开关电源的剖析与设计-学位论文

PAGE毕业综合实践课题名称：开关电源的剖析与设计作者：学号：系别：专业：指导老师：专业技术职务xx年xx月课题摘要开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET或者单片开关电源集成电路构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。本文介绍了根据目前市场常见的一种开关电源的性能特点，设计并制作一款与其相似的开关电源的全部设计及制作工艺流程。主要包括：电源电路的设计及器件选择（本文介绍的是由PowerIntegrations公司旗下的一款离线式开关IC——TinySwitch-Ⅲ系列组成的开关电源）、印制电路板的设计与制作、高频变压器的设计与制作（用软件设计的高频变压器参数和人工设计的高频变压器参数进行对比验证）以及电路的焊接和调试。由于采用了集成电路，电源的体积以及成本都得到了优化。关键词斩波电路高频变压器TinySwitch-Ⅲ开关IC脉宽调制目次1 引言 12 课题要求 23 开关电源基础原理及其类型 23.1 开关电源基础理论 23.1.1 开关电源基本工作原理 23.1.2 开关电源的组成 33.2 开关电源的类型 33.2.1 开关电源类型简介 33.2.2 单端正激式开关电源 53.2.3 单端反激式开关电源 53.2.4 正激式及反激式开关电源电路的方案设计 64 开关电源的电路设计 74.1 主电路设计 74.1.1 整流电路的设计 84.1.2 滤波电路的设计 84.2 控制电路的设计 104.2.1 输入欠压检测电路 104.2.2 输出反馈电路 104.3 保护电路的设计 114.3.1 偏置电路过压保护 114.3.2 漏极钳位保护电路 115 高频变压器的设计 135.1 高频变压器磁芯的选择 135.2 高频变压器导线的选择 145.2.1 漆包线的选择 145.2.2 三层绝缘线的选择 155.3 利用软件设计开关电源及高频变压器的实例 155.3.1 PIExpert9.0的主要特点 155.3.2 利用软件设计开关电源的实例 165.3.3 查阅并修改高频变压器参数的方法 235.4 设计高频变压器的基本公式 245.5 设计高频变压器的注意事项 266 开关电源的制作与测试 266.1 开关电源印制电路板（PBC）的设计 266.1.1 电路原理图的绘制 266.1.2 电路PCB图的绘制 286.1.3 多功能制版机制作PCB的流程 306.2 开关电源的测试 306.2.1 测试的主要名词解释 306.2.2 输出电压调整率的测试 316.2.3 负载调整率的测试 316.2.4 输出电压纹波参数测试 327 主要元器件的介绍 327.1 TinySwitch-Ⅲ系列开关IC介绍 327.1.1 引脚功能描述 327.1.2 TinySwitch-Ⅲ主要功能描述 337.1.3 TinySwitch-III部分工作原理 357.2 超快恢复整流二极管BYV28-200 357.3 光耦PC817A 36结论 38致谢 39参考文献 40附录A器件清单 41附录B开关电源原理图 42附录C开关电源PCB图 43PAGE1--引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET或者单片开关电源集成电路构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。课题要求在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%～-20%条件下，输出电压可调范围5V±10%最大输出电流为2A；电压调整率≤2%（输入电压220V变化范围+15%～-20%下，满载）；纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）；工作效率≥85%（输出电压5V、输入电压220V下，满载）；开关电源基础原理及其类型开关电源基础理论开关电源基本工作原理开关电源的核心电路就是直流斩波变换电路。顾名思义，DC/DC变换电路就是将直流斩波变换成固定的或者可调的直流电压。DC/DC变化电路除了广泛应用于开关电源外，还应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世界80年代兴起的电动汽车调速及控制等。最基本的直流斩波电路如REF_Ref447284780图31所示。当开关S闭合时，Uo=Ui，持续时间为Ton；当S断开时，Uo=0V，持续时间为Toff。则T=Ton+Toff为斩波的工作周期，斩波的放大后的理想工作波形就如REF_Ref447284780图31（b）所示。若定义斩波占空比k=Ton/T，则Uo=kUi。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11基本斩波电路及其波形除了上述斩波电路以外，还有其他常用的三种斩波电路，分别为：Buck（降压型）直流斩波变换电路；升压式直流斩波变换电路（Boost电路）；升降压式直流斩波电路。