开关电源的设计

中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 56 页开关稳压电源的设计摘要开关电源为工作在开关状态的电源，早期的开关电源的频率仅为几千赫。在20 世纪 70 年代，开关频率终于突破了 20KHz，开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。后来，随着电力 MOSFET 的应用，20 世纪 80 年代，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)出现，由于其具有 MOSFET 的电压型驱动、驱动功率小的优点，同时又具有 GTR 饱和压降低和可耐高压、大电流等一系列应用上的优点，使得开关电源的容量进一步增大，在许多中等容量范围内，迅速取代了晶闸管相控电源。到了 90 年代，在美国首先出现了单片开关电源了，其工作频率高达 135KHz。单片开关电源是将开关电源的主要电路都集成在一个芯片中，它能实现脉宽调制(PWM 控制)、输出隔离及多种保护功能，具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点。使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。本设计为一个单端反激式开关稳压电源。在整个设计中采用 TOPSwitch-GX 控制芯片作为核心元件。该开关电源采用了一种较新的电路结构，弥补了开关电源输出纹波较大和线性电源体积大、功耗大的不足，具有一定创新性和先进性。关键词: 开关电源,脉宽调制,反激式中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 56 页Switching power supply designABSTRACTSwitching power supply for the work in the off state of the power supply, switching power supply early frequency is only a few kilohertz. In the 1970s, the switching frequency has finally broken through 20KHz, switching frequency increases in favor of switching power supply volume is reduced, weight. Later, with the application of power MOSFET, in the 1980s, insulated gate bipolar transistor (IGBT), and since it has the MOSFET voltage driving, driving power of small advantages, but also has GTR saturation pressure reduction and can withstand high voltage, high current applications such as a series of advantages, making further increase the capacity of the switching power supply in many medium capacity range, quickly replaced the thyristor phase-controlled power. By the 1990s, the United States first appeared chip switching power supply, and its operating frequency up to 135KHz. Chip switching power supply switching power supply is the main circuit are integrated on a single chip, it can achieve pulse-width modulation (PWM control), output isolation and a variety of protection features, with high integration, high cost, the most simple external circuit, optimum performance advantages. Causing the power supply smaller, lighter weight, further increase the power density.This design is a single-ended flyback switching power supply. Throughout the design using TOPSwitch-GX control chip as the core component. The switching power supply uses a relatively new circuit structure, make up the switching power supply output ripple is larger and bulky linear power supplies, power consumption is less, with some innovative and advanced.Key words: Switching Power Supply, Pulse Width Modulation, Flyback 中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 56 页目 录1 引言 11.1 开关电源概论11.1.1 开关电源的发展史11.1.2 开关电源的分类 31.1.3 开关电源的发展趋势51.2 本课题的选题依据和现实意义 61.3 本课题的主要内容及工作 82 单片开关电源的工作原理 