的作用名 称作 用控制电压源： 控制电压Vc能 向并联调 整器和门极驱动级提供偏置电压，而控制端电流Ic 则可以对占 空比进行调节。 带隙基准电压源： 它一方面会向内部电路提供各种基准电压之外，另一方面会产生一个具有明显温度补偿并可调整的电流源，以此精确设定振荡器频率和门驱动及电流。 振荡器： 内部设有一个震荡电容，它在所设定的上、下阀值电压之间周期性的线性充放电，就会产生脉宽调制所需的锯齿波（SAW）；与此同时还产生最大

43、占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK）。并联调整器误差放大器： 当加在控制端的反馈电流超过它需要的电流数时，就通过并联调整器进行分流，确保Vc=5.7V（典型值）。脉宽调制器： 它是电流反 馈式的控制电路。经由控制端电流Ic大小的改变，能连续调节占空比，实现脉宽调制（PWM）。脉宽调制信号的功率输出。门驱动级和输出级： 门驱动极用于驱动N型沟道的功率开关管，让它按照规定的开关频率在一定时间内导通。 过流保护电路： 这种设计起到过电流保护作用。 过热保护及上电复位电路： 当芯片结 温大于135时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，来关断输出级。关断自动重启动电路： 在调节失控时，关

44、这一电路马上让芯片工作在5%的占空比，同时断开从外流入控制端的电流Ic，Vc再次进入滞后调节模式。 高压电流源： 在启动或滞后模式下，高压电流经过电子开关S给内部电路提供偏置，并且对CT进行充电。电源正常工作时S改接内部电源，将高压电流源关断。3.2 变压器变压器是就是电生磁、磁生电的过程，通过交流电的输出产生感应电压，并且根据匝数比完成升压、降压、稳压过程。变压器一般由铁芯、初级线圈、次级线圈组成，随着电力电子的高速发展，变压器也在更广的场合被需求。目前来说，变压器大的类型繁多，应用范围很广。比如按容 量的大小可以分为小型变压器、中小型变压器、大型变压器和特大型变压器。特大型变压器的工作电压

45、在220KV以上，一般应用在大型的变电厂，发电厂。像长江三峡发电厂里就配备了很多特大型变压器，用于满足输电设备。大型变压器工作电压在100KV左右，一般应用在小型发电厂。中小型变压器工作电压在几十千伏，一般用在大型变电站，用于输送电能。本文中要用到的是高频的小型变压器，工作电压较小，常应用于小型电力电子设备中23。变压器的设计比较精细，设计者在选材上必须经过详细的计算，保证材料满足设计要求。目前变压器铁芯材料的种类也变得繁多，大类可以分为铁氧体磁芯和合金类磁芯。一般设计者要根据设计的要求选择满足条件的某一特性材料，例如本设计中用到了铁氧体磁芯。线圈的匝数和线圈的截面积都需要设计者去精确计算，计

46、算越精确设计的变压器性能越优良。线圈及线圈截面积算出来之后，就要设计怎样绕置导线，导线的绕置有多种，包括单箍绕置和多箍绕置等，不同绕置方法会使 变压器的转换效率不同。最后是计算变压器的损耗，控制损耗可以提高变压器的工作效率，也可以增长变压器的寿命。本设计中选用铁氧体作为磁芯材料，铁氧体磁芯的电阻率比较高，高频工作下损耗比较小，并且价格便宜、形状多样。磁芯结构选用EE型，这种结构下磁芯的气隙长度可以自由设置，漏磁比较小，安装方便。作为中小型电源，本文设计选则EE55型变压器，满足功率转换。3.3 开关电源外围电路中关键元器件的选择一、TL431型可调式精密并联稳压器基准电源器件在开关电源中是一个

47、重要的器件，它主要用于作为反馈的比较基准。开关电源的比较基准一般有如下三种获得方式：（1）使用芯片内部基准电源（2）使用稳压管（3）使用基准电源器件。第1种方式比较方便，但灵活性往往受到限制；第2种则控制精度比较差。要达到比较精密的控制调节效果，本设计采用第3种基准电源器件作为误差比较基准。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。二、TL431的性能特点：可编程输出电压为

48、36V；电压参考误差为±0.4%；低动态输出阻抗，典型值为0.22；负载电流能力为1.0mA-100mA。二、TL431的工作原理TL431的等效电路图见3-3图，主要包括4部分：（1）误差放大器A，其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相输入端则接内部2.5V基准电压源Vref；并且设计的，端常态下应为2.50V，因此亦称基准端；（2）内部2.50V（准确值为2.495V）基准电压源；（3）NPN型晶体管VT，它在电路中起到调节负载电流的作用；（4）保护二极管VD，可防止因K-A间电源极性接反了而损坏芯片。TL431相当于一只可调式齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻R1和R

49、2来设定，有公式（3-1）图 3-3 TL431基本接线图TL431的稳压原理可分析如下：当由于某种原因致使V0时，取样电压VREF也随之升高，使VREF>Vref，误差放大器输出电压升高，致使VT的输出电压降低，即V0。反之，V0VREFVREF<Vref 误差放大器输出电压降低VT的输出电压升高V0。最终使V0趋于稳定，达到了稳压目的，此时VREF = Vref 。图 3-4 TL431等效电路4 开关电源电路设计4.1 EMI滤波器设计在开关电源的输入端设置EMI滤波器能在够有效地滤除来自电网的尖峰干扰，同时也能防止频率很高的高次谐波分量扩散到电网从而污染电网，这些高次谐波是