开关电源的组成开关电源的基本组成如REF_Ref447286754图32所示。其中DC-DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12开关电源的基本组成开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是功率主回路部分，完成能量的变换和传输，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容，但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。第二个模块是控制回路，控制回路比较复杂，早期由分立器件组成，随着大规模集成电路的发展，现在集成电路芯片逐步代替了分立器件，集成电路是电源产品体积小、可靠性高，给应用带来了极大方便。开关电源的简介开关电源的类型直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器有双管正激式（DoubleTransistorForwardConverter），双管反激式（DoubleTransistrFlybackConverter）、推挽式（Push-PullConverter）和半桥式（Half-BridgeConverter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-BridgeConverter）。非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（BuckBoost）DC/DC转换器、CukDC/DC转换器、ZetaDC/DC转换器和SEPICDC/DC转换器。在这六种单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-BridgeConverter）。各类型的开关电源特点如下。（1）反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。（2）正激式：电路拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中。（3）半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦至数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。（4）全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦至数千瓦的各种工业用开关电源中。（5）推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的生生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。下面就根据本课题，介绍与本课题相似的几款电路。单端正激式开关电源工作原理单端正激式开关电源的典型电路如REF_Ref447569374\h图33所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。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。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13单端正激式开关电源典型电路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，所以输出功率范围大，可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也比较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。单端反激式开关电源工作原理单端反激式开关电源的典型电路如REF_Ref447290317图34所示。电路中所谓的单端是指高频变压器的磁芯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，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。开关电源中的高频变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14单端反激式开关电源典型电路单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20~100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，仅适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管T1承受的最大反向电压是电路工作电压的两倍，工作频率在20~200KHZ。本次课题采用的是反激式开关电源的方案。