小功率开关电源设计.doc

河南理工大学毕业设计 论文 说明书 I 摘要摘要 随着电子设备的飞跃发展 电子系统的心脏 电源也得到了迅速的发展 并对其要求越来越高 开关电源被誉为高效节能电源 它具有稳压范围宽 功 率密度比大 重量轻等优点 同时它在开关管上较少的能量损耗使它与线性电 源相比 具有较高的效率 最高效率可达90 以上 从而使它在移动便携式设 备中得到了广泛的应用 因此开展开关电源项目研究具有重要意义 目前开关电源正向集成化 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 设计出一种实用的单路输出精密 通用式开关稳压电源 可用作半导体激光器驱动电源中的精密电压源 该设计由五个模块电路构成 输入整流滤波 功率转换电路 高频变换器 输出整流滤波和控制电路 该电源共使用3片集成线路 TOP249Y6端单片开关电 源 IC1 线性光耦合器PC817A IC2 可调式精密并联稳压器TL431 IC3 对 该电源的滤波 整流 反馈 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宝贵经验 掌握了单片开关电源设计的核 心技术 关键词单片开关电源 脉宽调制 高频变压器 纹波 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 II Abstract With the rapid development of electronic equipment electronic system of the heart the power has been rapid development and its increasingly high demand Known as energy efficient switching power supply it has wide voltage range power density than large light weight etc while it is switch it on less energy consumption compared with the linear power supply with high efficiency maximum efficiency of more than 90 making it portable devices in mobile has been widely used to carry out switching power supply projects therefore important to study Toward the present switching power supply is integrated intelligent direction highly integrated powerful single rose on the power of today s switching power supply represents the mainstream of development direction This paper focus on the popular single chip switching power supply chip for a small switching power supply of the study design a practical single output precision universal regulated switching power supply laser diode driver can be used in the precision voltage source The design consists of five modules circuits input rectifier filter power conversion circuits high frequency converters output rectifier filter and control circuit The power of integrated circuits using 3 TOP249Y6 end chip switching power supply IC1 linear opt coupler PC817A IC2 adjustable precision shunt regulator TL431 IC3 The power supply filtering rectification feedback starting and protection circuits were made by careful research and through trial and obtained valuable experience in designing high frequency transformer single chip switching power supply design mastered the core technology Key words single chip switching power supply PWM high frequency transformer ripple 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 III 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 1 前言 1 1 1 引言 1 1 2 