50、开关电源工作时产生的24。4.2.1 EMI电路分析EMI直译是是“电磁干扰”，是指电子设备（干扰源）通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。它主要有两种类型：传导干扰和辐射干扰。电子设备或系统在复 杂的电磁环境中应具备彼此兼容的能力，就是说互相不产生干扰的各自工作。电源产生的噪声就是一种电磁干扰EMI，它传导噪声的频率大致为10KHz30MKHZ，最高时能够到达150MHz25。本设计采用的EMI滤波电路如图所示：图4-1 EMI滤波电路4.2.2 电路EMI滤波器参数设置EMI滤波器作为降低电磁干扰的一种经常釆用的装置，和一般的滤波器有一定的不同，其性能指标和参数有特定的选择和计算方法26

51、。根据设计需要选用图4-1所示的电路结构，具体参数取值如下：(1) CX01、CX02：抗差模干扰元件，称为X电容，属于安规电容。X电容有三种类型：X1、X2和X3，不同类型的X电容耐高压的数值不同。在关电源中经常采用的是X2电容，它的耐高压值不大于2.5kV，电容大小在10nF470nF之间。本设计选用聚 酯薄膜类电容，体积虽然相对较大，但它允许瞬间充放电的电流比较大，并且内阻比较小。本设计选用的X电容参数为100nF。(2) C7、C8：抗共模干扰的元件，是Y电容，属于安规电容。根据额定电压值的不同，Y电容可分为四类：Y1、Y2、Y3和Y4，开关电源中经常采用的是Y1类电容和Y2类电容。把

52、C7和C8跨接在输入端电路两端，并且将两个电容器连线的中点接地，这样能够对电路中产生的共模干扰有很好的抑制效果。在本次设计中选择了陶瓷电容，容量范围在2.2nF100nF之间。为了减小漏电流值，电容容量不能超过100nF，本设计选择参数为10nF的Y电容。(3) L01：共模电感，它的作用是用来滤除电路产生的共模噪声干扰。它的结构是在一个闭合磁环上对称的绕制了两个线圈，这两个线圈的匝数相等，方向相反；当带有共模噪声的电流流经这两个绕组的时候电流的方向是相同的，那么它们产生的磁通量就会同向相加，这个时候共模电感的线圈呈现出高阻抗的性质，这样就会使得共模的信号不容易通过，从而达到抑制目的。在电路设

53、计中，共模电感通常在5mH-33mH之间取值。本设计取的值是6mH。4.2 开关电源的高频变压器设计开关电源中的高频脉冲变压器的实质同耦合电感相同，它具有变压，电气隔离，磁耦合传送能量等作用，是开关电源中的核心元器件，它的性能的好坏对整个开关电源设计能否成功至关重要27。高频变压器的设计主要包括磁芯的选择（保证满足要求的功率转换）、匝数比、初级线圈匝数、次级线圈匝数、线径等参数的确定。复杂的电路中还应该考虑相应的损耗，包括铜耗、磁滞损耗等。因此要设计出高效的变压器必须综合考虑，并且进行严格的计算28-30。4.2.1 估算输出功率和输入功率根据设计指标要求，计算总的输出功率P0：公式（4-1）

54、设计的开关电源有两路输出，考虑输出整流二极管上存在正向压降及留有一定裕量，输出功率P0=20W。根据输出功率P0和效率，计算输入功率Pin:公式（4-2）4.2.2 确定最小和最大直流输入电压值和电流值输入交流电经过整流桥后，输出侧的最小和最大直流电压由下式计算得出： 公式（4-3）公式（4-4）直流电压与整流器的电压降，储能电容的等效阻抗值，整流器的电压降，电源线路中的阻抗，以及负载的大小均有关系。在计算最小输入直流电压时减去的40V为经验取值。根据计算的最小和最大直流输入电压值，可以计算出输入电流的最小和最大值，如下式所示：公式（4-5）公式（4-6）4.2.3 验证磁芯的合理性这里采用值

55、法进行验证，即，是磁芯窗口面积，是磁芯有效截面积。公式（4-7）取变压器原副边导线的电流密度J=400 A/、变压器的效率为0.9、变压器的窗口系数K=0.4，式中KT为电路拓扑系数。计算公式为公式（4-8）代入数据得：查询变压器磁芯数据参数表，EE55铁氧体磁芯的磁芯截面积Ae=3.54 cm2，窗口截面积Aw =2.8cm2，则其功率容量积：公式（4-9）由上式计算可得：选取EE55铁氧体磁芯满足设计要求。4.2.4 绕组匝数的计算计算公式如下：公式（4-10）化简公式得：公式（4-11）本设计中选择最大占空比为0.48，由于MOSFET管有压降需要考虑，通过查阅资料，取压降为1.3V，整流二极管的压降为2×0.7V，输出电压为12V。代入上式得：公式（4-12）初级线圈的匝数：公式（4-13）式中Vin为输入电压最小值，D为占空比取0.48，Bm为最大磁感应强度这里取0.15，为工作频率，其值为20KHz，代入数据得：这里选取的初级线圈的匝数是3匝，Np=N1=N2=3，因此可以得出如下结果：公式（4-14）为了留有一定的裕