开关电源的电路设计主电路设计开关电源的主电路包括整流电路，输入输出滤波电路，高频变压器，输出整流电路。其主电路的原理图如REF_Ref447627292\h图41所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11开关电源的电气原理图整流电路的设计电路中的桥式整流电路如REF_Ref447627995\h图42所示。在输入正弦波电压Uo的正半周，由D1,D4导通，负半周由D2,D3导通，如此交替导通，使得输出的电压为单向脉动性直流电。交流输入电压Uo经整流后的输出电压UL为：UL=0.9Uo。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12输入整流滤波电路输出端的整流电路由快速玻璃钝化二极管D7组成，如REF_Ref447628305\h图43所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s13输出整流滤波电路滤波电路的设计（1）EMI滤波电磁干扰滤波器（EMI）亦称电源噪声滤波器，它能有效的抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。因此，被广泛应用于开关电源、电子测量一起、计算机机房设备等领域。EMI滤波器是由电容器、电感等元件组成的，其优点是结构简单，成本低廉，便于应用推广。简易EMI滤波器采用单级（亦称单节）式结构；复杂EMI滤波器采用双级（亦称双节）式结构，内部包含两个单节式EMI滤波器，后者抑制电网噪声效果更好。EMI滤波器的基本电路如REF_Ref447630533\h图44所示。该5端器件有两个输入端，两个输出端及一个接地端。使用时外壳接通大地。电路中包括共模扼流圈L、滤波电容器C1~C4，L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，经过耦合后电感量迅速增大，因此对共模干扰产生很大的感抗，使之不易通过。它的两个线圈分别在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时，两个现券商产生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，见表。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，适当增加电感量可以改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容，容量范围大致是0.01~0.47uF，主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出两端，并将电容的中点接通大地，能有效的抑制共模干扰。C3和C4的容量范围为2200pF~0.1uF。为减小漏电流，电容容量不宜超过0.1uF。C1~C4的耐压值均为630VDC或250VAC。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s14EMI滤波器的电路表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11电感量范围与额定电流的关系额定电流I（A）136101215电感量范围L（MH）8~232~40.4~0.80.2~030.1~0.150.0~0.08（2）π型滤波π型滤波功能与EMI滤波相似，包括两个电容器和一个电感器，它的输入和输出都呈低阻抗。π型滤波基本电路如REF_Ref447627995\h图42和REF_Ref447628305\h图43所示，C1、C2、L1及C10、C11、L2分别构成一个π型滤波器。π型滤波有RC和LC两种：在输出电流不大的情况下用RC，R的取值不能太大，一般几个至几十欧姆,其优点是成本低。其缺点是电阻要消耗一些能量，效果不如LC电路。LC电路里有一个电感，根据输出电流大小和频率高低选择电感量的大小。控制电路的设计输入欠压检测电路输入欠压检测电路如REF_Ref447635375\h图45所示，R5一端连接输入电压整流后的正极，电流经R5流入EN/UV脚，根据流入该引脚的电流判断是否为欠压状态。在通电或自动重启动时功率MOSFET开关禁止期间，流入EN/UV引脚的电流必须超过25μA，以启动功率MOSFET。引脚详细功能见第七章。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s15输入欠压检测电路输出反馈电路输出反馈电路采用光耦反馈电路，使用光耦反馈成本低，安全可靠。光耦反馈电路如REF_Ref447643829\h图46所示。VR3、R6、R4、U2构成偏置电路。齐纳二极管VR3调节输出电压。当输出电压超过齐纳二极管与光耦LED正向电压降之和时，电流将流向光耦LED，从而下拉光耦中晶体管的电流。当此电流超出使能引脚阈值电流时，将抑制下一个开关周期。当下降的输出电压低于反馈阈值时，会使能一个开关周期。通过调节使能周期的数量，可对输出电压进行调节。随负载的减轻，使能周期也随之减少，从而降低有效的开关频率，根据负载情况减低开关损耗。