基于TOP226Y的DVD开关电源的设计毕业设计.doc

基于TOP226Y的DVD开关电源的设计毕业设计目录前言1第1章 绪论21.1 开关电源的定义与简介21.1.1 开关电源的定义21.1.2 开关电源的简介21.2 开关电源的主要类型31.3 开关电源的发展方向51.3.1 开关电源发展方向51.3.2开关电源的发展与趋势61.4 开关电源主要技术参数6第2章 开关电源的分类以及原理92.1 开关电源的分类与选择92.1.1 开关电源的基本分类92.1.2 开关电源的选择基础142.2 开关电源结构及工作原理152.2.1 开关电源的结构152.2.2 开关电源的工作原理152.2.3 脉冲调制式开关电源的基本原理17第3章 TOPSwitch-II系列开关电源工作原理193.1 TOPSwitch-II系列单片开关电源的性能特点193.2 TOPSwitch-II系列单片开关电源的工作原理203.2.1 TOPSwtch-II的引脚功能203.2.2. TOPSwitch-II的工作原理21第4章 基于TOP226Y的DVD开关电源的设计244.1 设计流程图244.2 技术指标和性能要求254.3 TOP226Y的性能特点及元件的选择254.3.1 TOP226Y的性能特点254.3.2 线性管耦合器PC817264.3.3 可调式精密并联稳压器TL431274.4 开关电源的电路设计284.4.1 TOP226Y的基本工作原理284.4.2 输入整流滤波电路设计284.4.3 变压器设计294.4.4 箝位保护电路设计314.4.5 输出整流滤波电路的设计314.4.6反馈回路的设计324.4.7其他外围电路的设计334.5 基于TOP226Y的开关电源原理图及工作原理334.5.1 Protel软件的介绍334.5.2 基于TOP226Y的开关电源原理图344.5.3 基于TOP226Y的开关电源工作原理的分析35结论39谢 辞40参考文献41外文资料翻译43外文资料译文49前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和开关器件（MOSFET、BJT等）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。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。 单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点。三端隔离、反激式脉宽调制单片开关电源集成电路是由美国PI公司率先研制成功的，其第二代产品是1997年问世的TOPSwitch-II系列。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以下的开关电源的设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本的开关电源的推广与普及创照了良好的条件。本文介绍了开关电源的发展、特点、分类、利用当今开关电源发展的新技术、新趋势、设计并制作出安全、高效、节能的通用型DVD播放机开关电源。本文介绍的开关电源采用了TOP226Y型智能控制集成芯片以及其他的电路元件相配合的方案，设计出通过整流、反馈、滤波、稳压等电路来实现自动稳压功能的单片反激式DVD开关电源。 第1章 绪论1.1 开关电源的定义与简介1.1.1 开关电源的定义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，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，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阔的发展空间。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。 1.1.2 开关电源的简介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和开关器件（MOSFET、BJT等）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。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，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。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。 1.2 开关电源的主要类型现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。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（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。 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（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。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-Bridge Converter）。 隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。 在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越 大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。 非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具各的一些特性。 按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可以从负载侧向电源侧传输功率。 DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。 按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-CurrentSwitching， ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造了条件。1.3 开关电源的发展方向1.3.1 开关电源发展方向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。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。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。 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn?Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。1.3.2开关电源的发展与趋势1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国 科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。1.4 开关电源主要技术参数高频开关电源额定直流输出电压、浮充电压、均充电压、功率因数、稳压精度、效率、杂音电压(不接蓄电池组) 、电池温度补偿等。1、额定直流输出电压：指市电经整流模块变换后的额定输出电压，正选的电源电压为-48V，电压允许变动范围-40 -57V。这种“-”型基础电压是指电源正馈电线接地，作为参考电位零伏，负馈电线装接熔断器后，与机架电源连接。