92.1 单片开关电源的基本原理 92.2 开关变换器 102.3 控制电路123 开关电源的分析方法134 单片开关电源主电路的设计18 4.1 单片开关电源的设计原理184.2 外围保护电路的设计 194.1.1 输入保护电路的选择 194.1.2 电磁干扰滤波器的设计 204.2.3 漏极钳位保护电路 214.2.4 开关电源的过热保护电路 224.3 输入滤波电容 CIN及最大占空比 DMAX的计算234.4 反激式降压变压器的计算过程 234.5 整流电路的设计265 单片开关电源反馈电路的设计296 TOPSwitch 芯片的设计306.1 topswitch 芯片的选择306.2 由 TOPSwitch-GX 构成的开关电源326.2.1 TOPSwitch-GX 的工作原理 32中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 56 页6.2.2 设计出原理图(附录 A）347 电路原理图的绘制及仿真 367.1 在 Saber 软件中绘制开关电源原理图 367.2 对原理图（图附录 B）进行仿真测试 407.3 试验结果分析417.4 绘制出几本版图板图428 总结42附录（A）44附录（B）45参考文献 46致谢 48中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 56 页1 引言1.1 开关电源概论1.1.1 开关电源的发展史现实生活中常用的电源，可以分为发出电能的电源和变换电能的电源两类。自然界并没有可以直接利用的电源，人类所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转化而来的。这种把其他能源通过转换而得到的电源称为发出电能的电源，像发电机、电池等。在很多情况下，发出电能的电源并不符合使用的要求，需进行再一次变换，这种变换是把一种形态的电能转换成另一种形态的电能。像变压器、变频器等。我们把输入和输出都是电能的电源称之为变换电能的电源。开关电源就是属于变换电能的电源，此种电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。由于，开关电源既节能又将带来巨大经济效益，因而引起社会各界的审视而得到迅速推广 1。开关电源的前身是线性稳压电源。线性稳压电源的结构框图如图 1.1 所示。图中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压 Uo，通过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制。这样，当输入电压 Ui 发生变化，或负载变化引起电源的输出电压 Uo 变化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来使输出电压 Uo 稳定。为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性稳压电源。图 1.1 线性稳压电源的结构框图线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量(精度、纹波等)的要求，但有两个严重的缺点:一是调整管工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低;二是需要一个工频变压器，使得电源体积很大。开关电源出现之前，各种电子装置和电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。但随着半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越强，而它中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 56 页们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的动力 2。开关电源的典型结构如图 1.2 所示，开关电源和交流电网连接的电路通常是二极管整流电路，这种电路的输入电流不是正弦波，而是脉动波，这种波形中含有大量的谐波成分，对电网会造成严重的污染，并且该电路的功率因数也较低。当公用电网上接有大量的开关电源负载时，就会对电网产生严重的谐波污染。为了降低开关电源对电网的谐波污染，提高开关电源的功率因数，就需要对电流的脉动进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波。从而减小开关电源对交流电网的污染，随后整流电压经过主变换电路变换，由于主电路输出的电压含有交流成分，所以在负载前端得加整流滤波电路进一步处理，使负载得到直流电压。若输出电压由于某种原因上升时，反馈电路会对输出电压进行采样，并把所采的信号送到控制电路中进行比较放大处理，使输出的 PWM 脉冲占空比减小，最终使二次侧的电压回到稳定值;反之，当输出电压下降时，反馈电路同样会把信号送到控制电路，而后又使 PWM 脉动占空比增大，同样可稳定输出电压 3。图 1.2 开关电源的典型结构早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进，开关频率才得以提高。20 世纪 60 年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJT, GTR)的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到 lOKHZ 左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在 20 世纪 70 年代，新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的 20KHz。开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。后来，随着电力 MOSFET 的应用，中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 56 页开关电源的开关频率进一步提高。