基于topswitch小功率开关电源设计毕业设计演示文稿

1、姓名：姓名： 学号：学号：题目：基于题目：基于topswichtopswich小功率开关电源小功率开关电源n采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。本文介绍了三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列的工作原理及其在开关电源设计中的应用，同时也介绍了与TOPSwitch相匹配的高频功率变压器的设计。其中， PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。在研究了单片开关电源的工作原理基础之上，采用TOP222Y芯片设计了输出为12V/1.67A小功率单片式开关电源电路及高频变压器；并对电路中的一些元器件的参数进行了计

2、算和选择。该电路基本能满足设计的要求。通过毕业设计，即巩固了所学的知识 ，又得到了一次实践的锻炼开关电源的基本概念开关电源的基本概念 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、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、

3、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。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体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。开关电源工作原理开关电源工作原理 “开关电源”是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率,使一个电路运行于“开关状态”并维持稳定输出电压的一种电源；与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用单片开关电源有两种工作模式

4、单片开关电源有两种工作模式n一种是连续模式n一种是非连续模式n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n适合采用输出功率较大的，配尺寸较小的高频变压器。反馈电路的选择反馈电路的选择n (a) 基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型化、经济型开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率SU=1.5%2%；负载调整率SI=-4%+4%。n (b) 改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管VDZ 和电阻R1，即可使负载调整率达到-2%+2% 。VDZ 的稳定电压一般为22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压UFB，满足电路的需要。n (c) 配TL431 的光耦

5、反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。这里用TL431 型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对Uo 作精细调整。这种反馈电路适于构成精密开关电源。n (d) 配稳压管的光耦反馈电路，由VDZ 提供参考电压UZ，当Uo 发生波动时，在LED 上可获得误差电压。因此，该电路相当于给增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对Uo 进行调整。n由于本设计旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作，所以选择配TL431 的光耦反馈电路。TOPSwishn TOPSwichII器件为三端单片开关电源,是一种将PWM和MOSFET合二为一的新型集成芯片。与普通线性稳压

6、电源相比其优点为体积小、重量轻,并且密度高、价格低;采用它制作高频开关电源,不仅简化了电路,同时可以改善电源的电磁兼容性能,且降低了制作成本。性能特点性能特点n(1) PWM控制系统的全部功能均集成在三端芯片中。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,由于采用CMOS电路,使器件功耗显著降低,电源效率高,且可以采用体积较小的滤波元件和散热器;n (2) 它属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占空比的AC /DC电源变换器,即电流控制型开关电源;n (3)输入交流电压和频率的范围宽。作固定电压输入时可选110 V /115 V /230 V交流电源,宽范围输入时适配85265 V交流电源,输入频

7、率范围是47440 Hz;n (4) 开关频率的典型值为100 kHz,允许范围90110 kHz,占空比调节范围1. 7 %67 %;n (5) TOPSwitchII具有自动重启和逐周电流限制功能,故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOPSwitchII还具有过热关闭选通功能,可在电路超负荷时有效地保护电源;n (6)外围电路简单,成本低廉,外部只需整流滤波器、高频变压器、漏极箝位保护电路、反馈电路和输出电路。内部框图内部框图n(1)控制极C：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。启动时由内部高压电流源提供内部偏置电流；在正常工作时，流入反馈控制电流。同时用作电源旁路电容

8、器和自动启动/补偿电容器的接入点。 (2)源极S：在TO-220封装中，既是MOSFET管的源极接点，也是开关电源初级 回路的公共点和参考点。 (3)漏极D：MOSFET管漏极接入点。在启动时，提供内部偏置电流。nTOPSwitch-II系列芯片内部结构框图如上图所示。主要由以下几部分组成：N沟道高压MOSFET管、栅极驱动器、电压模式的PWM控制器、误差放大器、100kHz振荡器、输入欠压保护、输出过流、过热保护电路及尖峰抑制电路等。n TOPSwitch系类芯片是一个具有自偏置很具有保护功能的由电流来线性控制占空比的变换器和漏极开路式输出。芯片通过使用CMOS工艺和最大限度的集成度来获得高

9、效率。COMS所采用的工艺跟双极式或散件式相比较，可以充分减少偏置电流。芯片的一体化省去了电流采样和/或为起初上电启动产生的偏置电流的外部功率电阻。 EMI滤波器滤波器EMI滤波器基本电路及应用滤波器基本电路及应用n电磁干扰滤波器的基本电路如图所示。该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（ 亦称共模电感）L,滤波电容C1-C4, 对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同， 经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有

10、电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I 有关，参见表1 。需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01UF-0.47UF，主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端， 仍选用陶瓷电容，容量范围是2200PF-0.1UF。为减小漏电流，电容量不得超过0.1UF,并且电容器中点应与大地接通。C1,C4的耐压值均为 630VDC或250VAC。整流桥的选型整流桥的

11、选型 (1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30。 (2)整流二极管的一次导通过程，可视为一个“选通脉冲”，其脉冲重复频率就等于交流电网的频率(50Hz)。 (3)为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声，有时用两只普通硅整流管(例如1N4007)与两只快恢复二极管(如FR106)组成整流桥，FRl06的反向恢复时间trr250ns。n最终确定使用IN4005 整流桥采用两只FR106型1A/800V快恢复二极管（VD1，VD2）两只IN4007n型普通硅整流管（VD3，VD4）。高频变压器的设计高频变压器的设计n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