2、浮充电压：在市电正常时，蓄电池与整流器并联运行，蓄电池自放电引起的容量损失便在全浮充过程被补足。根据电池特性及温度所需补充损失电流的多少而设定的电压。3、均充电压：为使蓄电池快速补充容量，视需要升高浮充电压，使流入电池补充电流增加，这一过程整流器输出得电压为“均充”电压。4、功率因数:有功功率对视在功率的比叫做功率因数。由于开关电源电路的整流部分使电网的电流波形畸变，谐波含量增大，而使得功率因数降低（不采取任何措施，功率因数只有0.60.7），污染了电网环境。开关电源要大量进入电网，就必须提高功率因数，减轻对电网的污染，以免破坏电网的供电质量。满载状态下，功率因数不低于0.92。5、效率：高频开关电源模块的寿命是由模块内部工作温升所决定。温升主低主要是由模块的效率高低所决定。现在市场上大量使用的开关电源技术，主要采有的是脉宽调制技术（PWM）。模块的损耗主要由开关管的开通、关断及导通三种状态下的损耗，浪涌吸收电路损耗，整流二极管导通损耗，工和辅助电源功耗及磁心元件损耗等因素构成。减少这些损耗就会提高模块的整体效率。对此现行较好的处理方法分别是：开关管的开通、关断及导通状态的损耗采用MOSFET和IGBT并联使用，利用两种不同类型的器件的开头及导通损耗的优势互补，其综合损耗是利用单一类型开关管工作损耗的20%左右；浪涌吸收电路可采用无损耗吸收电路，这一技术的使用使得该部分损耗大幅度下降；整流二极管可采用导通电阻较小的器件，优化设计控制电路，选择集成度较高的IC器件都可减少功耗；磁心材料可选择如菲利浦的3C90等均可减少损耗。高频电容器的选择严格控制峰值电流的大小，采用这些因素将会使整流模块的工作在相当宽的功率输出范围内保持较高的效率，如VMA10、DMA12、DMA13及DMA14的工作效率均为91%以上。需要说明的是主开关管的开通、关断及导通状态中的损耗所占比例是主要的。开关状态的损耗是PWM控制技术所固有的缺点。满载状态下，效率不低于0.90。6、稳压精度：满载状态下，当输入电压由最大变到最小时，整流器输出电压调整范围不超过1。7、杂音电压(不接蓄电池组)衡重杂音：电话电路以800HZ杂音电压为标准，其它频率杂音电压响度强弱，用等效杂音系数表示称为衡重杂音。系统衡重杂音的测量点视情况选择在整流器输出端，蓄电池输出端及机房机架的输入端，各测量点数值不已。宽频杂音：它是指各次谐波均方根值，即周期连续频谱电压。峰值杂音：指叠加在直流输出上的交流分量峰值，即指晶闸管或高频开关电路导致的针状脉冲。 离散杂音：指无线电干扰杂音或射频杂音，通常为150kHz-30MHz频率内的个别频率杂音。峰-峰值杂音：只由于电源干扰或本机故障所产生的杂音。指标如下：电话衡重杂音电压2mV(3m3400Hz)。宽频杂音电压100mV(3.4150kHz)。宽频杂音电压30mV(0.1530MHz)。离散频率杂音电压5mV(3.4150kHz)。离散频率杂音电压3mV(150200kHz)。离散频率杂音电压2mV(200500kHz)。离散频率杂音电压lmV(0.530MHz)。峰峰杂音电压200mV。8.电池温度补偿：适合阀控电池温度补偿要求的自动调节功能，既当环境温度每升高一度或降低一度直流输出电压应相应调整3mv或升高3mv。第2章 开关电源的分类以及原理2.1 开关电源的分类与选择2.1.1 开关电源的基本分类开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。下面就几种基本电路做简要的分析：1. 基本电路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。 控制电路为一脉冲宽度调制器，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用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。 2单端反激式开关电源 图2-1 单端反激式开关电源如图2-1，单端反激式开关电源的典型电路：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。所谓的反激，是指当开关管VT1 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，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出。 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20100，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，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VT1 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20200kHz之间。 3. 单端正激式开关电源图2-2 单端正激式开关电源如图2-2，单端正激式开关电源的典型电路：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，滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时，电感通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。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。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50200 的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。4自激式开关稳压电源图2-3 自激式开关电源如图2-3，自激式开关稳压电源的典型电路：这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。 当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic 开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1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电源那样，由变压器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从，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，具有输人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。 5推挽式开关电源 图2-4 推挽式开关电源如图2-4，推挽式开关电源的典型电路：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VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级统组得到方波电压，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100-500 范围内。 6降压式开关电源 图2-5 降压式开关电源如图2-5降压式开关电源的典型电路：当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向充电，这一电流使电感中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。 这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。