（微电子学与固体电子学专业论文）小功率单片开关电源的理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展，高度集成、功能强大的 单片升关电源代表着当今开关电源发展的主流方向。本论文围绕当前流行的单 片开关电源芯片进行了小功率开关电源的研究。从理论和实验两方面较为深入 地研究了单片集成开关稳压电源的特性，设计出一种实用的双路输出精密复合 式开关稳压电源，可用作半导体激光器驱动电源中的精密电压源。该电源采用 三端单片开关电源芯片t o p s w i t c h i i 器件作为前级稳压器，给低压差线性 稳压器l t l 5 2 8 提供直流输入电压，然后利用低压差线性稳压器l t l 5 2 8 获得 高质量的稳压输出。对该电源的滤波、整流、反馈、软启动及保护电路等分别 作了细致的研究工作，并通过反复试验取得了高频变压器设计的宝贵经验，掌 握了单片开关电源设计的核心技术。就如何抑制开关电源输出电压纹波较大， 提出了一些较为行之有效的方案和措施，并进行了相关实验。根据t o p s w i t c h i r 器件的特殊要求，进行了印制电路板的设计，得出了该电源p c b 布线的指 导思想，这对于开关电源的研究设计是十分重要的。在三端单片开关电源理论 与实验的基础上，采用五端单片开关电源芯片t o p s w i t c h f x 作为核心器 件进行了单片开关电源智能化的初步研究，提出一种智能化多路输出开关稳压 电源的设计方案。该电源主要利用t o p s w i t c h f x ：匿片的多功能端m 实现电 源的智能化控制，具有对运行的开关电路进行监测、显示电源状态和全程控制 的功能，并能进行故障自诊断、对电源实现自动保护。论文从该智能化多路输 出开关稳压电源主电路的设计，高频变压器的设计，单片机控制系统的软硬件 设计等几个方面作了较为详细的论述。 关键词单片开关电源；脉宽调制；高频变压器；纹波；智能化 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi n t e g r a t e dc i r c u i ti st h el a t e s te v o l v e di nt h e w o r l d i th a st h ev i r t u e so fh i 。g h i n t e g r a t i o n l e v e l ，m o s tc o s t e f f e c t i v el o w e s t c o m p o n e n t c o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e ，f o r m i n gh i g he f f i c i e n c yp o w e r s u p p l ya n ds oo n i th a sw i d e l ya p p l i c a t i o no v e rt h ew o r l d t h e l a t e s t s i n g l e c h i p s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yd e v i c e so f p o w e ri n t e g r a t i o na r ei n v e s t i g a t e dp a r t i c u l a r l yi n t h et h e s i s t h ep a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： i n t r o d u c et h eh i s t o r ya n dt h ed e v e l o pt r e n do ft h es i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e r s u p p l y , a n d t h ec l a s s i f yo f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，a n di t sw o r kp r i n c i p l e i n t r o d u c et h ep r o d u c t so fs i n g l e - c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a n a l y s et h ew o r k p r i n c i p l eo fs i n g l e - c h i ps w i t c h i n g 。p o w e rs u p p l y e s p e c i a l l y ，i n t r o d u c e t h ei n s i d ef a b r i c a n d 。c h a r a c t e r i s t i co ft o p s w i t c h - i ia n dt o p s w i t c h - f x h a v i n go v e r c o m e t h ed i s a d v a n t a g e so f p o n d e r o u s ，i n e f f i c i e n tl i n e a rp o w e rs o u r c e ， s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e sa r ew i d e l ya p p l i e di nm a n y f i e l d s b u tt h er i p p l ea n dl o w p r e c i s i o n m a k ei t i m p o s s i b l e t o r e p l a c e l i n e a r p o w e r s o u r c e c o m p l e t e l y t h e c o m b i n a t i o ns w i t c h i n g ，p o w e rs u p p l yw i t hd o u b l eo u t p u t si sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h i sp o w e rs