单片开关电源的发展历史 1 1 3 单片开关电源的发展趋势和新技术 3 1 3 1 绿色节能 型开关电源 3 1 3 2 模块化的开关电源 3 1 3 3 高频化的开关电源 4 1 3 4 智能数字化的单片开关电源 4 1 4 开关电源的工作原理和电路基本分类 5 1 4 1 开关稳压电源的基本工作原理 5 1 4 2 开关电源电路的基本分类 6 1 5 本论文设计的意义及内容 9 1 5 1 设计意义 9 1 5 2 设计要求 10 2 单片开关电源的工作原理和分类 11 2 1 单片开关电源的工作原理 11 2 2 1 单片开关电源的基本工作原理 11 2 1 2 单片开关电源的工作模式 12 2 1 3 单片开关电源的基本反馈电路 13 2 2 单片开关电源的分类及主要特点 14 2 3 单片开关电源芯片的性能特点 15 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 IV 2 4TOP249Y的工作原理与应用 16 2 4 1 TOP249Y 的管脚功能 16 2 4 2 TOP249Y 的内部结构 17 3 方案原理与论证 18 3 1 整流滤波电路 18 3 2 高频变压器 18 3 3 开关电源的选用 19 3 3 1 输出电流的选择 19 3 3 2 保护电路 19 3 4 电源技术发展的基础 功率器件 20 3 4 1 开关管 20 3 4 2 磁性元件 20 3 4 3 磁集成技术的发展和应用 20 4 小功率开关电源的电路设计 23 4 1 输入整流滤波电路 24 4 2 箝位保护电路 25 4 3 高频变压器 26 4 3 1 单片开关电源高频变压器的参数计算 26 4 3 2 高频变压器绕制设计的要点的注意事项 30 4 4 输出整流滤波电路的设计 30 4 5 反馈回路的设计 31 4 6 外围控制电路设计 33 5 开关电源电子设备的电磁兼容 35 5 1 电磁干扰的来源 35 5 2 电磁兼容性设计的基本原理 36 5 2 1 接地设计 36 5 2 2 滤波设计 36 5 2 3 屏蔽设计 37 6 测试结果与分析 38 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 V 6 1MATLAB 的简介 38 6 2 基于 SIMULINK的电路仿真 38 7 总结与展望 43 7 1 总结 43 7 2 展望 43 致谢 45 参考文献 46 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 1 1 1 前言前言 1 11 1 引言引言 随着PWM技术的不断发展和完善 开关电源得到了广泛的应用 以往开关电 源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构 但这种方案存在成本 高 系统可靠性低等问题 美国功率集成公司 POWER Integration Inc 开发 的TOP Switch 系列新型智能高频开电源集成芯片解决了这些问题 该系列芯片 将自启动电路 功率开关管 PWM控制电路及保护电路等集成在一起 从而提高 了电源的效率 简化了开关电源的设计和新产品的开发 使开关电源发展到一个 新的时代 文中介绍了一种用TOP Switch 的第三代产品TOP249Y开发变频器用 多路输出开关电源的设计方法 1 1 2 2 单片开关电源的发展历史单片开关电源的发展历史 开关电源以其效率高 体积小和重量轻等优点 在许多领域正日益取代线性 稳压电源 随着集成电路技术的发展 开关电源不仅实现了控制电路的集成 而 且向单片开关电源集成的方向发展 早在70年代 随着电子技术的不断发展 集成化的单片开关电源就已被广泛地应用于电子计算机 彩色电视机 卫星通 信设备 程控交换机 精密仪表等电子设备 开关电源SPS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 开关电源SPS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 工作在高频开关状态 它所消耗的能量很低 电源效率可达85 90 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 20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源 70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70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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 2 生 目前开关频率已20kHz左右提高到几百千赫兹至几兆赫兹 与此同时 新电 磁材料 新变换技术 新型电子元器件 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高 外围电路简单 通过输入整流滤波器 适配 85 265V 47 440Hz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 体积和重量大为减小 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 也为新型开关电源的推广和普及创造了条件 近20多年 来 集成开关电源的发展方向有两个 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 1977年国外首先研制成脉宽调制 