开关电源的剖析与设计毕业设计论文

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 课课题题摘摘要要 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 Power Integrations 公司旗下的一款离线式开关 IC TinySwitch 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 开关 IC脉宽调制 目次 1引言 1 2课题要求 2 3开关电源基础原理及其类型 2 3 1开关电源基础理论 2 3 1 1开关电源基本工作原理 2 3 1 2开关电源的组成 3 3 2开关电源的类型 3 3 2 1开关电源类型简介 3 3 2 2单端正激式开关电源 5 3 2 3单端反激式开关电源 5 3 2 4正激式及反激式开关电源电路的方案设计 错误 未定义书签 错误 未定义书签 4开关电源的电路设计 6 4 1主电路设计 6 4 1 1整流电路的设计 7 4 1 2滤波电路的设计 7 4 2控制电路的设计 9 4 2 1输入欠压检测电路 9 4 2 2输出反馈电路 9 4 3保护电路的设计 10 4 3 1偏置电路过压保护 10 4 3 2漏极钳位保护电路 10 5高频变压器的设计 12 5 1高频变压器磁芯的选择 12 5 2高频变压器导线的选择 13 5 2 1漆包线的选择 13 5 2 2三层绝缘线的选择 14 5 3利用软件设计开关电源及高频变压器的实例 14 5 3 1PI Expert9 0 的主要特点 14 5 3 2利用软件设计开关电源的实例 15 5 3 3查阅并修改高频变压器参数的方法 22 5 4设计高频变压器的基本公式 23 5 5设计高频变压器的注意事项 25 6开关电源的制作与测试 25 6 1开关电源印制电路板 PBC 的设计 25 6 1 1电路原理图的绘制 25 6 1 2电路 PCB 图的绘制 27 6 1 3多功能制版机制作 PCB 的流程 29 6 2开关电源的测试 29 6 2 1测试的主要名词解释 29 6 2 2输出电压调整率的测试 30 6 2 3负载调整率的测试 30 6 2 4输出电压纹波参数测试 31 7主要元器件的介绍 31 7 1TinySwitch 系列开关 IC 介绍 31 7 1 1引脚功能描述 31 7 1 2TinySwitch 主要功能描述 32 7 1 3TinySwitch III 部分工作原理 34 7 2超快恢复整流二极管 BYV28 200 35 7 3光耦 PC817A 35 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 43 1 1 1引言引言 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 2 2 2课题要求课题要求 1 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 2 最大输出电流为 2A 3 电压调整率 2 输入电压 220V 变化范围 15 20 下 满载 4 纹波电压 峰 峰值 5mV 最低输入电压下 满载 5 工作效率 85 输出电压 5V 输入电压 220V 下 满载 3 3开关电源基础原理及其类型开关电源基础原理及其类型 3 13 1 开关电源基础理论开关电源基础理论 3 1 1 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图 3 1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图 3 1 b 所示 若定义斩波占空比 k Ton T 则 Uo kUi 图 3 1 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 3 3 1 2 开关电源的组成 开关电源的基本组成如图 3 2 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 3 2 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 3 23 2 开关电源的简介开关电源的简介 3 2 1 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 4 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 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 Bridge Converter 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 5 3 2 2 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图 3 3 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 3 3 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 3 2 3 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图 3 4 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 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 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 6 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 3 4 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 4 4开关电源的电路设计开关电源的电路设计 4 14 1 主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图 4 1 所示 7 图 4 1 开关电源的电气原理图 4 1 1 整流电路的设计 电路中的桥式整流电路如图 4 2 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 4 2 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 如图 4 3 所示 图 4 3 输出整流滤波电路 4 1 2 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图 4 4 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 8 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 4 4 EMI 滤波器的电路 表 4 1 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 型滤波 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 型滤波基本电路如图 4 2 和图 4 3 所示 C1 C2 L1 及 C10 C11 L2 分别 构成一个 型滤波器 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 9 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 4 24 2 控制电路的设计控制电路的设计 4 2 1 输入欠压检测电路 输入欠压检测电路如图 4 5 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 25 A 以启动功率 MOSFET 引 脚详细功能见第七章 图 4 5 输入欠压检测电路 4 2 2 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 图 4 6 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 10 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 4 6 光耦反馈电路 4 34 3 保护电路的设计保护电路的设计 4 3 1 偏置电路过压保护 