u p p l yh a sn o to n l y t h ea d v a n t a g eo ft h eg e n e r a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y b u ta l s ot h eh i g hp e r f e c ts t a b i l i t yi nv o l t a g e i tc a nh ea p p l i e dt ot h ep o w e rs u p p l yo f d i o d el a s t e r t h ed e s i g no fh i 出f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ri sak e yt e c h n i q u eo ft h e s i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h ea p p l i c a t i o n o fa n a p t t r a n s f o r m e rc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o f p o w e rs u p p l ya n d i so n eo f t h ed i r e c t i o n so f p r e c i s es o u r g e a c c o r d i n g t ot h es p e c i a ld e m a n d so f t o p s w i t c h - 1 1 。d e v i c e ，t h ed e v i c e sa r ea r r a n g e da n d r o u t e dp r o p e r l yi nt h ep c b b o a r d ， a m u l t i o u t p u ts w i t c h i n g p o w e rs u p p l yc o n t r o l l e db y t h es i n g l e c h i pc o m p u t e ri s a l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r w h i c hi sa i lg o o dc i r c u i tt oi l l u s t r a t et h em a i nt e c h n i q u e s o f d i g i t a l c o n t r o l l e d i n t e l l i g e n t s o u r c em o d u l e t h ep o w e rs u p p l y u t i l i z et h e m u l t i f u n c t i o nf o o 卜 以o ft o p s 蝴t c b - f xd e v i c ea n dt h es i n g l e - c h i pc o m p u t e r a t 8 9 c 51t or e a l i z et h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo f t h em u l t i o u t p u tp o w e rs u p p l y k e yw o r d s ：s i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；p w m ；h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ； r i p p l e ；i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另l 加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而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 签名：数日期：垫丝篁：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢箍熊导师潞i 型日期 以，孑一 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展，高度集成、功能强大的单片开 关电源代表着当今开关电源发展的主流方向。本论文围绕美国p o w e r n t e g r a t i o n 公司 最新生产的单片开关电源芯片进行了小功率开关电源的研究。全文内容安排如下： 第一章简要介绍了单片开关电源的发展历史、发展趋势，以及开关电源电路 的基本分类及基本工作原理。 第二章介绍了单片开关电源的产品类型，分析了单片开关电源的工作原理。 着重介绍了三端单片开关电源的典型芯片t o p s 谢t c h i i 和五端单片开关电 源的典型芯片呷o p s w i t c h f x 的内部结构和性能特点。 第三章从理论和实验两方面较为深入地研究了单片集成开关稳压电源的特 性，设计出一种实用的双路输出精密复合式开关稳压电源。分别对该电源的整流、 滤波、反馈、软启动及保护电路等作了细致的研究工作，论述了在实验中取得的 高频变压器设计的宝贵经验，介绍了当前国际上先进的利用p i e x p e r t 软件设计单 片开关电源的方法，就如何抑制开关电源输出电压纹波较大，提出了一些较为行 之有效的方案和措施，最后根据t o p s w i t c h i i 器件的特殊要求，进行了印制电 路板的设计。 第四章采用五端单片开关电源芯片t o p s w i t e h - f x 作为核心器件进行了单片 开关电源智能化的初步研究，设计出一种智能化多路输出开关稳压电源。分别从 该智能化多路输出开关稳压电源主电路的设计，高频变压器的设计，单片机控制 系统的软硬件设计等几个方面作了较为详细的论述。 1 2 单片开关电源的发展历史 电源是各种电子设备不可缺少的重要组成部分，其性能优劣直接关系到电子设 备的技术指标及安全性能。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。 线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其优点是稳压性能好，输出纹波电 压很小。