PWM 控制器集成电路 美国Motorola公司 公司等相继推出一批PWM芯片 其典型产品SiliconGeneral 有MC3520 SG3524和UC3842 90年代以来 国外又研制出开关频率达1MHz的高 速PWM PFM 脉冲频率调制 芯片 典型产品如UCl825 UCl864 第二个方向则 是对中 小功率开关电源实现单片集成化 目前 单片开关电源已形成了几十 个系列 数百种产品 1994年 美国电源集成公司 Power Integrations 简称 PI 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AC DC 电源变换器 其第一代产品为1994年问世的系列 第二代产品是TOPSwitch 1997年问世的 II系列 第三代和第四代产品是在2000 2002年先后TOPSwitch 推出的 FX GX系列单片开关电源 这种电源最大输出TOPSwitchTOPSwitch 功率可达290W 此外 该公司于2006 2007年新推出了系列 PeakSwitch PK系列峰值功率输出型单片开关电源集成电路 荷兰飞利浦TinySwitch Philips 公司于2000年研制成功TEAl510 TEAl520系列单片开关电源 其中 TEAl524的最大输出功率为50W 该公司还开发出 TEAl50l TEAl504 TEAl562 TEAl563 TEAl564 TEAl565 TEAl566和 TEAl569等型号的单片开关电源 最大输出功率可达125W 美国安森美半导体公 司在1998 2001年期间 也相继开发出NCPl000 NCPl050系列单片开关电源 最大输出功率为40W 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 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 3 1 1 3 3 单片开关电源的发展趋势和新技术单片开关电源的发展趋势和新技术 单片开关电源自20世纪90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 最简外围电路 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 环保 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 1 3 1 3 1 绿色节能绿色节能 型开关电源型开关电源 许多电子设备 往往会变成对电网的污染源 向电网注入严重的高次谐波 电流 使总功率因数下降 使电网电压耦合许多毛刺尖峰 甚至出现缺角和畸 变 单片开关电源设计的绿色化是指 低功耗 节能型单片开关电源集成电路 这意味着发电容量的节约和环境污染的减少 现代电子技术是开关电源技术发展的基础 随着新型电子器件和适于更高 开关频率的电路拓扑的不断出现 现代电源技术将在实际需要的推动下快速发 展 在传统的应用技术下 由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到 影响 为了极大发挥各种功率器件的特性 使器件性能对开关电源性能的影响 减至最小 新型的单片开关电源电路拓扑和新型的控制技术 可使功率开关工 作在零电压或零电流状态 从而可大大的提高工作频率 提高开关电源工作效 率 设计出性能优良的集成开关电源 1 3 21 3 2 模块化模块化的开关电源的开关电源 模块化有两方面的含义 其一是指功率器件的模块化 其二是指电源单元的 模块化 我们常见的器件模块 含有一单元 两单元 六单元直至七单元 包括 开关器件和与之反并联的续流二极管 实质上都属于 标准 功率模块 SPM 由于频率的不断提高 致使引线寄生电感 寄生电容的影响愈加严重 对器件造 成更大的电应力 表现为过电压 过电流毛刺 另外 大功率的开关电源 由于 器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑 一般采用多个独立的模块单 元并联工作 采用均流技术 所有模块共同分担负载电流 一旦其中某个模块失效 其 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 4 它模块再平均分担负载电流 为了提高设计的可靠性 有些制造商开发了 用户 专用 功率模块 ASPM 它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一 个模块中 使元器件之间不再有传统的引线连接 这样的模块经过严格 合理的 热 电 机械方面的设计 达到优化完美的境地 它类似于微电子中的用户专 用集成电路 只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片 再把整个模块固定 在相应的散热器上 就构成一台新型的开关电源装置 由此可见 开关电源模块 化有以下优点 分布式供电具有节能 高效经济 维护方便 可靠性高等优点 适用于低损耗 超高速型集成电路低电压电源的供电要求 当需要大功率输出时 可用小功率模块及控制集成电路做基本部件 组成积 木式智能化大功率供电电源 其优点是减轻了对大功率元器件的研制压力 1 3 31 3 3 高频化高频化的开关电源的开关电源 高频化是缩小电源体积 减轻重量 提高功率密度的重要技术途径 高频 化还可以使开关电源的动态响应得到改善 小功率DC DC变换器的开关频率将 由目前的200 300kHz提高到1MHz以上 功率密度也将由每立方英寸50瓦提高到 100瓦以上 因此功率电子器件工作频率上限的逐步提高 促使许多原来采用电 子管的传统高频设备固态化 带来显著节能 