12W TOPSwitch开关电源原理分析论文

1、12W TOPSwith开关电源原理分析制作人：胡添娣自我介绍 大家好！我是来自机贸072的胡添娣，现在在南海凯讯电器电子技术部门担任技术文员，我们部门负责的是充电机开发，由于开发的充电机都要用到开关电源自动控制电路稳定输出电压，所以这次论文撰写了开关电源的原理分析主要内容一、TOP Swith开关管简介、工作原理二、TOP222开关电源工作原理三、实际工作中遇到的问题及解决方法一、TOP Swith开关管简介、工作原理1、TOPSwitch简介TOPSwitch器件为三端单片开关电源控制IC，是一种将占空比PWM和场效应管MOSFET合二为一的新型集成芯片。具有自身偏置和保护功能的变换器，用

2、线性控制电流来改变占空比，利用CMOS和集成尽可能多的功能实现高效率。与三极管和分立元件电路相比，它减少了偏置电流，集成化使其省略了几个外部功率电阻器。2、TOPSwith功能 在宽值输入交流电压85265V时，最大输入功率由60W扩大到90W；在单值输入交流电压110V/115V/230V时，输出功率由100W扩大到150W，因此它的应用领域也拓宽到小型电视机和显示器、音响放大器。以TOP222为例对开关电源做出简单的分析。3、 TOP222反激式原理图 4、工作流程5、主体电路简介输入交流220V整流滤波后，得出300V直流用单个开关管TOP222进行开关控制，固定控制电路中的控制信号的频

3、率。通过调节开关管占空比PWM使300V直流电压流过变压器原边，将能量储存在变压器中；在变压器关断时，能量通过耦合副边输出，电压取样得到误差通过反响控制占空比PWM到达输出恒定。6、工作原理分析1输入滤波电路： 开关电源输入电路包括低通滤波和桥式整流滤波两大局部，虽然都是“滤波，但它们的作用、功能不同，采用的方法也不一样。分为1低通滤波2交流电压输入整流滤波电路波形图示意图1输入滤波电路1低通滤波的作用：防止输入电网输入噪声干扰，同时抑制不需要的浪涌电压、尖峰电压的进入。阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线进入电网干扰电网和其它用电设备。在图2-4中，C1、C2为X电容

4、聚酯电容是抗差模干扰元件，用于抑制正态噪声，电感L1是抗模干扰元件，用于抑制共态噪声。2交流电压输入整流滤波电路，因开关电源的工作方式是DC TO DC，即直流电压转直流电压，所以要先将输入交流电压作整流滤波处理，以得到较小波幅的直流电压。现采用桥式整流电路，输入滤波电容的容量是由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波电压大小决定，而且流经电容的纹波电流在电容的允许值范围内。滤波电容采用电解电容。输入滤波电路波形示意图 整流滤波后，输出为303V，在衰减十倍电压如图2-7b测得的电压纹波值为0.87210=8.7V；从波形可以看出，电源电路整流出来后的电压有8.7V左右的浮动，波动周期为10m

5、S，开关电源工作频率f=100KHz；周期T=1/100K=10uS。说明电压纹波是由电容充放电引起，8.7V纺波值这对于198308V的电压来说，这个微小的变化可以忽略不计。2 变压器初级绕组吸收电路 整流滤波过后，稳压管P6KE200和二极管FR107介于变压器T1原边绕组的两端，由于变压器T1原边绕组的另一端接开关管TOP222的漏电极，当TOP222关断时，变压器漏感会产生反向电压，该电压会烧坏开关管TOP222。所以在此稳压管P6KE200是用于消除尖峰电压、稳定电路；二极管FR107是用于防止变压器在关断时，由变压器产生的反向电压，烧坏开关管TOP222将反向尖峰电压箝位在220V