20 世纪 80 年代，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)出现，IGBT 可以看成是 MOSFET 和 GTR 复合而成的器件。其具有 MO- SFET 的电压型驱动、驱动功率小的优点，同时又具有 GTR 饱和压降低和可耐高压、大电流等一系列应用上的优点。使得开关电源的容量进一步增大，在许多中等容量范围内，迅速取代了晶闸管相控电源。并且，IGBT 的开关速度也很高，通态压降低。在一些发达国家研制出开关频率高达 100KHz 的开关电源，到了 90 年代，在美国首先出现了单片开关电源了，其工作频率高达 135KHz。使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高 4。开关频率的提高使开关电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这些问题，20 世纪 80 年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，也就是我们所说的软开关技术，这种电路利用以谐振为主的辅助换流手段，即使开关开通或关断前的电压、电流分别为零。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而，使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展 5。1.1.2 开关电源的分类1、按输出输入电压分开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展而发展的，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着体积小、重量轻、噪声低、可靠性高、抗干扰能力强的方向发展。开关电源按输入输出电压分为 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己成熟和标准化，已得到广大用户的认可；但 AC/DC 变换器因其自身特性，使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源作简要地介绍。1) DC/DC 变换器随着电力电子的发展，开关电源的 DC/DC 变换器型式和种类越来越多，主要类型有以下几种：(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，广泛用于数瓦一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。中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 56 页(2)正激式: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 1 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一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。适合数百瓦一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一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产生，应用时需要特别注意。适合中功率输出 6。今天，随着软开关技术的发展，DC/DC 变换电路有了质的飞跃。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，使 DC/DC 变换器进一步模块化、绿色化，且使变换器的重量减轻了。日本 Nemiclambda 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列，其开关频率为 200-300 kHz，采用同步整流器，使整个电路效率提高到 90 %；美国 Vicor 公司设计制造的多种 ECI 软开关 DC/DC 变换器，其最大输出功率 300W, 600W, 800W 等，效率为90%以上 7。2 ) AC/DC 变换AC/DC 变换电路是指能够直接将交流电能变换为直流电能的电路，泛称整流电路。在所有的电能基本变换形式中，AC/DC 最早出现，自 20 世纪 20 年代迄今己经历了以下几个发展阶段： 旋转式变流机组(电动机一发电机组) 静止式离子整流器(由充气闸流管和汞弧整流管组成) 静止式半导体整流器(低频型、高频型)中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 56 页整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：(1)按组成的器件被控程度可分为不可控、半控、全控三种;(2)按电路结构可分为桥式电路和零式电路:(3)按交流输入相数分为单相电路和多相电路;(4)按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。AC/DC 变换器输入为 5O/60 HZ 的交流电，其频率为工频，以致整流滤波时需要体积较大的滤波电容器，另外，整流器和电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压 Ui 为正弦波，但输入交流电流 ii 波形却严重畸变，呈脉冲状。交流输入侧必须加 EMC 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制 AC/DC 电源体积的小型化 ;同时，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决电磁兼容(EMC)问题难度加大，也就对内部高密度电路设计提出了很高的要求，从而限制了 AC/DC 变换的模块化。2、按控制方式分开关电源按控制方式可分:1)电压控制型、2)电流控制型、3) V 2 控制型三种8。1.1.3 开关电源的发展趋势今天，开关电源最主要的市场是在小功率领域，但在中等功率以至较大功率领域，开关电源的优势已十分明显。随着人们对开关电源技术研究的不断深化，在中等功率及以上的领域内应用更广阔。