因此能够在负载极轻时提供恒定的效率，易于满足能效标准的要求。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s16光耦反馈电路保护电路的设计偏置电路过压保护偏置电路过压保护如REF_Ref447645314\h图47所示。由变压器偏置绕组、D6、C6、R7、R3、VR2、R8构成偏置电压保护电路接至BP/M脚。当发生过压情况时，如偏置电压超过VR2与旁路/多功能(BP/M)引脚电压(28V+5.85V)之和时，电流开始流向BP/M引脚。当此电流超过ISD时，TinySwitch-III的内部锁存关断电路将被激活。断开交流输入后，当BP/M引脚电压下降到低于2.6V时,TinySwitch-III的内部锁存关断电路将重置。电阻R8将电流送入BP/M引脚，抑制了内部高电压电流源，通常此高压恒流源在内部MOSFET关断期间维持BP/M引脚的电容电压(C7)。此连接方式将265VAC输入时的空载功耗大幅降低。引脚的详细介绍见第七章。漏极钳位保护电路漏极钳位保护电路如所示。由VR1、R1、R2、C4、D5组成。其中VR1为齐纳二极管（稳压二极管），D5一般采用快恢复或超快恢复二极管。但有时也专门悬着反向恢复时间较长的玻璃钝化整流管（1N4005GP），其目的是使漏感能量能够得到恢复，以提高电源效率。但不能用普通硅整流二极管1N4005代替1N4005GP。各器件的参数及性能详情见第七章。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s17偏置过压保护电路图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s18漏极钳位保护电路高频变压器的设计高频变压器磁芯的选择磁芯材料分为软磁材料和硬磁材料2种。经过磁化后很容易退磁的磁性材料称为软磁材料，其矫顽力很小。硬磁材料（如磁钢、永磁合金）则不容易退磁。软磁铁氧体磁芯是磁性材料中重要的一大类。铁氧体磁芯的选择范围很广，可以依照不同磁性参数，来选择不同的材料和形状由于在高频率下的低磁损，它们广泛用于开关模式电源(SMPS)，射频(RF)变压器和电感器。各种形状和尺寸的铁氧体磁芯应用于高频电源和高质量通信市场的电感器，脉冲变压器，高频变压器，和噪音滤波器等。铁氧体的最大特点是高渗透性，良好的温度特性，和低衰减率。软磁铁氧体磁芯的品种繁多，形状各异，大致可做如下分类：按形状分类。主要有环形、柱形、工字形、帽形、单孔、双孔、四孔、U形、罐形、E形、EI形、EC形、RM形、PQ形、EP形，如REF_Ref447695720\h图51所示。按工作频率划分。有低频、中频、高频、甚高频磁芯。按材料划分。材料牌号如下：MXO——锰锌铁氧体；NXO——镍锌铁氧体；NQ——镍铅铁氧体；NGO——镍锌高频铁氧体；GTO——甚高频铁氧体。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s11软磁铁氧体磁芯外形开关电源的工作频率一般为几十千赫兹或几百千赫兹，软磁铁氧体磁芯典型产品性能见REF_Ref447701593\h表51，可选MXO-2000型材料。用他制成的E型磁芯如REF_Ref447701540\h图52所示。这种磁芯具有漏感小、磁耦合性能好、绕制方便等优点。国产E型磁芯部分产品的规格见附录，其中D为舌宽，C为磁芯厚度，SJ为磁芯有效截面积，有SJ=CD。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s11软磁铁氧体磁芯典型产品性能型号起始磁导率μ（H/m）居里温度Tc（℃）电阻率ρ（Ω*cm）磁饱和时的磁通密度Bs（mT）矫顽力F（A/m）工作频率f（MHZ）MXO-200020001501X10^2400240.5NXO-20204001X10^620079050NQ-1010400极高1802390300NGO-55350极高603180300GTO-1616200极高200500700图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s12E型磁芯的外形高频变压器的最大承受功率PM与磁芯截面积SJ（单位是CM^2）之间存在下述经验公式，其中，的单位取W。高频变压器导线的选择漆包线的选择漆包线是一种带绝缘层的金属导线，用于绕制变压器、电动机和发电机绕组。漆包线的表面有一层均匀的漆膜，光滑柔软，绝缘性能好，便于手工或自动化绕制，成本低廉。漆包线的线径均指裸导线。国内外漆包线规格请查国内外漆包线规格对照表。我国采用公制线规。AWG为美制线规，SWG为英制线规，其线号越大，导线越细。欧美国家常用“圆密耳”（circularmil）作导线横截面积单位，换算关系为1mm^2=1980圆密耳。尼龙/聚氨酯涂层是首选的漆包线绝缘层。这种涂层的有点是在接触到熔化的焊料时会蒸发掉，不需要预先剥离漆层。绝缘涂层应为高强度型或双绝缘层。