偏置电路过压保护如图 4 7 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 28 V 5 85 V 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 6 V 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 265 VAC 输入时的空载功耗大幅降低 引脚的详细介绍见第七章 4 3 2 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 11 图 4 7 偏置过压保护电路 图 4 8 漏极钳位保护电路 12 5 5高频变压器的设计高频变压器的设计 5 15 1 高频变压器磁芯的选择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 1 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 如图 5 1 所示 2 按工作频率划分 有低频 中频 高频 甚高频磁芯 3 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 5 1 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 见表 5 1 可选 MXO 2000 型材料 用他制成的 E 型磁芯如图 5 2 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 13 表 5 1 软磁铁氧体磁芯典型产品性能 型号起始磁导率 H m 居里温度 Tc 电阻率 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 5 NXO 20204001X10 620079050 NQ 1010400极高1802390300 NGO 55350极高603180300 GTO 1616200极高200500700 图 5 2 E 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MJPS15 0 其中 MP的单位取 W 5 25 2 高频变压器导线的选择高频变压器导线的选择 5 2 1 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 14 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 5 2 2 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 构如图 5 3 所示 图 5 3 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 5 35 3 利用软件设计开关电源及高频变压器的实例利用软件设计开关电源及高频变压器的实例 5 3 1 PI Expert9 0 的主要特点 PI Expert 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 PI Expert 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 15 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 5 3 2 利用软件设计开关电源的实例 利用 PI Expert9 0 专家系统的设计向导 设计一个由 TinySwitch 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 PI Expert9 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 PI Expert9 0 设计向导 首先弹出的设计选项面板如图 5 4 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 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 5 4 设计面板选项 16 2 单击 下一个 进入如图 5 5 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 5 5 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图 5 6 所示 输出面板如图 5 7 所示 图 5 6 单路输出属性面板 17 图 5 7 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图 5 8 所示 5 单击 完成 进入解决方案过滤器面板 如图 5 9 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图 5 10 所示 优化完成后即 会显示出可能组合的方案供用户选择 方案面板如图 5 11 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 如图 5 12 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 如图 5 12 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 18 图 5 8 设计设置面板 图 5 9 方案过滤器面板 19 图 5 10 优化进度框图 图 5 11 方案框图 图 5 12 优化方案示意图 20 7 单击 设计结果 按钮 可看到全部的设计结果 如图 5 13 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 如图 5 14 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 如图 5 15 所示 上述图中均只显示部分内容 图 5 13 设计结果 图 5 14 电路布局建议 21 图 5 15 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 如图 5 16 图 5 17 图 5 18 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 5 16 电气特性原理图 图 5 17 绕制结构图 22 图 5 18 绕组说明 5 3 3 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 如图 5 19 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 5 19 设计树视图 23 5 45 4 设计高频变压器的基本公式设计高频变压器的基本公式 1 计算一次绕组的电感量PL 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 22 2 1 2 1RP PPP IILIL 一次绕组的电感量由下式确定 1 2 1 10 RP 6 P 2 Z f K KI Po L pp p 其中PL的单位为 H Po为开关电源的输出功率 pI为一次侧峰值电流 RMSI为一次 侧有效值电流 RPK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 为电源效率 2 计算二次绕组的匝数sN 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1FU 0 4V 近似值 因此计算二次绕组匝 数的公式为 VUUNF 6 0 1Os匝 3 计算一次绕组的匝数PN 1 P FO OR S UU U NN 4 计算偏置绕组的匝数BN 计算偏置绕组的匝数BN的公式为 1 2 B FO FFB S UU UU NN 5 计算有效骨架宽度Eb 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Eb 2 bEMbd 再利用下式计算一次绕组导线的外径 带绝缘层 PMD P e N b D PM 6 验证一次绕组导线的电流密度 24 一次绕组导线的电流密度 J 应在 4 10A mm 的允许范围内 计算电流密度的公式为 Pm RMS D I J 2 28 1 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MB 下式中PI为一次侧峰值电流 