开关电源的应用范围是越来越广，反过来又遇到更多的问题和难题。这些问题可归纳为以下几点:1、电磁兼容性开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点，加上已有市售的开关电源集成控制模块，使电源的设计、调试简单化，所以在计算机、电视机以及各种控制系统中得到广泛应用。但是开关电源在工作时，其开关器件的电压和电流波形都是以极短的时间上升和下降。这些具有陡变沿的脉冲信号产生很强的电磁干扰，使处于同一电磁环境的其他设备降级或失效。目前人们已认识到需要对这种电磁干扰进行控制，特别是工业发达国家格外重视控制电磁干扰，成立了国家级以及国际间的组织，对电磁干扰问题进行研究，并实行电磁兼容性许可证制度。2、组建大容量的开关电源中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 56 页目前，开关电源一直还是处于中小型功率范围内发展。随着半导体器件的发展，市场上大型电子装置不断的问世，对大容量开关电源的需求越来越强烈。所以，这对目前开关电源的容量是一个很大的挑战。急需研制出大容量的开关电源以适应社会的需求和发展。3、提高功率因数为提高线性稳压器电源的效率，适应现代电子设备多功能和小型化，开关电源电路应运而生。但开关电源的电路结构使得电网的功率因数下降(只有 0.6 左右)，同时又使输电线上损耗增加，浪费了大量电能。为此，提高开关电源的功率因数不仅有利于提高电网质量，更重要的是节省了能源。4、提高开关频率开关电源频率提高，开关电源的动态响应才能快，这样才能适应当今电子设备中高速微处理器发展，也是使开关电源小型化、模块化的重要途径。5、使开关电源小型化、模块化随着电子技术及半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越强，而它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，研究小型化、模块化的开关电源是电子装置发展的前期工作。这些问题的实现是开关电源能否在更广阔领域中应用的关键。我们应把问题和困难看成动力和机遇，全身心投入到开关电源这一事业当中来，使开关电源产业有着广阔美好的发展前景 9。1.2 本课题的选题依据和现实意义1、选题的来源目前，开关电源普遍采用电压型 PWM 技术，其结构图如图 1.3 所示。中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 56 页图 1.3 电压控制型开关电源结构框图从图中可以看出，电压型控制方法是利用采样输出电压作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压 Uref 进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压 Ue。误差电压 Ue 与振荡器生成的锯齿波 Ur 进行比较生成一脉宽与 Ue 大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路（图 1.3 中未画出驱动电路）来驱动开关管的导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。其主要缺点是输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢，造成输出电压稳定性差。图 1.4 电流控制型开关电源结构框图电流型 PWM 技术是近年兴起的新技术，电流型控制正是针对电压型控制的缺点而发展起来的，且系统稳定性比 V2控制型要好，结构如图 1.4 所示。它除保留了电压控制型的输出电压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控制系统。所谓电流型控制，就是在脉宽比较器的输人端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。电流型控制的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲就逐渐增中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 56 页大，当电流在采样电阻上的幅度达到 Ue 时，脉宽比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动脉冲撤除，功率管从导通转为截止。这样，逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。与电压型 PWM 比较，其具有以下优点 :1)电流型 PWM 开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率；2)系统的稳定性和动态特性会有明显改善；3)其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠 10。2、选题的意义随着开关电源的发展，电源的小型化、模块化、绿色化越来越受到人们的关注。以致于 20 世纪 90 年代中期，单片开关电源问世了。美国电源集成(PI)公司率先于 1994 年研制成三端隔离式脉宽调制型单片开关电源。其第一代产品 TOP- Switch 系列，随后于 1997 年，2000 年 1 月和 11 月相继推出了 TOPSwitch-II 系列，TOPSwitch -FX、 TOPSwitch-GX 系列。这几种芯片都为电流控制型芯片，该系列芯片集 PWM 信号控制电路和功率开关器件 MOSFET 于一体。该系列开关电源集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。鉴于电流控制型有电压控制型及 V2控制型无与伦比的优点。所以，本课题选择了基于 TOPSwitch-II 芯片控制的单端反激式开关电源。单片开关集成芯片一经问世便显示出强大的生命力，目前已成为国际上开发290W 以下中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。