单片开关电源的设计毕业论文.doc

目录0 引言11开关电源的发展和趋势21.1 XXXX3 1.1.1 XXXX31.1.2 XXXX51.2 XXXX 101.2.1 XXXX 112 XXXX 15 2.1 XXXX 15 2.1.1 XXXX 16N-1 结束语 29N 致谢 30参考文献31附录A 3220W单片开关电源的设计摘要：本文介绍了一种采用TOP224P控制芯片设计的20W开关电源的方法，同时介绍了TOP224P芯片的内部结构及工作原理，给出了20W开关电源的设计电路，并对外围电路的设计进行了分析说明。关键词：开关电源；TOP224P；TOP Switch0 引言 近年来，随着电子信息产业的飞速发展，我国已成为世界上生产开关电源及电源模块的大国。开关电源以其低损耗、高效率等显著优点而深受人们的青睐，并被广泛用于计算机设备、电子仪器、通信设备和家用电器中。目前开关电源正朝着短、小、轻、薄单片集成化、智能化、高效节能、绿色环保的方向发展。优其单片开关电源自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，现已成为开发中、小功率开关电源及开关电源模块的优选集成电路。本文所研究的20W开关电源，采用TOPSwitch-系列单片开关电源集成电路设计，与其传统的开关电源相比，具有电路新颖、功能奇特、性能先进、应用领域较为广泛等特点，能满足不同用户的需要。1 开关电源的发展和趋势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MOS-FET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。其应用领域主要有：1、邮电通信：作程控交换机。移动通信基站电源。2、计算机：作为各种PC机。服务器、工业控制机的开关电源。3、家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等。4、其它行业：如电力、航天。军事等领域。2 12V、20W开关电源电路的设计21开关电源模块性能特点与技术指标(1)采用一片TOP224P型三端单片开关电源，配PC817A型光耦合器，构成带稳压管的光耦反馈电路，能将85V265V交流输入电源Ui变换成12V、1.67A的直流稳压输出。(2)电路简单，稳压性能好，成本低。外围电路仅需21个元器件。其电压调整率和负载调整率约为1，电源效率可达78。在25的环境温度下，可连续输出20W的功率。峰值输出功率为30W。(3)体积小，重量轻。TOP224P利用印刷板上的敷铜箔散热，不需外接散热片。(4)便于对电路进行改进。只需重新设计高频变压器，改变匝数比和增加少量元件，即可实现多路稳压输出或恒流输出。该模块的主要技术指标如下：交流输入电压范围：Ui=85V265V；输入电网频率：fL=(47440)Hz；输出直流电压（IO=1.67A）：UO=12V5；最大输出电流：IOM=1.67A；连续输出功率：PO=20W(TA=25)，或15W(TA=50)；电压调整率(Ui=85V265V):SV=1；负载调整率（Io=0.167A1.67A）：SI=1；效率：=78；输出纹波电压的最大值：60mV；工作温度范围：TA=050。22电路原理图设计85V265VAC图1 12V、20W开关电源模块的内部电路图2印制板元件布置图图3模块的外特性(a) SVUi; (b)SIIO; (c) Ui(PO=20W)23电路工作原理该电源的内部电路和印制板元件布置，分别如图1,2所示。单面印制板的尺寸为91m43mm,安装元器件后的最大高度为27mm。电路中使用两片集成电路：三端单片开关电源TOP224P（IC1）、线性光耦合器PC817A（IC2）。交流电源经过UR和C2整流滤波后产生直流高压UI，给高频变压器的一次绕组供电。VS1和VD1能将漏感产生的尖峰电压钳位到安全值，并能衰减振铃电压。VS1采用反向击穿电压为200V的瞬态电压抑制器P6KE200，VD1选用1A/600V的超快恢复二极管UF4005。二次绕组电压通过VD2、C4、L2、和C6整流滤波，获得12V输出电压UO。