而其不足之处在于必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，致使电 源的体积和重量较大，并且调整管的功耗较大，效率低。开关电源s p s ( s w i t c h i n g p o w e rs u p p l y ) 被誉为高效节能电源，它代表着当今稳压电源的发展方向，现已成 为稳压电源的主导产品“3 。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很 小的高频变压器来实现电压变化及电网隔离的。开关电源内部核心器件工作在高 北京工业大学工学硕士学位论文 频开关状态，它所消耗的能量很低，电源效率可达8 0 9 0 ，因此，开关电源 的效率较线性稳压电源提高近一倍。 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， 仅用于卫星电源等少数领域。2 0 世纪6 0 年代出现过晶闸管相位控制式开关电源， 7 0 年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不高、开关频率低、电路复 杂、调试困难等原因使之难以推广应用。自7 0 年代后期以来，随着集成电路设 计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，才使开关电源获得新生。 目前开关频率已从2 0 k h z 左右提高到几百千赫兹至几兆赫兹。与此同时，新型 电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应 用到开关电源，使开关电源具备了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、 可靠性高等特点，从而使当今的开关电源得到了极为迅猛的发展。 单片开关电源芯片的集成度很高，外围电路简单，通过输入整流滤波器， 适配8 5 2 6 5 v 、4 7 4 4 0 h z 的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源 模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而电源效率显著 提高，体积和蘑量大为减小。单片开关电源自问世以来，便显示出强大的生命力， 并以其优良特性迅速发展与应用。目前，它己成为开发国际通用的高效率中、小 功率开关电源的优选i c ，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。 近2 0 多年来，集成开关电源的发展方向有两个。”3 。第一个方向是对开关电源 的核心单元控制电路实现集成化。1 9 7 7 年国外首先研制成脉宽调制( p w m ) 控制器集成电路，美国m o t o r o l a 公司、s i l i c o n g e n e r a l 公司、u n i t r o d e 公司等相继推出 一批p w m 芯片，其典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 和u c 3 8 4 2 。9 0 年代以来，国外又 研制出开关频率达1 m h z 的高速p w m 、p f m ( 脉冲频率调制) 芯片，典型产品如 u c l 8 2 5 、u c l 8 6 4 。 第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。单片开关电源集 成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标，能构成各种中 小功率高效开关电源。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。 1 9 9 4 年，美国电源集成公司( p o w e ri n t e g r a t i o n s ，简称p i ) 在世界上率先研制成 功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，它属于a c d c 电源变换器，其第一代 产品为1 9 9 4 年问世的t o p s w i t c h 系列：第二代产品是1 9 9 7 年问世的t o p s w i t c h - - i i 系列；第三代和第四代产品是在2 0 0 0 , - 2 0 0 2 年先后推出的t o p s 州t c t r f x 、 t o p s w i t c h - - g x 系列单片开关电源，这种电源最大输出功率可达2 9 0 w 。荷兰飞 利浦( p h i l i p s ) 公司于2 0 0 0 年研制成功t e a l 5 1 0 、t e a l 5 2 0 系列单片开关电源， 其中t e a l 5 2 4 的最大输出功率为5 0 w 。该公司还开发出t e a l 5 0 l 、t e a l 5 0 4 、 第1 章绪论 t e a l 5 6 2 、t e a l 5 6 3 、t e a l 5 6 4 、t e a l 5 6 5 、t e a l 5 6 6 和t e a l 5 6 9 等型号的单片 开关电源，最大输出功率可达1 2 5 w 。美国安森美半导体公司( o n s e m i ) 在1 9 9 8 2 0 0 1 年期间，也相继开发出n c p l 0 0 0 、n c p l 0 5 0 系列单片开关电源，最大输出 功率为4 0 w ，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器 和消费类电子产品的备用电源。 1 3 单片开关电源的发展趋势和新技术 单片开关电源自2 0 世纪9 0 年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为 一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开 关电源具有高集成度、高性价比、最筒外围电路、最佳性能指标等特点，现己成 为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。目 前，单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展，涌现出许多单 片开关电源的新技术和新产品“”。 