TOPSwitch-II 系列产品优点如下:1)采用高压 CMOS 电路的先进技术，实现高压 MOSFET 与低压控制电路的单片集成化，将 PWM 控制系统的全功能集成到三端芯片中；2)它属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占孔比的 AC/DC 电源变换器，即电流控制型开关电源；3)输入交流电压和频率的范围极宽；4)此芯片只有 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；5)外围电路简单、效率高、成本低；6)若将它配以低压差线性集成稳压器，则可构成一种新型复合式开关电源，中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 56 页既保留了开关电源体积小、效率高之优点，又具有线性稳压电源稳定性好、纹波电压低等优良特性；7)开关频率高达 110KHZ，采用这种芯片能够降低开关电源所产生的的电磁扰(PWM)；8)其工作温度范围为 0-70，芯片最高结温 Tjm=135 11。1.3 本课题的主要内容及工作本课题研究的是基于 TOFSwitch-GX 芯片的单片开关电源，主要有以下工作:1)分析了反激式开关电源的工作原理，详细介绍了专用的电流型控制芯片TOPSwitch-GX 的内部结构及其工作原理。2)对电路中的磁性元件进行了分析。3)对外围电路中的保护电路分析计算及选型。3)对外围电路中的主要器件进行分析。包括:变压器的计算、稳压器及光耦器的选型、其他元器件参数的确定（主要是变压器的计算） 。4)电路图原理图的绘制、分析。本课题所要研究技术指标如下:1、开关电源的输入电压：AC 185250V2、开关电源输出电压及电流：5V/0.5A，+/-12V/1A, 24V/1.5A 3、开关电源的开关频率：50kHz 4、开关电源的效率80%5、具有过流过压保护功能设计出以下内容：1 确定适合的主电路拓扑结构和功率元器件，设计高频变压器 2 主控制芯片选择及其外围电路设计，包括驱动电路、反馈电路、脉宽和频率调制电路、保护电路3 开关电源保护电路设计4 用 PROTEL 或其他软件绘制电路原理图。开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法，在本系统中，我们先通过对单片开关电源的主电路拓扑结构的分析，并结合系统的技术参数，确定系统的主电路拓扑，设计出主电路；然后，通过用 Saber 软件对系统的动态中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 56 页性能进行仿真分析，并结合系统的具体情况，设计出滤波、整流、软启动和保护控制部分。2 单片开关电源的工作原理2.1 单片开关电源的基本原理单片开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。其基本构成图如图 2.1 所示。 图 2.1 单片开关电源基本原理图单片开关电源的基木框图如图 2.1 所示，主要由以下 7 部分构成:输人整流滤波器，包括整流桥 BR 和输人滤波电容器 C1；单片开关电源(TOPSwitch-II 系列产品)，内含功率开关管（MOSFET）和控制器（含振荡器、基准电压源、误差放大器和 PWM 比较器） ，MOSFET 的漏极、源极和控制端分别为 D、S 和 C；漏极钳位保护电路（VD Z1、VD 1） ；高频变压器(T)；输出整流滤波器(VD2、C 2)；光藕反馈电路（稳压管 VDZ2、电阻 R 及光藕合器） ；偏置电路(VD3、G 3)，给光耦合器的光敏三极管提供偏压。以全桥式变换器单片开关电源为例，图 2.2 表示了交流输入电压到最后输出中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 56 页所需直流电压的各环节电压波形变换流程 12。输入整流滤波 AC-DC 变换 高频变压 输出整流滤波图 2.2 整流变压过程2.2 开关变换器单片开关电源的主要部分是 AC-DC 变换器，它是转换的核心，涉及频率变换,也常称开关整流器.它不单是整流的意义，而且整流后又作了 DC-DC 变换，离线是指变换器中有高频变压器隔离。以下为各种隔离式直流开关变换器的工作原理:1、单端反激型开关电源变换器图 2.3 所示为单端反激型开关电源的主回路，当功率晶体管 T 导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压 U，其极性为上正下负。与之对应的高频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管 D 承受的是反向偏置电压，故不导通。负载 R:上的电流是靠输出电容 Co 的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来，而在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变。整流二极管 D(和反相型开关电源中的续流二极管相对应)由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容 C。充电。此电路的整流二极管 D 是在功率晶体管截止时才导通的。故称此电路为反激型电路。图 2.3 单端反激型开关电源主回路2、正激变换器图 2.4 所示为单端正激型开关电源的主回路。当功率晶体管 T 导通时，整流中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 56 页二极管 D1 也同时导通。输入电能通过整流二极管 D1 传递给负载，同时将部分能量储存在输出回路(即高频变压器副边回路)中的储能电感 L 中，故这种开关电源称为单端正激型开关电源。当功率晶体管 T 截止时，电感 L 中的储能流经负载并通过二极管 D2 续流释放。图 2.4 单端正激型开关电源主回路3、多端式变换器多端式变换器的主要回路最基本的有以下三种:推挽、半桥、全桥。如图 2.5 所示:a. 推挽式开关电源主回路b. 推挽式开关电源主回路中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 56 页c. 