节约材料的经济效益 更可体现技 术含量的价值 1 3 41 3 4 智能数字化的单片开关电源智能数字化的单片开关电源 近年来高性能的微处理器MCU Micro Computer Unit 及数字信号处理DSP控 制器的出现 使开关电源的全数字智能控制成为现实 数字智能控制的功率因 数校正电源 PFC 不问断电源 UPS 有源滤波器 APF 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 UPS电源的电池充放电管理等 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 5 1 1 4 4 开关电源的工作原理和电路基本分类开关电源的工作原理和电路基本分类 1 1 4 4 1 1 开关稳压电源的基本工作原理开关稳压电源的基本工作原理 开关电源主要包括输入电网滤波器 输入整流滤波器 变换器 输出整流 滤波器 控制电路 保护电路 它们的功能是 输入电网滤波器 消除来自电网 如电动机的启动 电器的开关 雷击等 产生的干扰 同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散 输入整流滤波器 将电网输入电压进行整流滤波 为变换器提供直流电压 变换器 是开关电源的关键部分 它把直流电压变换成高频交流电压 并且起 到将输出部分与输入电网隔离的作用 输出整流滤波器 将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流 电压 同时还防止高频噪声对负载的干扰 控制电路 检测输出直流电压 并将其与基准电压比较 进行放大 调制 振荡器的脉冲宽度 从而控制变换器以保持输出电压的稳定 保护电路 当开关电源发生过电压 过电流短路时 保护电路使开关电源 停止工作以保护负载和电源本身 开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种 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 1所示 1OM UUTT 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 6 开关稳压电源的电路原理框图如图I 2所示 交流电 AC 经整流滤波电 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 1 4 21 4 2 开关电源电路的基本分类开关电源电路的基本分类 根据开关器件在电路中连接的方式 开关电源可分为 串联式开关电源 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 7 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 1 单端正激式开关电源 所谓正激式变压器开关电源 是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时 变压器的次级线圈正好有功率输出 如图1 1所示 图1 3单端正激式开关电源 正激式开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性 相对来说 比较好 因此 工作比较稳定 输出电压不容易产生抖动 但是正激式变压器 开关电源正激式开关电源有一个最大的缺点 就是在控制开关关断的瞬间开关 电源变压器的初 次线圈绕组都会产生很高的反电动势 这个反电动势是由流 过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的 极易对电路和元器件造 成危害电路 另外它的结构相对复杂 体积也较大 因此这种电路的实际应用 较少 2 单端反激式开关电源 所谓反激式变压器开关电源 是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激 励时 变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出 而仅在变压器初级线圈的 激励电压被关断后才向负载提供功率输出 这种变压器开关电源称为反激式开 关电源 如图1 2所示 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 8 图1 4单端反激式开关电源电路 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 20 100W 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 3 单激式开关稳压电源 所谓单激式变压器开关电源 是指开关电源在一个工作周期之内 变压器 的初级线圈只被直流电压激励一次 一般单激式变压器开关电源在一个工作周 期之内 只有半个周期向负载提供功率 或电压 输出 如图1 3所示 图1 5单激式开关稳压电源 单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的 激式变压器的体积大 因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 9 线的单端 磁回路曲线变化的面积很小 4 双激式变压器开关电源 所谓双激式变压器开关电源 就是指在一个工作周期之内 变压器的初级 线圈分别被直流电压正 反激励两次 与单激式变压器开关电源不同 双激式 变压器开关电源一般在整个工作周期之内 都向负载提供功率输出 如图1 4所 示 双激式变压器开关电源输出功率一般都很大 因此 双激式变压器开关电 源在一些中 大型电子设备中应用很广泛 