PL为一次侧初级电感量 pN为一次侧匝数 JS为磁芯 截面积 J M 100 SN LI B p PP 8 计算磁芯的气隙宽度 L 2 P J A1000 1 L1000 N S400 p 其中 的单位是 mm L A为磁芯不留间隙时的等效电感 要求 0 051mm 若小于此 值 则需增大磁芯尺寸或者增加pN 9 计算留有气隙时磁芯的等效电感LGA 计算留有气隙时磁芯的等效电感LGA的公式为 2 P P LG N L A 10 计算二次侧峰值电流SPI 二次侧峰值电流SPI取决与一次侧峰值电流PI 一次绕组与二次绕组的匝数比 n 公式 为 P s P PI N N nII SP 11 计算二次侧有效值电流 计算二次侧有效值电流SRMSI的公式为 1 3 1 2 SRMS RP RP MAXSPK K DII 12 计算输出滤波电容上的纹波电流RII 25 计算输出滤波电容上的纹波电流RII的公式为 22 OSRMS RIIII 式中 Io 为额定输出电流 J I D SRMS Sm13 1 计算二次绕组的裸导线直径公式为 S SM N Mb D 2 当SMD 0 4mm 时 应采用 0 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SBRU BBRU 有公式 P S OSBR N N UUU max P B axFBBBR N N UUU Im 5 55 5 设计高频变压器的注意事项设计高频变压器的注意事项 1 尽量不要使用线径大于 0 56mm 的漆包线 2 尽量不要使用线径小于 0 13mm 的漆包线 3 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 4 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 6 6开关电源的制作与测试开关电源的制作与测试 6 16 1 开关电源印制电路板 开关电源印制电路板 PBC 的设计 的设计 本次设计的电路原理图以及 PCB 均在 AltiumDesignerSummer09 AD09 中完成 6 1 1 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 26 可在调出的元件库中双击添加放置或者按快指令 PP 添加放置如图 6 1 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 6 1 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 建好的原理图库如图 6 2 所示 图 6 2 原理图库 27 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 理图如图 6 3 所示 图 6 3 原理图 6 1 2 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 库如图 6 4 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 6 4 PCB 库界面 28 封装确定好后 点击设计 Update PCB 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 6 5 PCB 生成界面 图 6 6 PCB 规则面板 29 图 6 7 PCB 电路图 6 1 3 多功能制版机制作 PCB 的流程 1 根据外壳大小裁剪感光电路板的尺寸 2 在 AD09 中进行打印设置 按 1 1 打印 只需打印出 Top Layer 设置好后打印 在菲林纸上 3 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 4 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 5 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 6 26 2 开关电源的测试开关电源的测试 6 2 1 测试的主要名词解释 1 电压调整率 电压调整率 VS 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 Uo 可取绝对值 最后带入下式计算电压调整率 100 O O U U SV 2 负载调整率 负载调整率 IS 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 30 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 100 12 O U UU SI 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 6 2 2 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 Uo 实际测试接线图如图 6 8 所 示 图 6 8 开关电源测试实际接线图 测得 UO 为 5 41V UO 为 0 03V 带人公式计算的电压调整率为 0 55 6 2 3 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 31 率约为 1 85 6 2 4 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 7 7主要元器件的介绍主要元器件的介绍 7 17 1 TinySwitch 系列开关系列开关 IC 介绍介绍 TinySwitch III 集成了一个 700 V 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 7 1 1 引脚功能描述 TinySwitch III 系列芯片引脚图如图 7 1 所示 图 7 1 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 1 一个外部旁路电容连接到这个引脚 用于生成内部 5 85 V 的供电电源 32 2 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 1 F 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 1 F 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 10 F 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 3 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 9 V 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 75 A 到 115 A 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 7 1 2 TinySwitch 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 85 V 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 图 7 2 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 132 kHz 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 8 kHz 峰峰值用来降低 EMI 频率抖动的 调制速率设置在 1 kHz 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 33 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 2 V 的低阻抗源极跟随器 流经 此源极跟随器的电流被限定为 115 A 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 2 V 这改善了连接到此引脚的光耦器的响应时间 图 7 2 功能结构图 3 旁路 多功能引脚欠压 在稳态工作下 当旁路 多功能引脚电压下降到 4 9 V 以下时 旁路 多功能引脚欠压 电路将关断功率 MOSFET 在稳态工作下一旦旁路 多功能引脚电压下降到 4 9 V 之下 它 必须再升回 5 85 V 才可重新开启功率 MOSFET 4 电流限流 电流限流