全桥式开关电源主回路图 2.5(a，b，c)为多端变换器根据设计要求，输出为多路输出，我们的主回路选用单激式 13。2.3 控制电路控制电路的控制方式是开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证，在图 2.1 的原理框图中反馈回来所接的部分为控制部分电路。开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制(TRC)方式。这种方式又大致分为三大类:1、脉冲宽度调制(Pulse width modulation 简称 PWM)方式。它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定。2、脉冲频率调制(Pulse frequency Modulation 即 PFM)方式，它采用脉冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。3、混合调制方式，即前二者兼而有之的方式，既控制脉冲宽度，又改变脉冲频率，用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。目前，以脉宽调制 PWM 应用最多。图 2.6 是脉宽调制器的基本原理图。图 2.6 PWM 内部原理图中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 56 页基准电压:芯片内大部分电路由它供电，同时，兼作误差放大器的基准电压输入。振荡器:由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，振荡频率由外接 RC元件所决定，频率 f=I /RC。误差放大器:将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端。脉宽调制器:输入为误差放大器输出。输出分两路，一路送给门电路，另一路送给振荡器输入端。门电路:门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。分频器:将振荡器的输入分频后输出，控制门电路输出脉冲的频率。从总体上说，开关电源的控制电路还包括过压、过流保护、均流控制等 14。3 开关电源的分析方法Buck 变换器是一种基本的 PWM 变换器，又称为降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。线路组成如图 3.1 所示。电路完成把直流电压 Vs 转换为直流电压 Vo 的功能。图 3.1 Buck 变换器为分析稳态特性，简化推导公式的过程，作如下假定:(1)开关晶体管、二极管均是理想元件。即导通时压降为零，截止时漏电流为零。(2)电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。(3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 56 页（a） （b）图 3.2 变换器工作原理图(a,b)1、电路的工作过程当开关晶体管 Tr 导通时，如图 3.2a 所示，电流 IS=IL 流过电感线圈 L,在电感线圈未饱和前，电流线性增加，在负载 R 上流过电流 Io，两端输出电压 Vo，极性上正下负。当 ISIo 时，电容 C 在充电状态。此时二极管 D1 承受反向电压;当开关晶体管 Tr 截止时，如图 3.2b 所示，由于线圈 L 中的磁场将改变线圈 L 两端的电压极性，以保持其电流 IL 不变，负载 R 两端电压仍是上正下负。在 ILUZ2+UF+UR 时，所产生的误差电压 就令 LED 上的电流 IF 上升，经过光)(r RFZ藕合器使接收管的发射极电流 IE 上升，进而使 TOPSwitch -II 的控制端电流 Ic 上升，占空比 D 下降，导致 Uo 下降，从而实现了稳压目的。反之，U o 下降，I F 下降，IE 下降，I C 下降，D 上升，U o 上升同样能起到稳压作用 17。4.2 外围保护电路的设计4.2.1 输入保护电路的选择中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 56 页输入电路采用由熔丝管构成的输入保护电路。熔丝管俗称保险管，符号为FU，是用铅锡合金或铅锑合金材料制成的，具有熔点低、电阻率高及熔断速度快的特点。正常情况下熔丝管在开关电源中起到连接输人电路的作用。一旦发生过载或短路故障，使通过熔丝管的电流超过熔断电流，熔丝就被熔断，将输人电路切断，从而起到过电流保护作用 17。其基本构成如图 4.2 所示：4.2 熔丝管4.2.2 电磁干扰滤波器的设计 电磁干扰滤波器（EMI Filter)亦称电源噪声滤波器 (Power Noise Fitle，英文缩写为 PF )，是近年来被推广应用的一种组合器件，其符合电磁兼容特性（EMC）的要求，是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引人的外部电磁十扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模干扰和共模干扰都起到抑制作用。因其能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗于扰能力及系统的可靠性，被广泛应用于开关电源、电子测量仪器、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，便于推广应用。图 4.3 EMI 滤波器的基本电路中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 26 页 共 56 页图 4.4 EMI 滤波器的分解简易 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，内部包含两个单级式 EMI 滤波器，后者抑制电网噪声的效果更好。如 4.3 图为简易 EMI 滤波器的设计，图 4.4 为 EMI 滤波器的分解。如图 4.3 中，C1 和 C2 采用薄膜电容器，容量范围大致是 0.010.47uF，主要用来滤除串模干扰。C3 和 C4 跨接在输出端，并将电容器的中点接通大地，能有效地抑制共模十扰。