这种大功率双激式变压器开关电源 最大输出功率可以达300瓦以上 甚至可以超过1000瓦 1 51 5 本论文设计的意义及内容本论文设计的意义及内容 1 5 11 5 1 设计意义设计意义 随着PWM技术的不断发展和完善 开关电源得到了广泛的应用 以往开关电 源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构 但这种方案存在成本 高 系统可靠性低等问题 美国功率集成公司 POWER Integration Inc 开发 的TOP Switch 系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题 该系列芯 片将自启动电路 功率开关管 PWM控制电路及保护电路等集成在一起 从而提 高了电源的效率 简化了开关电源的设计和新产品的开发 使开关电源发展到一 个新的时代 目前 开关电源以小型 高频 高可靠 低耗 低噪声 抗干扰 模块化 轻量和高效率等特点被誉为高效节能电源 现已成为稳压电源的主导产品 当 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 10 今开关电源正向着集成化 智能化的方向发展 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 主要采用六端单片开 关电源芯片TOP249Y作为核心为前级稳压器 以最大程度提高电源电源效率 设计了一种单路输出通用型精密开关稳压电源 该电源可用作半导体激光器驱 动电源中的精密电压源等 1 5 21 5 2 设计要求设计要求 1 范围 Uo 19V o U 2 最大输出电流 4A maxo I 3 额定输出功率 Po 70W 4 负载调整率 S 4 5 输出纹波电压峰 峰值120mV opp U 6 电源的效率 T85 85V 时 T 85 230 时 T 90 O U O U 7 具有过流保护功能 8 U 230V 时的空载功率消耗 P 0 50W 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 11 2 2 单片开关电源的工作原理和分类单片开关电源的工作原理和分类 2 12 1 单片开关电源的工作原理单片开关电源的工作原理 2 2 12 2 1 单片开关电源的基本工作原理单片开关电源的基本工作原理 目前生产的单片开关电源主要有 TOPSwitch ii tny256 mc33370和 ex六大系列 TOPSwitchTinySwitchTOPSwitch 此外 还有l4960系列 l4970 l4970a系列单片开关式稳压器 共八大系列 80 余种型号根据引出端的数量 可划分成三端 四端 五端 多端4种类型 下 面以美国PI公司生产的系列的产品为例 介绍单片开关电源的基本TOPSwitch 原理和典型应用 系列单片开关电源的典型应用电路如图2 1所示 高频变压器在TOPSwitch 电路中具各能量存储 隔离输出和电压变换3大功能 由图可见 高频变压器初 级绕组的极性 同名端用黑点表示 恰好与次级绕组 反馈绕组的 P N S N F N 极性相反 这表明在导通时 电能就以磁场能量形式存储在初级绕TOPSwitch 组中 此 时VD2截止 当截止时 VD2导通 能量传输给次级 此即TOPSwitch 反激式开关电源的特点 图中 BR为 整流桥 CIN为输人端滤波电容 交流电压 u经过整流滤波后得到直流高压UI 经过初级绕组加至的漏极上 鉴TOPSwitch 于在关断时刻 由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高TOPSwitch 压UI 和感应电压UOR上 可使功率开关管的漏极电压超过700v而损坏芯片 为 此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路 钳位电路由瞬态电压抑制器或 稳压管 VDZ1 阻尼二极管 VD1 组成 VD1宜采用超快恢复二极管 SRD VD2为次级整流管 COUT是输出端滤波电容 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 12 该电源的稳压原理简述如下 反馈绕组电压经过 整流滤波后获得 3D V F C 反馈电压知 经光耦和器中的光敏三极管给的控制端提供偏压 FB VTOPSwitch 是控制端C的旁路电容 设稳压管的稳定电压为 限流电阻两端的 T C 2DZ V 2Z V 1 R 压降为 光耦和器中LED发光二极管的正向压降为 输出电压可表示为 R V F V O V 当由于某种原因 如交流电压升高或负载变轻 致使升高时 O V 2Z V F V R V O V 因不变 故就随之升高 使LED的工作电流后增大 再通过光耦合器使 2Z V F V 的控制端电流增大 但因TOP的输出占空比D与成反TOPSwitch C ITOPSwitch C I 比 故D减小 这就迫使降低 达到稳压目的 反之 O V O V F V F I D 同样起到稳压作用 由此可见 反馈电路正是通过调节 C I O V 的占空比 使输出电压趋于稳定的 TOPSwitch 2 1 22 1 2 单片开关电源的工作模式单片开关电源的工作模式 开关以一定的时间间隔重复地接通和断开 开关接通时 输入电源通过开 关和滤波电路提供给负载 在整个开关接通期间 电源向负载提供能量 开关 断开时 输入电源便中断了能量的提供 按时间比率控制原理 单片开关电源 可分三种工作方式 a 脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 缩写为 PWM 开关的周期 