1 “绿色节能”型单片开关电源 目前，国外许多著名的i c 厂家都在大力开发低功耗、节能型单片开关电源集 成电路。荷兰p h i l i p s 公司于2 0 0 0 年推出的t e a l 5 2 0 系列即是一例。该公司还研制成 功t e a l 5 1 0 系列以及t e a l 5 0 1 、t e a l 5 0 4 、t e a l 5 6 6 等型号的新产品。由于上述 产品采用了先进的节能技术和制作工艺，因此被誉为“绿色芯片”( g r e e n c h i p ， 并统称为“s t a r p l u g ”产品。其“绿色节能”特性突出表现在以下几个方面： 在空载时的待机功耗极低，小于1 0 0 m w ；内部设计了一个“谷值开关”( v a l l e y s w i t c h i n g ) 电路，能把功率开关管导通时由漏极分布电容c d 产生的开关损耗降 至最低。由c d 和一次绕组电感b 构成的l c 谐振电路会形成振铃电压( r i n g i n g v o l t a g e ) 。谷值开关信号与漏极电压、振铃电压的波形如图1 1 所示；在低功耗输 出时能自动降低开关频率，使芯片工作在低频模式状态下，从而减小芯片功耗。 2 频率抖动技术 所谓频率抖动特性是指把开关频率调制在很窄频段内，以降低与基本开关频 率的各次谐波相关的电磁干扰的幅度。美国p i 公司于2 0 0 1 年推出的t i n y s w i t c h - - i i 系列第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，适合制作2 3 w 以下的低 成本微型化开关电源。该芯片采用了“频率抖动”( f r e q u e n c yj i t t e r i n g ) 技术， 以降低由开关频率高次谐波所造成的电磁干扰。利用频率抖动信号能够降低传导 噪声，显著减小噪声干扰，并且噪声谐波次数愈商，抑制作用愈明显。频率抖动 的波形如图1 2 所示，它将开关频率限制在很窄的波段内抖动。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 0 蠼 h f 玎t 旷丫寸 氧矗 k f h o 。、w 。j 警 图1 1 谷值开关信号与漏极电压、振铃电压的波形图1 ，2 频率抖动的波形 3 跳过周期 美国p i 公司于2 0 0 0 年研制的t o p s w i t c h f x 系列五端单片开关电源集成电 路采用了“跳过周期”的新技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于在开关电 源占空比最小( d 。= 1 5 ) 时所提供的输出功率仍然超过负载上的功耗，为了 提高轻载时电压的稳定性，t o p s w i t c h f x 就采用跳过周期的工作方式来进一步 降低最大输出占空比，使得k 。 1 5 ，从而降低空载或待机状态下的功耗。采 用跳过周期模式不仅能获得极低的输出功率，还能减小噪声电压。跳过周期前后 的噪声电压幅度变化情况如图1 3 所示。 噪 声 蝠 鏖 卜一跳过周期叫 时阅 图1 3 跳过周期前后噪声电压幅度的变化情况 4 退磁电路 p h i l i p s 公司的t e a l 5 2 0 型单片开关电源具有独特的退磁保护电路。如图1 4 所 示：n s 代表高频变压器的反馈绕组。r 一删为辅助电阻，它能配合电路起到退磁作 用。由v d 、v d 2 组成双向限幅二极管，起过压保护作用。对反激式开关电源而 言，当m o s f e t 关断时，反馈绕组的同名端呈正电压，电流通过心删流a a u x 端，再流到比较器的同相输入端，只要同相端电压高于l o o m v ，就不会启动一个 新的振荡周期。利用退磁电路可以检测高频变压器上的剩磁，仅当剩磁接近于零 时，才允许进入下一个振荡周期。这样即可避免出现磁饱和现象。 图1 4 退磁电路 5 智能化数字化技术 高性能的微处理器m c u ( m i c r oc o m p u t e ru n i t ) 及数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 控制器的出现，使开关电源的全数字控制成为现实。 数字控制的功率因数校正电源( p f c ) 、不问断电源( u p s ) 、有源滤波器( a p f ) 己研究成功。目前国内也己经有了不少数字化控制电源的研究成果，如通讯电源、 电站直流操作电源、u p s 电源的电池充放电管理等。 1 4 开关电源的工作原理和电路基本分类 1 4 1 开关稳压电源的基本工作原理 开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种“1 。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型。调宽式开关稳压电源的控制原理如图 1 5 所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压踟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l ，d 可由式( 1 2 1 ) 计算： 北京工业大学工学硕士学位论文 u ：缒堕 ( 1 2 。1 ) 式中砜一矩形脉冲最大电压值；z 一矩形脉冲周期；乃一矩形脉冲宽度。 当与丁不变时，直流平均电压u d 将与脉冲宽度乃成正比。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。 u u 。 u o 0 图1 5 脉宽调制式开关电源控制原理图 开关稳压电源的电路原理框图如图i 6 所示。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。这部分电路目前已集成化，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问比 例，以达到稳定输出电压的目的。 图1 6 开关电源电路框图 1 4 2 开关电源电路的基本分类 开关稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。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。 