三层绝缘线的选择三重绝缘线是一种高性能绝缘导线，这种导线有三个绝缘层，中间是芯线，第一层是呈金黄色的聚胺薄膜，其厚度为几个微米，却可承受3KV的脉冲高压，第二层为高绝缘性的喷漆涂层，第三层是透明的玻璃纤维层，绝缘层的总厚度仅为20-100um,其优点是绝缘强度高，任意两层之间均可承受交流3000V的安全电压，电流密度大。三层绝缘线标准结构如REF_Ref447703024\h图53所示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s13三层绝缘线的结构图三层绝缘线特别适合于绕制小型化、高效率开关电源中的高频变压器。由于省去了层间绝缘带，也不必家阻挡层，因此他要比用漆包线绕制传统变压器的体积减小1/2，而且质量大约减小2/3，可大大节省材料的加工费用。利用软件设计开关电源及高频变压器的实例PIExpert9.0的主要特点PIExpert是PI公司推出的一款用于单片开关电源的计算机辅助设计软件，也称为PIExpert专家系统，目前的版本是9.0。它能根据设计人员的要求，在输入了一系列技术指标以后，自动生成电路拓扑、设计结果、材料清单、PCB布局、变压器参数和结构等。在1-5分钟内，就可以完成一款单片开关电源的设计工作。目前支持的单片IC有以下六大类：TOPSwitch-GX、PeakSwitch、TinySwitch-II、TinySwitch-III、DPA-Switch、LinkSwitch-II。具有多路输出式开关电源的优化设计功能，最多支持六路输出（允许有一路负压输出），并可选择低成本优化设计和高效率优化设计。优化过程是首先生成多种设计方案，然后与PI公司编译专家设计的规范数据库进行比较，并给每种设计方案打分，最后以分值最高的作为最佳设计方案。新版软件现在增加了对其LinkSwitch™-PL和LinkSwitch-PHLED驱动器IC以及近期推出的TinySwitch™-4离线式开关IC产品系列的设计支持。V9.0还附带一款增强的电路原理图处理工具，借助这个工具，设计师可将自动生成的电路原理布局图所创建的最终BOM上传至选定、可满足设计需求的领先分销商。利用软件设计开关电源的实例利用PIExpert9.0专家系统的设计向导，设计一个由TinySwitch-Ⅲ系列构成的10W单路输出5V的开关电源设计步骤如下：（1）打开PIExpert9.0专家系统，单击文件，新建如图所示或者单机新建一个设计文件按钮，运行PIExpert9.0设计向导。首先弹出的设计选项面板如REF_Ref447718714\h图54所示。该面板有8个选项，每个选项都有下拉菜单。当产品系列选择TinySwitch时，默认的拓扑结构为反激式，开关频率为132kHZ且不可修改，系列选为TinySwitch-Ⅲ，封装选为PN（DIP8）无铅封装，外壳敞开式，反馈类型可选为次级稳压或者次级TL431，本次选择次级稳压反馈，偏置默认是禁用并且不可更改，只要点击旁边的切换按钮就可以进行设置，本次使用偏置。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s14设计面板选项（2）单击“下一个”，进入如REF_Ref447718944\h图55所示的输入面板。交流默认值为世界通用的交流输入范围“通用（85~265V）”。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s15输入面板（3）单击“下一个”，进入输出面板。根据自己的需要选择添加输出回路数量及是否为峰值负载。本次由于是设计单路输出，且不为峰值负载，只需点击添加一路为5V，2A的输出。如果需要更改输出电压容差可以自行改改。设置好的单路输出属性面板如REF_Ref447719604\h图56所示，输出面板如REF_Ref447719615\h图57所示图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s16单路输出属性面板图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s17输出面板（4）单击“下一个”，进入设计设置面板。输入新设计的文件名“5V2A开关电源”，进行优化元件集的全部记录，指定完成所有优化后屏幕将要显示的是示意图。选择使用屏蔽绕组，采用国际单位制（SI单位），并选择显示新的设计设置。设计好的设计面板如REF_Ref447720064\h图58所示。（5）单击“完成”，进入解决方案过滤器面板，如REF_Ref447720378\h图59所示。利用该面板可以设置最佳解决方案的数目，并指定输出匝数、磁芯尺寸的优化设置。（6）单击“确定”按钮，会显示出正在优化进度框如REF_Ref447722499\h图510所示，优化完成后即会显示出可能组合的方案供用户选择。方案面板如REF_Ref447722510\h图511所示，面板栏从左到右分别是方案、预设输出、实际输出、精度、次级匝数、堆栈配置、输出容差、磁芯型号、芯片型号、输出整流二极管型号、二极管额定电压、二极管额定电流、拟合估算。现选择默认的解决方案1（Solution1）。单击“打开”按钮，既可获得5V2A开关电源的示意图，如REF_Ref447722527\h图512所示。