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 13 是恒定 只是通过改变脉冲宽度来改变占空比 b 脉冲频率调制 Pulse Frequency Modulation 缩写为 PFM 开关的 导通脉冲宽度为恒定值 改变开关工作频率使占空比变化 c 脉宽频率混合调制 脉冲宽度和开关工作频率均不固定 彼此都能改变 它是以上 a b 二种方式的混合 2 1 32 1 3 单片开关电源的基本反馈电路单片开关电源的基本反馈电路 单片开关电源的基本反馈电路有四种 a 基本反馈电路 b 改进型基 本反馈电路 c 配稳压管的光耦反馈电路 d 配TL431的精密光耦反馈电路 它们的简化电路如图2 1 2所示 a 基本反馈电路 其优点是电路简单 成本低廉 适于制作小功率 经济 型开关电源 其缺点是稳压性能较差 电压调整率 1 5 2 负载 V S 调整率S 5 b 改进型基本反馈电路 只需增加一支稳压管和电阻 即可使负载 DZ V 1 R 调整率达到 2 的稳定电压一般为22V 需相应增加反馈绕组的匝数 DZ V 以 获得较高的反馈电压 满足电路的需要 FB V c 配稳压管的光耦反馈电路 由提供参考电压 当发生波动时 DZ V Z V O V 在LED上可获得误差电压 因此 该电路相当于给增加一个外部误差TOPSwitch 放大器 再与内部误差放大器配合使用 即可对进行调整 O V d 配TL431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TL431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 本论文采用配TL431的 O V 精密光耦反馈电路设计单片开关电源电路 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 14 2 22 2 单片开关电源的分类及主要特点单片开关电源的分类及主要特点 目前生产的单片开关电源主要有 TOPSwitchTOPSwitch II TinySwitch TNY256 MC33370 top249y几大系列 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 1 1 TOPSwitch属于三端单片开关电源的第一代产品 它首PI公司次将PWM控 制系统的全部功能集成在芯片中 三个弓l出端分别为控制端c 源极S 漏极 D 能构成60W以下无工频变压器的隔离式开关电源 TOP Switch II是三端单 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 15 片开关电源的第二代产品 内部功率开关管的耐压值均提高到700V 适宜构成 1997年 150W以下的普通型和精密型开关电源及电源 2 2 TinySwitch属于四端小功率 低成本单片开关电源 比PI公司TOP Switch增加了使能端EN 利用此端可从外部关断功率MOSFET 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PWM调 制器 并可等效为脉冲频率调制器PFM 其外围电路简单 适宜构成10W以下的 电池充电器 电源适配器和待机电源 3 3 TOPSwitch FX属于五端单片开关电源 具有多功能 使用灵活 效率高 等优点 与 II相比 主要增加了下述功能 从外部可设定极限电TOPSwitch 流值 线路欠压检测 过压保护 频率抖动 半频选择 遥控开 关 其性能 优于MC33370系列 适配晶体管和光耦和器 对开关电源进行遥控 在构成彩色 喷墨打印机 撒光打印机 机 页盒电源时 能用微控制器来控制开关电源的通 断 2 32 3 单片开关电源芯片的性能特点单片开关电源芯片的性能特点 单片开关电源芯片是美国 PI 公司于上世纪 90 年代中期推出的TOPSwitch 新型高频开关电源芯片 它是三端离线式 PWM 开关 Three Terminal 0ffLine PWM Switch 的缩写 被誉为 顶级开关电源 其特点是将高频开关电源中 的 PWM 控制器和 M0SFET 功率开关管集成在同一芯片上 这一产品问世后 便 显示出了强大的生命力 被广泛应用于仪表测量器 显示器 手机充电器 精 密试验用电开关等各种领域 形成了一种小功率 高效 轻巧 低成本开关电 源模式 同时因为其简易的设计方法 使得芯片在应用中更显出超TOPSwitch 前的优势 应用该芯片设计的开关电源 具有效率高 体积小以及外围电路简 单等优点 可以预见 应用系列芯片所设计的单片开关电源必将在TOPSwitch 更广泛的领域得到应用 本节以 TOP227Y 芯片为例 说明单片开关电源的特点 1 将脉宽调制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 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 反激式开关电源的单片集成化 2 属于漏极开路输出并利用电源来线性调节占空比实现 AC DC 变换 电流 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 16 控制型开关电源 3 输入交流电压和频率的范围很宽 4 只有 3 个引出端 能以最简单方式构成无工频变压器的反激式开关电源 其控制端属于多功能引出端 可完成多种控制 偏置及保护功能 具有连续和 不连续两种工作模式 反馈电路有 4 种基本类型 能构成各种普通型和精密型 开关电源 5 开关频率的典型值为 100kHz 允许范围是 90 110kHz 占空比调节范围 是 1 7 67 6 