UO值是由VS2稳定电压UZ2、光耦中发光二极管的正向压降UF、R1上的压降这三者这和来设定的。改变高频变压器的匝数比和VS2的稳压值，还可获得其他输出电压值。R2和VS2还为12V输出提供一个假负载，用以提高轻载时的负载调整率。反馈绕组电压经VD3和C5整流滤波后，供给TOP224P所需偏压。由R2和VS2来调节控制端电流，通过改变输出占空比达到稳压目的。共模扼流圈L1能减小由一次绕组接D端的高压开关波形所产生的共模泄漏电流。C3为保护电容，用于滤掉由一次、二次绕组耦合电容引起的干扰。C1可减小由一次绕组电流的基波与谐波所产生的差模漏电流。C7不仅能滤除加在控制端上的尖峰电流，而且决定了自启动频率，它还与R1、R3一起对控制回路进行补偿。该开关电源模块的SVUi、S1IO、Ui的关系曲线如图3所示。图3(a)示出当IO=1.67A时，电压调整率SV与交流输入电压Ui的关系。图3(b)示出在Ui=230V时负载调整率SI与输出电流IO的关系。图3（c）示出当PO=20W时电源效率与交流输入电压Ui的关系曲线。在上电过程中，直流高压UI建立之后需经地160ms（典型值）的延迟时间，输出电压UO才达到12V的稳定值。UO与UI的时序波形如图4所示。延迟时间t1=(180-20)ms=160ms。图中假定u=212V，UI=2u=300V。若需增加软启动功能以限制开启电源时的占空比，使UO平滑地升高，应在VS2的两端并联一只软启动电容C8（如图1中虚线所示）。C8的容量范围是4.747uF。当C8=4.7uF、10uF、22 uF、47 uF时，所对应的软启动波形如图5所示。上述4种情况下，软启动时间依次为2.5ms、2.5ms、4ms、8ms。在软启动过程中UO是按照一定的斜率升高的，能对TOP224P起到保护作用。断电后C8可通过R2进行放电。图4 UO与Ui的时序波形图5 软起动波形设计印制板时需专门留出一块敷铜区，作为TOP224P的散热板。当PO=20W时，敷铜面积S=8C；PO=15W；S=3.6 C。3开关电源电路主要元件选择3.1开关芯片的选择TOPSwitceh-系列芯片的选择参考表，如表1所示。表1芯片选择参考表根据输出功率的要求应选择TOP223P或TOP224P，现选择TOP224P。3.2高频变压器的选择次级 Ns=(Uo+UF2)30.6V/T=(12+0.4) 30.6=8T初级 Np= Ns3UoR/( UoR+UF2)=83105/(12+0.4)=67.7T反馈 NF= Ns3(UFB+UF1)/(Uo+UF2)=83(12+0.7)/(12+0.4)=8TUF2为输出肖特基二极管压降UF1为反馈绕阻整流二极管压降UoR初级感应电压取值范围:90135V之间UFB为反馈绕阻电压,一般取12V (P10W,取12V)3.3 VR1的选择VR1要有足够的功率，在大电流输出的条件下，VS 1的峰值电压应比反向输出电压高30V-80V，这里选择P6KE200，峰值电压为287V。3.4 其它重要元件的选择元件耐压值整流桥D1600VC1630VC2400VC31500VC5、C635V3.5自启动周期的选择自启动周期的计算公式：T=8(2RC)=16(R3+Zc)C7，其中，典型值Zc=15，芯片控制振荡频率f=100KHz，故R3=6.8,C7=47F。4变压器的绕制及性能测试高频变压器的结构如图 所示。Np、Ns、NF分别代表一次绕组、二次绕组和反馈绕组，18端漏极，3端接源极（即一次绕组与反馈绕组的公共地），4端接反馈绕组电压，第5、6两端接返回端RTN（即输出级的公共地），7、8端接二次绕组电路。高频变压器采用EE22型磁心。4.1绕制高频变压器的顺序及方法如下1.绕制一次绕组Np 首先用3mm宽的聚脂绝缘胶带在骨架上缠一层。然后把0.25mm漆包线的始端焊在第2端，绕完一层（40匝）后加一层12.2mm宽的绝缘胶带，再绕第二层（下同）。最后在一次绕组外面缠一层12.2mm宽的绝缘胶带，作为一次绕组与反馈绕组的绝缘层。 2.绕制反馈绕组NF 首先把双股0.25mm漆包线的始端焊接在第4端上，然后用双股并绕的方法绕8匝。因绕数少，要求均匀绕制，占满骨架，以增加磁场耦合程度，减少漏感。最后把末端焊在第3端上。