窗口提示为“设通过（优化已经完成）”或者“设计警告（优化已完成）”如REF_Ref447722527\h图512所示，如果警告为变压器骨架实际引脚不足，则是元件库中没有这个骨架，只要往库中添加对应骨架或实际中有符合设计的此类骨架设计便完成。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s18设计设置面板图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s19方案过滤器面板图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s110优化进度框图图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s111方案框图图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s112优化方案示意图（7）单击“设计结果”按钮，可看到全部的设计结果。如REF_Ref447723310\h图513所示，图中仅显示出设计结果的一部分参数。单击“电路板布局”可看到由PI公司提供的PCB布局的建议，如REF_Ref447723322\h图514所示。单击材料清单可看到示意图中的全部器件及变压器绕制所需要的材料，如REF_Ref447723332\h图515所示。上述图中均只显示部分内容。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s113设计结果图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s114电路布局建议图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s115材料清单（8）单击“变压器构”造按钮，得到高频变压器的设计结果（局部，包括电气特性原理图，绕制结构图，绕组说明）如REF_Ref447724064\h图516、REF_Ref447724065\h图517、REF_Ref447724066\h图518所示。注意事项：一旦提示“设计失败（无优化）”就必须重新设计。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s116电气特性原理图图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s117绕制结构图图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s118绕组说明查阅并修改高频变压器参数的方法查阅及修改高频变压器参数可从标题栏视图中调出设计树视图，如REF_Ref447724826\h图519所示。在设计树视图中找到高频变压器参数对应的位置，双击进入就可以对对应的参数进行查看和修改修改。注意修改后如果显示“设计失败（无优化）”，则必须进行优化，自动优化或者修改其他参数达到要求。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s119设计树视图设计高频变压器的基本公式1.计算一次绕组的电感量在每个开关周期内，由一次绕组传输给二次绕组的磁场能量变化范围是。一次绕组的电感量由下式确定其中的单位为μH；为开关电源的输出功率；为一次侧峰值电流；为一次侧有效值电流；为一次侧脉动电流与峰值电流的比例系数；f为开关电源的频率；Z为损耗分配系数，代表二次侧损耗与总功耗的比值；η为电源效率。2.计算二次绕组的匝数对于交流230V或85~265V宽度范围输入应取0.6匝/V。考虑到肖特基整流二极管（或其他整流二极管压降自取）上的正向导通压降=0.4V（近似值），因此计算二次绕组匝数的公式为：3.计算一次绕组的匝数4.计算偏置绕组的匝数计算偏置绕组的匝数的公式为：5.计算有效骨架宽度根据一次绕组层数d、骨架宽度b和安全边距M，利用下式计算有效骨架宽度再利用下式计算一次绕组导线的外径（带绝缘层）6.验证一次绕组导线的电流密度一次绕组导线的电流密度J应在4~10A/mm²的允许范围内，计算电流密度的公式为:若J偏大，则应选较粗的导线和较大尺寸的磁芯和骨架；若J偏小，宜选较细的导线和较小尺寸的磁芯和骨架。7.计算磁芯中的最大磁通密度下式中为一次侧峰值电流，为一次侧初级电感量，为一次侧匝数，为磁芯截面积。8.计算磁芯的气隙宽度δ其中δ的单位是mm；为磁芯不留间隙时的等效电感。要求δ≥0.051mm。若小于此值，则需增大磁芯尺寸或者增加。9.计算留有气隙时磁芯的等效电感计算留有气隙时磁芯的等效电感的公式为：10.计算二次侧峰值电流二次侧峰值电流取决与一次侧峰值电流、一次绕组与二次绕组的匝数比n，公式为：11.计算二次侧有效值电流计算二次侧有效值电流的公式为：12.计算输出滤波电容上的纹波电流计算输出滤波电容上的纹波电流的公式为：式中Io为额定输出电流。计算二次绕组的裸导线直径公式为：当＞0.4mm时，应采用φ0.40mm的两股导线并绕NS匝。13.