外围电路简单 仅须接整流滤波器 高频变压器 漏极嵌位保护电路 反馈电路和输出电路 7 因芯片本身功耗很低 电源效率高 可达 80 左右 最高可达 90 8 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 既保留了开关电源体积小 效率高的优点 又具有线性稳压电源稳定性好 纹 波电压低等优良特性 9 采用这种芯片能降低开关电源所产生的电磁干扰 10 其工作温度范围是 0 70 芯片最高结温 Tom 135 2 4top249y2 4top249y 的工作原理与应用的工作原理与应用 2 4 12 4 1 TOP249YTOP249Y 的管脚功能的管脚功能 TOP249Y采用TO 220 7C封装形式 其外形如图1 所示 它有六个管脚 依次为控制端C 线路检测端L 极限电源设定端X 源极S 开关频率选择端F 和漏极D 各管脚的具体功能如下 控制端C 误差放大电路和反馈电流的输入端 在正常工作时 利用控制电流IC 的大小可调节占空比 并可由内部并联调整器 提供内部偏流 系统关闭时 利用该端可激发输入电流 同时该端也是旁路 自 动重启和补偿电容的连接点 线路检测端L 输入电压的欠压与过压检测端 同 时具有远程遥控功能 TOP249Y的欠压电流为50 A 过压电流为 uv I av I 225 A 若L 端与输入端接入的电阻R1 为1M 则欠压保护值为50VDC 过压 保护值为225VDC 极限电流设定端X 外部电流设定调整端 若在X端与源极之间 接入不同的电阻 则开关电流可限定在不同的数值 随着接入电阻阻值的增大 开关允许流过的电流将变小 源极S 连接内部MOSFET的源极 是初级电路的公 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 17 共点和电源回流基准点 开关频率选择端F 当F 端接到源极时 其开关频率为 132kHz 而当F 端接到控制端时 其开关频率变为原频率的一半 即66kHz 漏 极D 连接内部MOSFET的漏极 在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置 电流 2 4 22 4 2 TOP249YTOP249Y 的内部结构的内部结构 TOP249Y的内部工作原理框图如图2 所示 该电路主要由控制电压源 带隙 基准电压源 振荡器 并联调整器 误差放大器 脉宽调制器 PWM 门驱动 级和输出级 过流保护电路 过热保护电路 关断 自动重起动电路及高压电流 源等部分组成 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 18 3 3 方案原理与论证方案原理与论证 3 13 1 整流滤波电路整流滤波电路 目前常用的整流电路有半波整流电路 全波整流电路和桥式整流电路 桥 式整流电路如图3 2 优点是输出电压高 纹波电压较小 整流管所承受的最大 反向电压较低 效率较高 输出滤波电路采用大电容滤波 因此本设计电路采 用桥式整流电路 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 19 图图3 2桥式整流电路桥式整流电路 3 23 2 高频变压器高频变压器 脉冲变压器也可称作开关变压器 或简单地称作高频变压器 随着电源技 术的不断发展 电源系统的小型化 高频化和大功率化已成为一个永恒的研究 方向和发展趋势 因此 研究使用高频率的电源变压器是降低电源系统体积 提高电源输出功率比的关键因素 随着应用技术领域的不断扩展 开关电源的 应用愈来愈广泛 但制作开关电源的主要技术和耗费的精力就是制作开关变压 器的部件 开关高频变压器与普通变压器的区别大致有以下几点 1 电源电压不是正弦波 而是交流方波 初级绕组中电流都是非正弦波 2 变压器的工作频率比较高 通常都在几十赫兹 甚至高达几十万赫兹 在确定铁芯材料及损耗时必须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波 的影响 3 绕组线路比较复杂 多半都有中心抽头 这不仅增大了初级绕组的尺寸 增大了变压器的体积和重量 而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化 本设计采用高频变压器设计电路 3 33 3 开关电源的选用开关电源的选用 单片开关电源在输入抗干扰性能上 由于其自身电路结构的特点 一般的 输入干扰如浪涌电压很难通过 在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源 相比具有较大的优势 单片开关电源作为一种精密的电子集成器件 在选用中 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 20 应注意各项参数指标 3 3 13 3 1 输出电流的选择输出电流的选择 开单片关电源的效率一般可达到 80 以上 故在其输出电流的选择上 应 准确测量或计算用电设备的最大吸收电流 以使被选用的单片开关电源具有高 的性能价格比 通常输出计算公式为 O I I I 式中 开关电源的额定输出电流 O I 用电设备的最大吸收电流 I I 裕量系数 一般取 1 4 1 6 3 3 23 3 2 保护电路保护电路 开关电源保护电路的实质是 当外界发生各种破坏性因素 如负载打火 短路等现象时 保护电源本身不受损坏 另外 当内部电路由于个别器件性能 变坏 或者控制失常而造成开关电源不能正常工作时 如桥路中开关管发生两 管共同导通时 能迅速的使开关电路停止工作 以免引起整个电源灾难性的损 坏 因此在单片关电源设计中必须具有短路 过流 过热等保护电路 应使其 