12、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。n 开关电源中变压器的功能是把输入的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。高频变压器的工作原理高频变压器的工作原理n变压器的工作原理如图所示：在一次绕组上外施一变流电压U1便有I0

13、流入，因而在铁心中激励一交流磁通，磁通同时也与二次绕组匝链。由于磁通的交变作用在二次绕组中便感应出电势ez。根据电磁感应定律可知，绕组的感应电势正比于安的匝数。因此只要改变二次绕组的匝数，便能改变电势ez的数值，如果二项绕组接上用电设备，二次绕组便有电压输出，开关电源高频变压器的参数计算开关电源高频变压器的参数计算inUeeDImmax（1）选择恰当的磁芯与骨架，当开关电源的额定输出功率PO=20W 时，设开关电源的效率H 达到85%90%，则高频变压器的额定输入功率 PI=PO/H= 20W/（85%90%）= 18W。（2） 初级感应电压UOR 的计算 UOR=UDCIminton / t

14、off =UDCIminDmax/(1-Dmax) 计算得到：UOR=380V。3初级电感量Lp的计算 脉冲最大占空比 0.68 初级线圈电感量5.4610-3H（3）确定变压器各绕组匝数）确定变压器各绕组匝数n1）变压器变比的计算 US = UDCIminton / toffNS/NP 变压器次级电压与输出电压的关系为： US1=UO+UL+UF=12+0.3+0.4=12.7V； 其中变压器次级绕组压降UL 为0.3V，输出整流共阴极肖特基对管VD2、VD3 压降UF 为0.4V。 变压器的变比n 可表示为： n=NS/NP= NS /(UDCIminton/toff)=US1/UOR 计

15、算得n=0.0932）变压器初级、次级及反馈绕组匝数的计算 初级 22.7 实取N1=23匝 次级 0.56实取N2=1匝 maxIm017123 . 1102DUPBSWNinmaxImmax02)1)(DUDUUNNinFmaxImmax0)1)(DUDUUNNinFBBDUPNLMAXinIm0123 . 104. 03）反馈绕组匝数的计算公式为： 得NB = 2 匝4)计算磁芯的气隙宽度 L=0.01mm 磁芯放在磁路中心处要求Lg0.051mm若小于此值需增大磁芯尺寸或增加Np值高频变压器的绕制高频变压器的绕制n1.初级绕组必须绕在最里层。其优点之一是能缩短每匝导线的长度，减小初级绕

16、组的分布电容；优点之二是初级绕组能被其他绕组所屏蔽，可降低初级绕组对相邻元件的电噪声。n2.初级绕组的起始端应接到TOPSwitch的漏极端，利用初级绕组的其余部分和其 它绕组将它屏蔽，减小从初级耦合到其他地方的电磁干扰。初级绕组最好设计成两层或两层以下以降低初级分布电容和漏感。在初级各层之间加一绝缘层，能将分布电容减小到原来的1/4左右。漏电感会导致MOSFET关断时产生感应电压。为减小变压器的漏感，可采用三明治绕法把副边夹在原边的中间，或在原边层与层之间加上胶布。另外变压器绕组的顶部互相之间应同轴，以便使耦合最强，减小漏电感。n3.反馈绕组的最佳位置取决于开关电源采用初级调整方案还是次级调

17、整方案。采用前者时应将反馈绕组置于初、次级绕组之间，这样能对初级回路元件上的电磁干扰起到屏蔽作用。采用后者时需把反馈绕组绕在最外层，此时反馈绕组与次级绕组的祸合最强，对输出电压的变化反应得更灵敏，能提高调整度；另外还能减小反馈绕组与初级绕组的耦合程度以及反馈输出的峰值充电效应，也有助于提高稳压性能。n.4.绕制多路输出的次级绕组时，输出功率最大的次级绕组应靠近初级，以减小漏感。如次级匝数较少，每匝之间可使适当留出间隙，或采用多股并绕的方式使绕组能充满整个骨架。PC817的内部结构及工作原理的内部结构及工作原理nPC817是线性光电耦合器，是以光为媒介来传播电信号的器件。通常是把发光器（发光二极

18、管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图所示。nPC817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。n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。 PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用，还可以起到隔离作用。下图为PC817 集电极电压Vce 与发光二极管正向电流If 关系。 TL431的工

19、作原理的工作原理n在本设计中就是利用TL431和光耦构成反馈电路，基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成，在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压，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欧,输出杂波低。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2.530VPC817光电耦合器与光电耦合器与TL431外围器外围器件参数计算件参数计算n电源反馈隔离电路由光电耦合器PC817以及并联稳压器TL431 所组成，如图4.2所示，其中R2为光耦的限流电阻，R3 及R4 为TL431 的分压电阻，C1 作为频率补偿之用。光电耦合器的限流电阻R2 可由下式求得n 输出电压Vo ，则由TL431内部2.5V之参考电压求得: FFIVVR02FCII1RIVCF43015 . 2RRV输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路的设计n输出整流电路的设计 输出整流管宜采用肖特基二极管，肖特基二极管是利用金属和半导体接触产生的势垒作用的二极管，它是以多数载流子工作的，因而在开关时没有少数载流子存储电荷和移动效应。其压降低、正向导通损耗小，能提高电源效率。此外肖特基