7升压式开关电源 图2-6升压式开关电源如图2-6，升压式开关电源的稳压电路：当开关管 VT1 导通时，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感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VD1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。 8反转式开关电源 图2-7 反转式开关电源 如图2-7，反转式开关电源的典型电路：这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1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 VT1 导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容充电。2.1.2 开关电源的选择基础一般来说，功率很小的电源（1100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰较大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理。如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路。推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。自20世纪90年代以来，开关电源的发展日新月异。但是，技术总是在不断的进步，许多新领域和新要求对开关电源提出了更新更高的挑战。比如：输入的要求变得更严格，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出则有了许多新的特殊的应用领域，使得研制和开发的难度变得更大等等。这些要求推动了开关电源的两个分支技术（有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术）一直成为当今电力电子的研究课题。另外，由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如EMI技术、PCB Layout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为30W的通用型小功率开关电源。单端反激式电路不仅符合功率的要求，并且具备电路简单、所用元件少、输出与输入间有电气隔离、电压输入范围宽、能方便的实现多路输出、有较好的电压调整率的特点。因此，本设计选择了单端反激式的拓扑类型。2.2 开关电源结构及工作原理2.2.1 开关电源的结构开关式稳压电源的基本电路框图如图2-8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。控制电路为一脉冲宽度调制器，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用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。 输入整流滤波功率转换电路高频变压器输出整流滤波取样器比较器脉宽调制振荡器基准电压DCAC图2-8开关电源的电路组成2.2.2 开关电源的工作原理1. 原理简介开关电源是利用现代电力技术，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构成。 开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。2.电路原理所谓开关电源，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，那么什么是门呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止，300V电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50HZ低频。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢，这就需要有个振荡电路产生，我们知道，晶体三极管有个特性，就是基极对发射极电压是0.65-0.7V是放大状态，0.7V以上就是饱和导通状态， -0.1V- -0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定，振荡频率高输出脉冲幅度就大，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，一般是在开关变压器上，单绕一组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为基准电压，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，来调整震荡频率的高低，如果变压器次级电压升高，本取样线圈输出的电压也升高，通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高，这个电压加到振荡管基极上，就使振荡频率降低，起到了稳定次级输出电压的稳定，太细的工作情况就不必细讲了，也没必要了解的那么细的，这样大功率的电压由开关变压器传递，并与后级隔开，返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开，所以前级的市电电压，是与后级分离的，这就叫冷板，是安全的，变压器前的电源是独立的，这就叫开关电源。图2-9开关电源原理图2.2.3 脉冲调制式开关电源的基本原理开关电源按控制方式分为调宽式和调频式以及两者混合式。其中，前两者的区别在于：前者通过改变占空比来实现稳压，开关器件导通的周期并不变。而后者恰恰相反。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（PWM）型,全称脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，PWM）技术，本设计亦采用调宽式控制方法。它通过对脉冲宽度进行调制来获得所需波形（含形状和幅值）。其基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载发生变化的情况下，根据反馈的结果，调节开关器件的脉冲宽度（输出电压的高或低而使占空比相应小或大）使输出电压稳定。 PWM开关电源的控制原理如图2-10所示。当UI与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度即占空比（在一个周期内T内,开关导通的时间Ton所占整个周期T的比例,称为占空比D,D=Ton/T），就可达到稳定电压的目的。图2-10 PWM开关电源控制原理及波形图第3章 TOPSwitch-II系列开关电源工作原理3.1 TOPSwitch-II系列单片开关电源的性能特点单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。美国动力公司在世界上率先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，被誉为“顶级开关电源”。其第一代产品以1994年推出的TOP100200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件，可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD、摄录像机、手机电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、在价格上能与线性稳压电源相竞争的ACDC电源变换模块。TOPSwitch与第一代产品相比，它不仅在性能上进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路，其主要性能特点如下：1. 