保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配 以避免损坏用电设备或 开关电源 单片开关电源的保护电路可分成两大类 一是芯片内部的保护电路 例如 TOP249y系列中的过流保护电路 过热保护电路 关断 自动重启动电路 前沿 闭锁电路 二是外部保护电路 主要包括过流保护装置 保险管 自恢复保险 丝 熔断电阻器 启动限流保护电路 漏极钳位保护电路 输出过压保护电路 输入欠压保护电路 软启动电路等 3 43 4 电源技术发展的基础电源技术发展的基础 功率器件功率器件 3 4 13 4 1 开关管开关管 功率金属氧化半导体场效应晶体管 Power MOSFET 是当今电源中广泛使 用的开关器件 功率 MOSFET 的工作频率不断提高 以减小器件尺寸和提高功 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 21 率密度 这样就会增加电流变化率 增强了寄生电感的负面作用 导 di dt 致功率 MOSFET 源极和漏极之间产生很高的电压尖峰 这种尖峰电压在器件上 电时更为严重 因为在上电瞬间变压器的初级电感几乎达到漏感的水平 同时 器件的体电容还未完成充电且电感较小 幸好功率 MOSFET 具有一定的抗过压 能力 因此无需外加成本高昂的保护电路 本设计中的核心芯片 top249y 的内 部电路就是采用 MOSFET 关断的 3 4 23 4 2 磁性元件磁性元件 磁性元件是开关电源中的必备元件 随着电子技术的发展和成熟 人们逐 渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件 同时其体积 重量 损耗在整机 中也占相当比例 但磁性元件自身的复杂性使得不能象一般的电子元器件那样 在市面上直接可以选到成品 需要设计者自行设计和选材 这里所说的磁性元 件指绕组和磁心 绕组可以是一个或多个绕组 它是功率传输 电压变换和绝 缘隔离的元件 常作为变压器或电感器使用 因此为减小磁化电流 最好是变 压器原边绕组多些 电感量大些 3 4 33 4 3 磁集成技术的发展和应用磁集成技术的发展和应用 磁集成技术 就是将变换器中的两个或多个分立磁件绕制在一副磁心上 从结构上集中在一起 集中后的磁件被称为集成磁件 通过一定的耦合方式 合理的参数设计 该技术能有效减小磁件体积和损耗 在一定的应用场合还可 减小电源输出纹波 提高输出动态性能 另外 磁集成技术能减少连接端 可 有效减少大电流场合连接端子的损耗 由磁集成技术的概念可以看出 它并非像电力电子技术需要建立在功率半 导体器件的基础之上 而是基于对磁性元件的了解和应用 事实上 磁集成技 术的应用已有70多年的历史 比电力电子技术本身的发展历史还长 1928年提出采用耦合电感滤波电路的专利申请 这就是最早的 G BCrouse IM应用电路 随着对耦合电感研究的深入 人们逐渐认识到耦合电感可被用于 多种变换器来减小电流脉动 从20世纪的70年代到80年代中期 磁集成技术得到了相当的发展 出现了 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 22 较多的磁集成技术的专利 其中以Slobodan 及Gordon Bloom等人的贡献Cuk 较为突出 在70年代末 Slobodan 将磁集成技术成功地应用在变换CukCuk 器 引起人们对磁集成技术的关注 80年代后 Gordon Bloom较系统的总结和 介绍磁集成技术的意义 发展及分析方法 明确指出用磁集成技术抑制电流纹 波可应用于多种变换器 并导出多种IM正激变换器和隔离的IM Boost变换器 20世纪80年代中 磁集成技术的优点虽然得到认可 但除了被用于多路输出 电源外 在其他电源产品上的应用非常有限 主要有以下几个原因限制其应用 设计比较复杂 与DM相比 IM的设计是多磁路设计 难度略大 IM的绕组 结构比较复杂 制作相对困难 用传统的绕制方法 不仅会降低生产效率 而 且不易保证磁件寄生参数的一致性 降低了IM的实用价值 20世纪90年代以后 随着扁平磁件应用的推广 磁件生产自动化程度的提 高 IM的应用变得相对容易 同时 电源的不断发展也对其体积 输出动态性 能 效率等提出了较高的要求 尤其是微处理器的飞速发展对新一代高功率密 度电源提出了更大的挑战 这些都促进了磁集成技术的研究与应用 1997年陈 为将倍流整流电路 Current Double Rectifier CDR 的两个滤波电感和变压器 进行集成 使IM在大电流输出的场合具有了很好的应用价值 这一研究使磁集 成技术成为新的研究热点 这段时期内 磁集成的研究内容从具体电路中的应 用拓宽到IM的新的分析方法 仿真模型的研究 磁集成技术被应用在多种场合 如电压调整模块 Voltage Regulation Module VRM 功率因数校正变换器 谐振变换器等 以减小磁件体积 电流纹波和铁心损耗 目前 磁集成技术的研究内容可分为两大类 磁件等效电路建模方法 磁件等效电路建模方法为研究集成磁件对电路性能 的影响提供分析工具 具体应用 主要解决如何结合具体电路发挥磁集成技术的优点 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 23 4 小功率开关电源的电路设计小功率开关电源的电路设计 本设计利用TOP249Y设计了一种通用型单路输出精密开关电源 其输出为 19V 3 6A 70W 外围电路可分为输入整流滤波电路 箝位保护电路 高频 变压器 输出滤波电路及反馈电路五部分组成 如图4 1所示 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 24 图4 1小功率开关电源主电路 主电路采用