6、内。3输出整流滤波 从原理图2-4输出电路由4个主要元件组成高速整流二极管VD2、滤波电容C2、LC滤波器L1、C3，其作用是将副边绕组产生的100KHz脉动电流进行整流滤波，使输出电压是流平滑稳定符合直流参数标准。1 输出整流复合LT5233是一只超快速二极管，其反向恢复时间只有35nS，符合高频使用要求，因高此电源的开关频率达100KHz，输出二极两端突变电压速度极快只有几十个纳秒，普通工频二极管反向恢复时间trr较长达毫秒级，如用在高频开关电源输出工作下，会因反向短路电流过大而发热损坏。二极两端的电压波形如图2-7a所示。3输出整流滤波2C2是输出滤波电容其作用是将整流二极管VD2整流后

7、的脉动电压进行滤波处理，使脉动电压变为较平滑的直流电压输出。3L1是滤波电感，C3 是滤波电容，L1，C3组成LC滤波器其作用是进一步将输出的纹波电压降低，使输出电流更平滑。实测输出波形效果如图2-7b所示。输出整流滤波波形示意图输出整流滤波波形示意图 图2-7a 输出整流管两端的电压波形 图2-7b 滤波后输出的电压波形 4偏置绕组与RC补偿网络1 偏置绕组经D3和C4整流滤波，又经光耦U1输出，产生开关管TOP222需要的偏置电压。2RC补偿网络:电容C5作为一个旁路电容接在控制脚与源极脚之间，可滤除经控制脚加到内部MOSFER栅极的驱动充电电流尖峰，并且确定自动再启动频率，C5与R3共同

8、维持补偿控制回路的性能。偏置绕组与RC补偿网络波形示意图偏置绕组与RC补偿波形示意图 图2-10 偏置绕组与RC补偿 5输出电压取样电路 本电源输出直流电压为12V，采用TL431基准源作核心元件，用电阻取样的方式提取误差信号经TL431比较放大，通过控制光耦反响到TOP222的控制端到达稳定12V输出的目的。根据资料显示TL431基准电压为2.5V，输出电压12V经过R4、R5和R6分压后，送到TL431的控制比较输入端。当分压后得到的电压大于2.5V，TL431开通第三腿，给光耦P521第二脚一个低电平，光耦正偏开通，偏置电压电流流向TOP222的控制脚，使控制脚电压上升从而减小输出占空比

9、；输出电压下降。当分压后的电压小于2.5V，TL431关闭第三腿，光耦无偏压关闭，TOP222控制脚电压下降而增大输出占空比，输出电压上升。输出电压取样电路波形示意图 5输出取样电路波形 图2-8 输出电压波形6高频变压器绕制参数计算及绕制示意图高频变压器是开关电源的重要元件之一，其主要的作用是起到隔离和将高压DC转换成所需功率的DC电压输出，其参数的设计决定了整个电源的质量好坏，如设计不当，不但工作不正常，严重时会损坏开关管和其它元器件。故设计高频变压器时，必须满足以下条件：1变压器的原边与副边绕组的变比满足要求数值。2当输入电压最高，占空比最大时，磙芯应不饱和。3当输出功率最大时，变压器温

10、升在允许的范围内。4应满足所需功率的电感量。5应符合必要的平安规格。6.1 高频变压器绕制参数计算6.1 高频变压器绕制参数计算6.2 变压器绕制示意图开关电源样板图光耦是由一个感光二极管和一个二极管组成的。为了保证电源工作的平安性，由样板反面可以看到，光耦两端不能走线，其平安距离大约6mm。三、实际工作中遇到的问题及解决方法1 通电后开关管TOP222烧坏分析与处理开始通电时，并没有加散热片，检测后发现是因流过开关管TOP222电流过大，导致开关管TOP222温度过高，散热不及时，烧坏了开关管TOP222。2 输出级短路分析与处理换过开关管后，发现没有电流和电压输出，用万用表检查发现是输出级短路。刚开始疑心是焊接技术不过关，没有按照原理图焊接，焊锡碰到不应该碰到的元件造成短路，仔细的检查了几遍，并没有发现这个问题，后来发现是在安装散热片时，没有用一个绝缘体把复合二极管和散热片隔开，散热片直接接地，