C3 和 C4 的容量范围是 2200pF0.1uF。为减小漏电流，电容器量不宜超过 0.1uF ,C1C4 的耐压值均为 630VDC 或 250VAC18。4.2.3 漏极钳位保护电路钳位保护电路主要有以下 4 种设计方案(电路见图 4.5):（a） （b）（c） （d）图 4.5 漏极钳位保护电路中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 27 页 共 56 页(1)利用瞬态电压抑制器 TVS(P6KE200)和阻塞二极管(超快恢复二极管UF40- 05)组成的 TVS、 VD 型钳位电路，如图 4.5（a）所示。图中的 NP、N s 和Nb 分别代表一次绕组、二次绕组和偏置绕组，但也有的开关电源用反馈绕组 NF来代替偏置绕组 NB。(2)利用阻容吸收元件和阻塞二极管组成的 R、C、VD 型钳位电路，如图4.5（b）所示。（3）由阻容吸收元件、TVS 和阻塞二极管构成的 R、C 、 TVS、VD 型钳位电路，如图 4.5（c）所示：（4）由稳压管（VDZ） 、阻容吸收元件和阻塞二极管（快恢复二极管 FRD）构成的 VDZ、 R、C、VD 型钳位电路，如图 4.5（ d） 。上述方案中以（3）的保护效果最佳，它能充分发挥 TVS 响应速度极快、可承受瞬态高能量脉冲之优点，并且还增加了 RC 吸收回路。鉴于压敏电阻器(VSR)的标称击穿电压值(U1mA)离散性较大，响应速度也比 TVS 慢很多，在开关电源中一般不用它构成漏极钳位保护电路。需要指出，限塞二极管一般可采用快恢复或超快恢复二极管。但有时也专门选择反向恢复时间较长的玻璃钝化整流管 VDS(1N 4005GP，其目的是使漏感能量能够得到恢复，以提高电源效率。玻璃钝化整流管的反向恢复时间介于快恢复二极管与普通硅整流管之间，不得用普通硅整流管 IN4005 来代替 IN4005GP19。4.2.4 开关电源的过热保护电路当芯片的工作温度达到最高结温（亦称热关断温度）T jM 时，开关电源立即关断输出，防止因过热而损坏芯片。过热保护电路的基本原理如图 4.6 所示。这里的稳压管 VDZ 实际上是利用硅晶体管发射结 (E-B)的反向击穿电压作基准电压UREF 的。此法能获得 5.87V 基准电压值，该基准电压具有正的温漂，发射结反向击穿电压的温度系数 ，及环境温度每升高 1，U REF 大约增加CmVT/5.33.5mV。NPN 型静休管 VT 作温度传感器使用。R 1 和 R2 为基极偏置电阻将 VT 放置在靠近功率级（即调整管）的位置，以便感知调整管的温度。NPN 型晶体管的发射结电压 UBE 具有负的温度系数， ，即环境温度每升高 1，U BECVT/.2a就下降 2.1mV。常温下由 UBE 远低于 NPN 管的开启电压，因此 VT 截止。若由于中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 28 页 共 56 页某种原因（过载或环境温度升高） ，使芯片温度升到最高结温(T jM)时，VT 导通，功率级驱动电流就被 VT 分流，使负载电流减少甚至完全被切断，从而达到了过热保护之目的。为防止当 T=TjM 时因结温发生波动而使过热保护电路频繁地动作，提高保护电路的可靠性，过热保护电路一般都具有热滞后特性，如图 4.7 所示。一旦芯片温度 T 达到或超过最高结温 TjM 时，开关电源立即被关断。但是当芯片温度刚低于 TjM 时开关电源仍处于关断状态，而必须降至安全温度 Tj 时才重新启动开关电源。T j 一般要比 TjM 低 20 一 75，具体数值视芯片型号而定。这表明过热保护电路具有滞后温度(亦称热关断迟滞温度)，用 TSYHT 表示， 。例如，jjTMSYHTTOPSwitch -HX 系列五代单片开关电源的热关断温度 (典型值)，滞C142后温度 。.上述迟滞特性与数字电路中的施密特触发器有相似之处 20。CTSYH754.6 过热保护电路的基本原理 图 4.7 热滞后特性4.3 输入滤波电容 CIN及最大占空比 DMAX的计算由输入的电压为宽范围 185250V 输入，得交流最小输入电压为 185V，假设波纹电压为 8%，则可推出直流最低输入电压为： 240V%941.85minIV输入滤波电容 CIN为：中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 29 页 共 56 页（4.3.1）（ 2Im0)tf1(inaciLOINUPC取 为 0.8，将各已知数据代入，取 CIN为 150uF查表得：初级管应电压 VOR=135V,钳位二极管反向击穿电压VB=200V。MOSFET 管的漏源极间电压 VDS(ON) 21。得出最大占空比为：（4.3.2）37.0%10-)(minONDSIORMAXD4.4 反激式降压变压器的计算过程1、变压器设计步骤：由于本单片开关电源是采用反激的电路拓扑结构，故变压器按反激变压器进行设计。具体步骤如下：（1）决定电源参数。（2）计算电路参数。（3）选择磁芯材料。（4）选择磁芯的形状和尺寸。（5）计算变压器匝数、有效气隙电感系数及气隙长度。（6）选择绕组线圈线径。2、设计过程：（1）电源参数如表 4.1：（有些参数为指标给定，有些从资料查得）表 4.1 电源参数最小交流输入电压值 Vacmin= 185 V最大交流输入电压值 Vacmax= 250 V电网频率 FL= 5000 Hz变压器工作频率 FS 6000 Hz输出电压/电流 VO/IO= 5/0.5、12/1、24V/1.5 V/A输出功率 PO= 62.5 W电源整机效率 0.80损耗分配因数 Z= 0.5中 北 大 学 30 届 毕 业 设 计 说 明 书第 30 页 共 56 页整流桥的导通时间 tc= 3 ms输入电容容量 CIN= 150 uF最大占空比 DMAX= 0.37电流比例因数 KRP= 0.8（2）估算输入功率、输入电压、输入电流和峰值电流估计总的输出功率： WIUPOO5.62输入功率： 1.78In最高输入电压： VDCACV3544.acmximax原边平均输入电流： PIING32.0in原边峰值电流： AKMXRPAVGP.1)/(1取 KRP 的值为 0.5 由 IP 和 IR 的比例关系推出 IR 下式:原边脉动电流： P6.0