将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、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，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。 2. 输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110V115V230V交流电，允许变化15；在宽电压范围输入时，适配85V265V交流电，但POM值要比前者降低40。3.TOPSwitch只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，其控制端和漏极端均属多功能因粗话段，实现了一脚多用。它具有连续和不连续两种工作方式。反馈电路有四种基本类型，能构成各种普通型或精密性开关电源。4. 开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90kHz110kHz，占空比调节范围是1.767。5. 外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、漏极钳位保护电路、反馈电路、输出电路。6. 电源效率高。芯片本身功耗很低，电源效率可达80左右，最高能达90%。 7. 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。8. 采用这种芯片能够降低开关电源所产生的电磁干扰（EMI）。9. 其工作温度范围为0-70oC,芯片最高结温Tjm=135oC。3.2 TOPSwitch-II系列单片开关电源的工作原理3.2.1 TOPSwtch-II的引脚功能图3-1 TOPSwitch-II的引脚排列图上）TO-220封装 下）DIP-8封装和SMD-8封装TOPSwitch-II的管脚排列如图3-1所示。它有三种封装形式。其中，TO220封装有3个引脚。DIP8封装及SMD8封装各有8个引脚，但均可简化成3个。这3个管脚分别为控制端C，源极S，漏极D。控制端有4个作用：1.利用控制电流IC的大小来调节占空比D。通常，占空比D是指输出脉宽调制信号中的高电平持续时间t与周期T的百分比，有公式：。当Ic从6.0mA减到2.0mA时，D就由1.7%曾至67%，比例系数即为脉宽调制增益。2.它与内部的并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流；3. 该端还作为电源之路和自动重启/补偿电容的连接点，通过外连接旁路电容来决定自动重启动的频率；4. 对控制回路进行补偿。漏极D与片内功率开关管的漏极连通，漏-源击穿电压U(BR)DS700V。源极S则接内部功率开关管的源极，还与小散热片连通，作为一次侧电路的公共地。3.2.2. TOPSwitch-II的工作原理如图3-2是TOPSwitch-II的内部结构框图，TOP包括10部分，下面简要叙述一下：1. 控制电压源控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由DC极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。2. 带隙基准电压源带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。3. 振荡器内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。4. 放大器误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是1020，典型值为15。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。5. 脉宽调制器（PWM）脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。6. 门驱动级和输出级门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds700V。 7. 过流保护电路过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。8. 过热保护电路当芯片结温TJ135时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，Q=1，Q=0，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V5.7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器置零，使MOSFET恢复正常工作。9. 关断/自起动电路一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。图3-2 TOPSwitch-II内部工作原理框图10. 高压电流源在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。 第4章 基于TOP226Y的DVD开关电源的设计4.1 设计流程图开始选用何种拓补方案黑箱计算变压器设计输出滤波器和整流器功率开关和驱动电路设计控制器设计输出反馈设计启动电路设计保护电路设计高层功能设计热分析和设计实验电路和结构设计测试与设计结果区别优化设计EMI/RMI测试生产准备在设计中，由于采用了TOPSwitch智能芯片，本身集成了保护电路、管段电路、自动重启电路等。所以，在设计时可以省去上面的几个环节，只需对其进行好选型。4.2 技术指标和性能要求本文要求用TOP226Y设计的小功率开关电源应具备小功率通用开关电源波纹小、电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。同时还应实现欠压、过压、。过流、过热等电路工作异常保护。具体技术指标如下：1. 交流输入电压：220V（85V265V）；电网频率：50Hz； 2. 开关电源频率：100KHz；稳压范围：140V240V。3. 输出直流电压：8V（两路），5V（两路），3.6V，-8V，-24V各一路；4. 输出额定电流：2A；额定输出功率：30W；5. 负载调整率SI：-4%+4%；电源效率H：高于84%；6. 空载功率损耗：低于0.5W（230V时）；输出纹波电压：低于120mV。4.3 TOP226Y的性能特点及元件的选择4.3.1 TOP226Y的性能特点TOPSwitch-II系列外接元器件最少，设计最为方便，同TOPSwitch其他系列器件相比，其内部电路进行了许多改进，器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性价比更高。其功率又由TOPSwitch系列的0100W 提高到O150W。TOP226Y是TOPSwitch-系列中一款输出功率比大的芯片，其封装形式是TO-220，自带小散热片，是典型的三端集成器件，三个管脚分别为控制端C（control）、源极S（source）、漏极D(drain)，其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V，可设计成125W以下仪器仪表的多路隔离式内置控制电源，TOP226Y具有TOPSwitch-II系列通有的特性。4.3.2 线性管耦合器PC817PC817是常用的线性光耦，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当做耦合器使用，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。PC817光电耦合器广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计，其性能特点有： 1. 电流传输比 (CTR: MIN. 50% at