计算输出整流管、偏置电路整流管的最高反向峰值电压设输出整流管、偏置电路整流管的最高反向峰值电压分别为、，有公式设计高频变压器的注意事项尽量不要使用线径大于φ0.56mm的漆包线。尽量不要使用线径小于φ0.13mm的漆包线。尽量不要在高频变压器相邻层上使用规格相差很大的绕线。如果绕组层数不是整数值或绕线未占满一层，最好将该层绕线展开，使其在整个绕线宽度上均匀分布。开关电源的制作与测试开关电源印制电路板（PBC）的设计本次设计的电路原理图以及PCB均在AltiumDesignerSummer09（AD09）中完成。电路原理图的绘制打开AD09，点击文件，新建，工程新建，PCB工程选项新建PCB工程文档。再右键工程文档给工程添加新的原理图。打开原理图，对应电路图在原理图中放置所需元件，元件可在调出的元件库中双击添加放置或者按快指令PP添加放置如REF_Ref447805845\h图61所示。按旁边的按钮可选择不同的元件库。放置好的元件可以立即命名或者等电路画好后系统自动命名。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s11元件放置端口如遇到元件库中没有的元件，则需自己在工程中新建一个原理图库，绘制该元件，绘制的元件只需引脚数及编号和实际一致。建好的原理图库如REF_Ref447782482\h图62所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s12原理图库元件全部放置好后，要进行电气走线，根据电路图连接各个元件的引脚。可按快捷指令PW进行走线。走线完成并且各元件都有标号(命名），原理图就绘制完成。绘制好的原理图如REF_Ref447783143\h图63所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s13原理图电路PCB图的绘制PCB图的绘制是制作PCB电路板的关键。在生成PCB之前要先确定好个元件的封装是否与实际的一致。如果不一致，则需去原理图对应的元件出更改封装如图所示。若封装库中没有对应的封装，则需自己新建封装库进行绘制。PCB库如REF_Ref447783426\h图64所示。要根据自己所选的器件来确定是直插式的封装还是表贴式的封装，以及确定好个引脚的实际尺寸和外壳尺寸。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s14PCB库界面封装确定好后，点击设计-UpdatePCB把原理图转换成PCB。生成好的PCB如图所示。之后就是进行PCB板的布局，布局的布线的关键，良好的布局可以降低布线难度，以及电路板的稳定性和抗干扰能力。布局好后接着就是布线，布线前最好先把各个网络分类，点击设计-类就可以添加分类。分类好后，再进行PCB规则的设计。点击设计，选择规则，进入规则面板，如图所示。对各类网络进行走线宽度规则设计以及安全距离的规则设计。最后进行布线，走线完成的PCB板如图所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s15PCB生成界面图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s16PCB规则面板图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s17PCB电路图多功能制版机制作PCB的流程根据外壳大小裁剪感光电路板的尺寸在AD09中进行打印设置（按1：1打印，只需打印出TopLayer）设置好后打印在菲林纸上。将打印好的菲林纸盖在感光板上，放入多功能制板机的曝光箱。将曝光箱面板盖紧，观察是否漏气，按抽真空泵按钮使感光板贴紧曝光箱上下盖。关上曝光箱并按运行按钮运行机器，待曝光结束后进行显影、腐蚀及钻孔步骤。开关电源的测试测试的主要名词解释1.电压调整率电压调整率（）亦称线性调整率（或线路调整率），一般用百分数表示，但也有的用mV表示。它表示当输入电压在规定范围内变化时，输出电压的变化率。测量电压调整率的方法是给开关电源接上额定负载，首先测出在标称输入电压时的输出电压值Uo，然后连续调节输入电压，使之从规定的最小值一直变化到最大值，记下输出电压与标称值的最大偏差ΔUo（可取绝对值），最后带入下式计算电压调整率。2.负载调整率负载调整率（）亦称电流调整率，一般用百分号表示，也有用mV表示。它是衡量开关电源在负载电流发生变化时，使输出电压保持恒定的一种能力。测量负载调整率的方法是将输入电压调至标称值，分别测出开关电源在满载与空载时的输出电压值U1、U2，再带入下式计算负载调整率。3.输出电压精度输出电压精度亦称准确度，它主要受开关电源的电压调整率、负载调整率、内部基准电压的温度漂移量（温漂）、误差放大器的温漂、取样电阻的精度及温度系数的影响。输出电压调整率的测试测量电压调整率的方法是开关电源接输入接上交流调压器，输出接上额定负载。首先测出在标称输入电压时的输出电压值Uo，然后连续调节输入电压，使之从规定的最小值一直变化到最大值，记下输出电压与标称值的最大偏差ΔUo。