为提高绝缘性，在反馈绕组外面再缠3层18.2mm宽的绝缘胶带，作为反馈绕组与二次绕组的绝缘层。3.绕制二次绕组Ns图6高频变压器的绕制首先用3mm宽的胶带缠好安全边距，然后以第7、8端为始端，用0.55mm漆包线双股并绕8匝（均匀绕制并占满骨架），终止于第5、6端。最后缠上3层18.2mm绝缘胶带，作为最外层的绝缘材料。4.装配与浸漆 将两个E形磁芯插入已绕好线的骨架，再浸入清漆，经烘干后再用。4.2电气性能测试1.耐压性能测试 在高频变压器的1-8端、4-5端之间分别加上3000V、50Hz的高压电，持续时间为1min，不得发生击穿现象。2.测试一次绕组电感量 将二次绕组和反馈绕组开路，用数字电感表测量1-2端的电感量Lp应为650（110%）uH。3.测量一次绕组漏电量 将二次绕组短路，用数字电感表测量1-2端这间的漏感量Lpo应不大于35uH。5 TOP224P芯片简介5.1管脚介绍该芯片由漏极端D、控制端C、源极S端三个管脚组成。漏极端(DRAIN脚)与输出MOSFET漏极连接。启动时，提供内部偏置电流，控制端(CONTROL脚)控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。正常工作时，由内部并联稳压器提供内部偏置电流，也可以作电流旁路和自动启动/补偿电路电容的接点，源极端(SOURCE脚)和输出MOSFET的源极连接，也是开关电源初级电路的公共点和参考点。5.2芯片内部工作原理介绍芯片内部工作原理框图如图7所示。主要包括10部分：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；门驱动级和输出级；过电流保护电路；过热保护及上电复位电路；关断/自动重启动电路；高压电流源。图中，Zc为控制端的动态阻抗，RFB是误差电压检测电阴。RA与CA构成截止频率为7KHz的低通滤波器。图7芯片内部工作原理框图该芯片的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压Uo时，经过光耦反馈电路使得IcDUo,最终使Uo不变。下面分别介绍各单元电路的工作原理。1 控制电压源控制电压Uc能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压（以下简称偏压），而控制端电流Ic则能调节占空比。在C-S极间接一只47uF旁路电容CT，即可为门驱动级供给电流，并且由它决定自动重启动频率，同时控制环路的补偿。Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于启动和过载这两种情况，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。刚启动电路时由高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并且对CT充电。正常启动波形如图8(a)所示。图中，UD表示漏极电压。当UC首次达到5.7V时高压电流源被关断，脉宽调制器和功率MOSFET主开始工作。此后，Ic改由反馈电路提供。当加到控制端的反馈电流超过所需电流值时，就通过并联调整器进行分流，确保Uc=5.7V（典型值）。Zc与外部阻容元件共同决定控制环路的补偿特性，它通过控制高压电流源的通断使Uc在4.75.7V范围内，参见图8(b)。ICD1、ICD2分别为MOSFET在导通、关断进由控制端所提供的放电电流值。a)b)图8 启动波形a)正常操作时 b)自动启动时芯片的工作波形如图9所示。这里将充电电流表示成负极性，放电电流则为正极性。Uo、Io分别为滤除高频后的输出电压与输出电流。自动重启动电路中有一个8分频器（8），能防止MOSFET在控制端旁路电容CT的8个充放电周期之前误导通。与此同时，该分频器还可将占空比减小到点5%（典型值），使芯片功耗显著降低。自动重启动电路一直工作到Uc进入受控状态为止。图9 工作波形正常工作时 自动重启动状态 电源关断复位状态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，来精确设定振荡器频率和门驱动级电流。