1 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1 7 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”1 。所谓的反激，是指当开关管v t 。导通 时，高频变压器，初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管v 1 1 ) ，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 v t 。截止时，变压器r 副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过 | v d j 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 2 0 1 0 0 w 。它也有其一定的缺点，如开关管截止期问所受反向电压较高，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v t 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 2 0 2 0 0 k h z 之间。 2 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图1 8 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v t l 导通时，v d 2 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v t l 截止时，电感上通过续 流二极管加3 继续向负载释放能量。 在电路中还设有钳位线圈与二极管v d 2 ，它可以将开关管v t 的最高电压限 北京工业大学工学硕士学位论文 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问应相等， 所以电路中脉冲的占空比不能大于5 0 。 由于这种电路在开关管v t i 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5 0 2 0 0 w 的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较 大，因此这种电路的实际应用较少。 图1 7 单端反激式开关电源图1 8 单端正激式开关电源 3 自激式开关稳压电源 白激式开关稳压电源的典型电路如图1 9 所示。当接入电源后在r ，给开关管 v t l 提供启动电流，使v t i 开始导通，其集电极电流尼在三，中线性增长，在上口 中感应出使v t 】基极为正，发射极为负的正反馈电压，使v t i 很快饱和。与此 同时，感应电压给。充电，随着白充电电压的增高，v t l 基极电位逐渐变低， 致使v t ，退出饱和区，如开始减小，在厶中感应出使v t j 基极为负、发射极为 正的电压，使vt l 迅速截止，这时二极管v d i 导通，高频变压器丁初级绕组中 的储能释放给负载。在v t l 截止时，如中没有感应电压，直流供电输人电压又 经扁给。反向充电，逐渐提高v t l 基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱 和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关j 电源那样，由变压 器丁的次级绕组向负载输出所需要的电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电 路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互 隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 ： 4 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图1 1 0 所示。它属于双端式变换电路，高频变 压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管v t l 和v t 2 ，两个开关 管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器t 次级绕组得到方波 电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两 倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在1 0 0 。5 0 0 w 范围内。 p i 轴lt k 专 甲 1 ， l 国 o l _ - = * j 图1 9 自激式开关电源图11 0 推挽式开关电源 5 降压式开关电源 降压式开关电源的典型电路如图1 1 1 所示。当开关管v t l 导通时，二极管 v d j 截止，输入的整流电压经v t l 和三向c 充电，这一电流使电感三中的储能 增加。当开关管v t ，截止时，电感工感应出左负右正的电压，经负载盹和续流 二极管v d ，释放电感工中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流 电压的高低由加在v t l 基极上的脉冲宽度确定。 卜 百 i 瓜i 图11 1 降压式开关电源 阮 魄 图1 1 2 升压式开关电源 一 王毋 北京工业大学工学硕士学位论文 6 升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图1 1 2 所示。当开关管v t j 导通时，电感三 储存能量。当开关管v h 截止时，电感上感应出左负右正的电压，该电压叠加 在输人电压上，经二极管v d i 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压 式开关电源。 图11 3 反转式开关电源 7 反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图1 1 3 所示。这种电路又称为升降压式开关电 源。无论订：关管v t l 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均 能正常工作。