实际测试接线图如REF_Ref447789641\h图68所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s18开关电源测试实际接线图测得UO为5.41V，ΔUO为0.03V，带人公式计算的电压调整率为0.55%负载调整率的测试测试负载调整率的电路和测试电压调整率的电路相同，只需把输出换上大负载，使其满载。测的接近满载是输出的电压为5.31V，空载时输出的电压为5.41V，得出负载调整率约为1.85%。输出电压纹波参数测试由于所测量的纹波中含有的高频分量，所以必须使用特殊的测量技术，才能获得正确的测量结果。为了测出纹波尖峰中的所有高频谐波，一般要用20MHz带宽的示波器。其次在进行纹波测量时，必须非常注意，防止将错误信号引入测试设备中。测量时必须去掉探头地线夹，因为在一个高频辐射场中，地线夹会像一个天线一样接受噪音，干扰测量结果。用带有接地环的探头，采用靠测法来消除干扰。主要元器件的介绍TinySwitch-Ⅲ系列开关IC介绍TinySwitch-III集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、电流限流(用户可选)及热关断电路。IC产品系列采用开/关控制方式，提供一个灵活的设计方案，并且实现更低的系统成本及更大的输出功率范围。引脚功能描述TinySwitch-III系列芯片引脚图如REF_Ref447800994\h图71所示。图STYLEREF1\s7SEQ图\*ARABIC\s11开关芯片引脚图1.漏极（D）引脚：功率MOSFET的漏极连接点。在开启及稳态工作时提供内部操作电流。2.旁路/多功能(BP/M)引脚:这一引脚的多项功能如下。一个外部旁路电容连接到这个引脚，用于生成内部5.85V的供电电源。作为外部限流点设定，根据所使用电容的数值选择电流限流值。使用数值为0.1μF的电容会工作在标准的电流限流值上。对于TNY275-280，使用数值为1μF的电容会将电流限流值降低到相邻更小型号的标准电流限流值。使用数值为10μF的电容会将电流限流值增加到相邻更大型号的标准电流限流值。它还提供了关断功能。在输入掉电时，当流入旁路引脚的电流超过ISD时关断器件，直到BP/M电压下降到4.9V之下。还可将一个稳压管从BP/M引脚连接到偏置绕组供电端实现输出过压保护。3.使能/欠压(EN/UV)引脚：此引脚具备两项功能：输入使能信号和输入线电压欠压检测。在正常工作时，通过此引脚可以控制功率MOSFET的开关。当从此引脚拉出的电流大于某个阈值电流时，MOSFET将被关断。当此引脚拉出的电流小于某个阈值电流时，MOSFET将被重新开启。对阈值电流的调制可以防止群脉冲现象的发生。阈值电流值在75μA到115μA之间。在EN/UV引脚和DC电压间连接一个外部电阻可以用来检测输入电压的欠压情况。如果没有外部电阻连接到此引脚，TinySwitch-III可检测出这一情况并禁止输入电压欠压保护功能。4.源极(S)引脚：内部连接到MOSFET的源极，用于高压功率的返回节点及控制电路的参考点。TinySwitch-Ⅲ主要功能描述TinySwitch-III在一个器件上集成了一个高压功率MOSFET开关及一个电源控制器。与通常的PWM(脉宽调制)控制器不同，它使用简单的开/关控制方式来稳定输出电压。这个控制器包括了一个振荡器、使能电路（感测及逻辑）、流限状态调节器、5.85V稳压器、旁路/多功能引脚欠压及过压电路、电流限流选择电路、过热保护、电流限流电路，前沿消隐电路及一个700V的功率MOSFET管。此外，TinySwitch-III还增加了欠压检测、自动重启动、自动调整的开关周期导通时间延长及频率抖动功能。REF_Ref447801244\h图72显示了具备以上重要特性的功能结构图。1.振荡器典型的振荡器平均频率设置在132kHz的水平。振荡器可生成两个信号：最大占空比信号(DCMAX)及显示每个周期开始的时钟信号。振荡器电路可导入少量的频率抖动，通常为8kHz峰峰值用来降低EMI。频率抖动的调制速率设置在1kHz的水平，目的是降低平均及准峰值的EMI，并给予优化。测量频率抖动时应把示波器触发设定在漏极电压波形的下降沿来测量。2.输入使能和流限状态调节器EN/UV引脚的输入使能电路包括了一个输出设置在1.2V的低阻抗源极跟随器。流经此源极跟随器的电流被限定为115μA。当流出此引脚的电流超过了阈值电流，在此使能电路的输出端会产生一个低逻辑电平（禁止），直到流出此引脚的电流低于阈值电流。在每个周期起始时,对应时钟信号的上升沿对这一使能电路输出进行采样。如果高，功率MOSFET会在那个周期导通（启用），否则功率MOSFET将仍处于关闭状态（禁止）。由于取样仅在每个周期的开始时进行，此周期中随后产生的EN/UV引脚电压或电流的变化对MOSFET状态都不构成影响。在轻载状态下，当TinySwitch-III开关频率有可能进入音频范围内时，流限状态调节器以非连续方式降低流限。较低的电流限流值使开关频率保持在音频范围之上，降低变压器的磁通密度从而减轻了音频噪音。状态调节器监测使能的开关序列以确定负载情况，并以非连续方式相应地调节流限。在大多数工作条件下（除接近空载时），在开关周期被禁止时低阻抗源极跟随器会保持EN/UV引脚不会过多低于1.2V，这改善了连接到此引脚的光耦器的