3 振荡器内部振荡器电容在所设定的上、下阈值电压UH、UL之间周期性地线性充、放电，便产生了脉宽调制所需要的锯齿波（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，通过调节基准电流可提高频率准确度。4 误差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。误差放大器的同相输入端接5.7V基准电压，作为参考电压；输出端接一只P沟道场效应管，起缓冲放大作用。控制端电压Uc经过Zc、P沟道场效应管和电阻RFB分压后，获得反馈电压UFB，加至误差放大器的反相输入端。误差放大器将反馈电压UFB与5.7V基准电压进行比较之后，输出误差电流Ir,当Ir流过电阻RFB时，就在其上形成了误差电压Ur，以此去调节脉冲占空比。控制端电流Ic可直接取自反馈电路，亦可接光耦反馈电路，由光耦合器输出控制电流并实现电气隔离，后者能提高控制灵敏度。5 脉宽调制器脉宽调制器是电流反馈式控制电路。它具有下述两层含义：1）通过改变控制端电流Ic的大小，能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制（PWM）。D与Ic呈线性关系，特性曲线如图10所示。显然，在 Ic=2.06.0mA范围内，当 Ic时D；反之Ic时 D，二者呈反比关系。比例系数表示曲线的斜率，亦即脉宽调制在的增益，K=-16%/mA，因此，占空比由下式确定：D=KIc=-(16%/mA) Ic 式中，Ic的单位取mA。图10中，IB为外部偏置电流，典型值为2.0mA，ICD1是CT的放电电流，为1.2mA或1.4mA（视TOP芯片型号而定）。最大占空比信号Dmax直接加到主控门DAN的一个输入端。图10 占空比与控制端电流的关系2）误差电压Ur经由RA、CA组成的截止频率为7KHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压UPWM。UPWM通过与门DA1、或门DO之后，可将触发器I置位，Q=1，又使MOSFET导通，从而实现了脉宽调制信号的功率输出。时钟信号还起到同步作用。综上所述，TOP芯片属电流控制型开关电源，控制端电压Uc用来提供偏压，控制端电流Ic则调节占空比。它采用开关频率固定（100KHz）而占空比可调的工作方式，主要信号流程如下：6 门驱动级和输出级门驱动级（DN）用于驱动N沟道功率开关场效应管（MOSFET），使之按照规定的开关频率在一定时间内导通。漏-源极通态电阻与产品型号及芯片结温有关。7 过电流保护电路过电流比较器的反相输入端接极限电压（又称阈值电压）ULIMIT，同相输入端接MOSFET的漏极。这里巧妙地得用MOSFET的漏-源通电阻RDS（ON）来代替外部过电流检测电阻Rs。当ID过大时，UDS（ON）ILIMT。表1 TOP芯片的极限流典型值型号TOP221Y/PTOP222Y/PTOP223Y/PTOP224Y/PTOP225YTOP226YTOP227YILIMIT/A0.250.501.001.502.002.503.00ILIMIT(min)/A0.230.450.901.351.802.252.70ILIMIT(max)/A0.280.551.101.652.202.753.30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0.6ILIMIT（对应于交流265V输入电压）或0.75 ILIMIT（对应于交流85V输入电压）。前沿闭锁电路的作用是在MOSFET刚导通时将过电流比较器输出的上升沿封锁180ms的时间，这样可避免因一次侧电容和二次侧整流管在反向恢复时间内产生的尖峰电流，而导致开关脉冲提前结束。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Uc进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.75.7V的锯齿波。若要重新启动电路，需断电后再接通电源开关，或者将Uc降至3.3V以下，达到UC（RETSET）值，再利用上电复位