当开关管v t l 导通时，电感上储存能量，二极管v d ，截止，负载 见靠电容c 上次的充电电荷供电。当开关管v t i 截止时，电感上中的电流继续 流通，并感应出上负下正的电压，经二极管v d t 向负载供电，同时给电容c 充 电。降匝式、升压式、反转式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有 绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。 1 5 本论文的内容及研究意义 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。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的 单片开关电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的单片 集成开关电源芯片进行了小功率开关电源特性的研究。主要工作内容如下： 1 设计了一种双路输出精密复合式开关稳压电源。该电源采用t o p s w i t c h - i i 器件作为前级稳压器，以最大程度提高电源电源效率，考虑到开关电源具有较大 的纹波，为此，巧妙地在后级采用低压差线性稳压器l t l 5 2 8 来获得高质量的稳压 输出。因此能够弥补开关电源输出纹波较大和线性电源体积大、功耗大的不足。 该电源可用作半导体激光器驱动电源中的精密电压源，对本室的科研工作有积 - 1 0 - 极的现实意义。 2 通过反复试验得出了单片开关电源高频变压器的设计方法，取得了高频 变压器设计的宝贵经验；依照t o p s w i t c h i i 器件的特殊要求，进行了印制电路 板的设计，提出了该电源p c b 布线的主导设计思想。 3 半导体激光器在工作过程中易受电压、电流或静电荷浪涌的冲击而造成 损坏，因此新型半导体激光器的电源除了具有一定的电压稳定输出，还应针对 l d 激光器的安全工作的特殊要求，在电源电路中设计一系列的保护措施。故在 设计该电源时，特别精心设计了软启动电路和保护电路，就如何抑制开关电源输 出电压纹波，提出了一些方案和措施，并进行了实验，这对开关电源的研究设计 有一定的借鉴作用。 4 进行了单片开关电源智能化的尝试，提出了具体的设计方案。采用五端 单片开关电源芯片t o p s w i t c h f x 作为核心器件设计出一种智能化多路输出开关 稳压电源，利用其多功能端实现单片机对电源的控制。并在电源的后端配数字控 制显示电路，对运行的开关电源进行监测、自动显示电源状态。还可以在发生故 障时报警、对电源实现自动保护。论文从主电路设计，高频变压器的设计，单片 机控制系统的软、硬件设计等几个方面对该电源作了详细的论述。 五京三亡业大学工学硕士学位论文 第2 章单片开关电源的工作原理和分类 2 1 单片开关电源的基本工作原理 2 l1 单片开关电源的基本原理 t o p s w i t c h 系列单片开关电源的典型应用电路如图2 1 1 所示”3 。由于单端 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 现多路输出，开关管驱动简单，因此该电源采用单端反激式电路。由图可见，高 频变压器初级绕组尸的极性与次级绕组盹、反馈绕组胁的极性相反。在 t o p s w i t c h 导通时，次级整流管v d 2 截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕 组中；当t o p s w i t c h 截止时，v d 2 导通，能量传输给次级。高频变压器在电路中 兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。图中，b r 为整流桥，q 为输 入端滤波电容，c 。w 是输出端滤波电容。交流电压玖c 经过整流滤波后得到直流 高压巧，经初级绕组加至t o p s w i t c h 的漏极上。在功率m o s f e t 关断瞬间，高 频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上还会产生感应电压( 即反向电 动势) v o r ，两者叠加在直流输入电压巧上，加至内部功率开关管m o s f e t 的 漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压 管v d z l ，阻塞二极管v d 组成，v d 宜采用超快恢复二极管。当m o s f e t 导通 时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致v d ，截止，因而钳位电 路不起作用。在m o s f e t 截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压 就被v d z l 吸收掉。 图2 1 1 单片开关电源的典型应用电路 该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过3 、c _ 整流滤波后获得反 馈电压p 知，经光耦和器中的光敏三极管给t o p s w i t c h 的控制端提供偏压。c ， 是控制端c 的旁路电容。设稳压管v z 2 的稳定电压为矿玉，限流电阻胄j 两端的 压降为，光耦和器中l e d 发光二极管的正向压降为，输出电压可表示 为：= v z 2 + 吩+ 。当由于某种原因( 如交流电压升高或负载变轻) 致使 升高时，因吃2 不变，故瞄就随之升高，使l e d 的工作电流后增大，再通过光 耦合器使t o p s w i t c h 的控制端电流坛增大。但因t o p s w i t c h 的输出占空比d 与 坛成反比，故d 减小，这就迫使降低，达到稳压目的。反之， - + 吩4 一 扛j 一七i dt 一f ，同样起到稳压作用。由此可见，反馈电路正是通过调节 t o p s w i t c h 的占空比，使输出电压趋于稳定的。 2 1 2 单片开关电源的两种工作模式 单片开关电源有两种工作模式，一种是连续模式c u m ( c o n t i n u o u s m o d e ) ， 另一种是非连续模式d u m ( d i s c o n t i n u o u sm o d e ) 。这两种模式的开关电流波形 分别如图2 1 2 ( a ) 、( b ) 所示。由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从_ 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，尸 和有效值电流i e c “s ，降低芯片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量b ，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 t o p s w i t c h 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 存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈 三角形。非连续模式下的昂、矗埘值较大，但所需要的昂较小。因此，它适合 采用输出功率较大的t o p s w i t c h ，配尺寸较小的高频变压器。 ( a ) ( a ) 连续模式；( b ) 非连续模式 图2 1 2 两种模式的开关电流波形 北京工业大学工学硕： 二学位论文 2 1 3 反馈电路的四种基本类型 单片开关电源的反馈电路有4 种基本类型：基本反馈电路；改进型基本反馈 电路；配稳压管的光耦反馈电路；配t l 4 3 1 的精密光耦反馈电路。它们的简化 电路如图2 1 3 所示。 t 饿 + l 用 氇) l墩 + 瑚 ( a ) 基本反馈电路i ( b ) 改进型基本反馈电路： f c ) 配稳压管的光耦反馈电路；( d ) 配t l 4 3 1 的精密光耦反馈电路 图2 。1 。3 反馈电路的4 种基本类型 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s y = 1 5 2 ；负载调 整率s ，= 5 。 改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管v d z 和电阻r j ，即可使负载调 整率达到2 。v d z 的稳定电压一般为2 2 v ，需相应增加反馈绕组的匝数，以 获得较高的反馈电压v f e ，满足电路的需要。 配稳压管的光耦反馈电路，由v d z 提供参考电压圪，当发生波动时，在 l e d 上可获得误差电压。因此，该电路相当于给t o p s w i t c h 增加一个外部误差 放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对进行调整。 配t l 4 3 1 的精密光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。这里用 t l 4 3 1 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 作精细调整。这种反馈电路适于构成精密开关电源。 2 2 单片开关电源的产品分类及主要特点 目前生产的单片开关电源主要有t o p s w i t c h 、t o p s w i t c h i i 、t i n y s w i t c h 、 t n y 2 5 6 、m c 3 3 3 7 0 , t o p s 晰t c h f x 、t o p s 研t c h _ g x 几大系列。此外还有l 4 9 6 0 系列、l 4 9 7 0 i a 9 7 0 a 系列单片开关式稳压器，共8 0 余种型号。其中，t o p s w i t c h 、 t o p s w i t c h l i 、t i n y s w i t c h 、t n y 2 5 6 和t o p s 谢t c h f x 、t o p s w i t c h g x 系列， 均为美国p i 公司产品；m c 3 3 3 7 0 系列是m o t o r o l a 公司产品：l 4 9 6 0 、l 4 9 7 0 l 4 9 7 0 a 系列为意法半导体有限公司( s g s t h o m s o n ) 产品。根据引出端的数量， 单片开关电源可划分成三端、四端、五端、多端共4 种。 表2 i 列出了单片开关电源的产品分类及主要特点f 9 】。表中型号尾缀y ( t 、 t v ) 代表t o 一2 2 0 封装，p 代表双列直插式封装，g 代表表面安装式封装。生产 厂家一栏中，括号内数字代表该产品开始推向市场的年代。 表2 1 单片开关电源产品分类及主要特点 系列名称产品型号 主要特点生产厂家 t o p s w i t c h t o p l 0 0 y 1 d p l 0 4 y 属于三端单片开关电源的第一代产品，它首 p i 公司 次将p w m 控制系统的全部功能集成在芯片 f 1 9 9 4 t o p 2 0 0 y t o p 2 0 4 中，三个弓l 出端分别为控制端c 、源极s 、漏 1 9 9 7 年1 极d 。能构成6 0 w 以下无工频变压器的隔离 t o p 2 1 4 式开关电源。除t o p l 0 0 y t o p l 0 4 y 内部功 t o p 2 0 9 p , t o p 2 1 0 p 率开关管耐压3 5 0 v ，其余耐压均为7 0 0 v t o p 2 0 9 g , t o p 2 1 0 g t o p s w i t c h i i t o p 2 2 p t o p 2 2 4 p ；是三端单片开关电源的第二代产品，内部功 p i 公司 t o p 2 2 i g t o p 2 2 4 g ； 率开关管的耐压值均提高到7 0 0 v 。适宜构成 ( 1 9 9 7 年) 1 5 0 w 以下的普通型和精密型开关电源及电源 ，r o p 2 2 1 y t o p 2 2 7 y 模块 t i n y s w i t c h t n y 2 5 3 p t n y 2 5 5 p ； 属于四端小功率、低成本单片开关电源，比p i 公司 t n y 2 5 3 g t n y 2 5 5 g t o p s w “c h 增加了使能端e n , 利用此端可从外 ( 1 9 9 8 年) 部关断功率m o s f e t ，并以跳过时钟周期的方 式来调节煎载两端的电压，达到稳压目的。它 用开，关控制器来代替p w m 调制器，并可等效 为脉冲频率调制器p f m 。其外围电路简单，适 宜构成1 0 w 以下的电池充电器、电源适配器 和待机电源 系