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采用top224设计恒流恒压充电器毕业论文 目 录第一章 绪论11.1开关电源的发展趋势11.1.1 开关电源的国内发展概况21.1.2 开关电源的国外发展概况31.2开关电源的应用领域和性能指标41.2.1开关电源的性能指标41.2.2开关电源的应用领域5第二章 单片开关电源的介绍及其工作原理72.1TOPSwitch-II系列的主要性能特点72.2TOPSwitch-II系列的工作原理72.2.1各个引脚功能介绍72.2.2工作原理介绍82.3开关电源的快速设计方法92.3.1 PD与，PO的关系曲线92.3.2选择芯片的方法112.3.3根据输出功率比来修正等效输出功率等参数122.4开关电源的典型应用15第三章 采用top224恒流恒压设计183.1电源技术要求183.2 设计步骤183.3变压器设计203.3.1输出变压器次级电压U2计算213.3.2初、次线圈计算213.4 输出滤波器的设计223.4.1 输出扼流圈的电感值设计223.4.2 输出滤波电容的确定223.4.3 滤波器电阻设计233.5 复位电路计算233.6 功率开关管选择253.7 输出二极管的选择263.7.1整流二极管VD1选择263.7.2 续流二极管VD2选择263.8 恒流输出电路设计273.8.1 恒流输出原理273.8.2 恒流输出计算283.9 缓冲吸收电路设计283.10 控制电路设计29第四章 总结32致 谢33参 考 文 献34附录35第一章 绪论1.1开关电源的发展趋势单片开关电源自从20世纪90年代中期以来，就显示出了它强大的市场竞争力，并且以其自身的优良性能受到广大电源爱好者的关注与青睐。目前，单片开关电源已经成为国际市场中通用的高效率中、小功率开关电源的首选（IC）集成电路版，也为新型开关电源的衍生和发展奠定了牢固的基础。电源是各种电子设备器件不可缺少的组成部分，它的性能好坏直接关系到电子设备器件的技术指标能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源也可以叫做串联调整式稳压电源。它的稳压性能好，输出的波纹电压小。但是它的缺点是必须使用笨拙的工频变压器和电网相隔离开，而且调整管的功率损耗太大导致电源的体积大、重量大、效率低。开关电源SMPS（Switch Mode Power Supply）被称为高效节能电源，它代表稳压电源的发展方向，目前已经成为稳压电源的主流产品。开关电源也可以叫做无工频变压器的电源。它是利用体积特别小的高频变压器来实现电压变换和电网隔离的，这样的话，不但可以去掉笨拙的贡品变压器而且还可以用体积很小的散热器和滤波器元件。过去的20年里,在两个方向上集成开关电源的发展。第一个方向是开关电源的核心单元控制集成电路实现。国外在1997年成为第一个脉冲宽度调制(PWM)控制IC,摩托罗拉、硅通用、dichloronaphthalene酯泰德已经推出了一系列的PWM芯片,MC3520典型产品,自SG3524 UC3842。90在国外也开发了一种高速切换频率1 mhz PWM,烤瓷(脉冲频率调制芯片,典型的产品,如UC1825 UC1864。第二个方向是一对小实现单片开关电源集成电路。大致可以分为两个阶段:1980年代初意大利,意法半导体L4960系列有限公司推出了第一个单片开关式稳压器。公司介绍L4970A系列在1990年代。脉冲宽度调制器功能,功率输出级保护电路集成在一个芯片上,并与电网频率应该使用变压器隔离,适用于低压输出(5.1 40 v),中、高功率(400 w或更少),大电流(1.5 - 10),效率高(90%以上)的开关电源。但本质上,它仍然是一个直流/直流电源转换器。1994年,美国电力公司成功开发了第一个三端铁板一块孤立的脉宽调制开关电源,被称为“开关电源。“TOPSwitch家族的第一代产品,出现在1997年,第二代TOPSwitch-II系列。公司已经推出了一个效率高、低功耗、低成本的四端芯片交换式电源TinySwitch系列于1998年。2000年,该公司已经开发出一系列五终端TOPSwitch-FX芯片开关电源,TOPSwitch-GX系列芯片开关电源。1.1.1 开关电源的国内发展概况通信技术领域的发展电力、信息家电、和国防的建设,常见的高频开关电源,电源将会逐渐渗透治疗。国内开关电源技术的发展,基本起源于1970年代末和1980年代初。描述了开关电源技术的发展在许多大学和科研机构和教学仍处于实验阶段。1980年中期,开始推动开关电源产品和应用程序。1980使用开关电源20 khz,脉冲宽度调制(PWM)技术,效率达65 - 70%。经过30年的课持续发展,开关电源技术方面取得巨大进步。促进新能源的发展高频开关电源、电力MUSEFT和IGBT开关电源工作频率高达400千赫允许小,(AC / DC)或1 mhz(DC / DC);soft-switching技术使高频开关电源,它不仅可以减少电源的尺寸和重量,而且提高电源的效率,使用国内6千瓦交流开关电源soft-switching技术,效率高达93%,控制技术和专用控制芯片生产,不仅大大简化了功率电路和开关电源的动态性能和可靠性提高;发展有源功率因数校正(APFC),改善AC / DC开关电源功率因数,网格两波谐波污染,提高开关电源的整体效率。在所有应用程序开关电源,通信电源是发展最快的部分。开发新型磁性材料和新的变压器、电容器和新技术的成功开发发展EMI过滤器,和专用控制芯片集成开关电源小型化和EMC性能的改善。微处理器技术应用提高监测供应的可靠性,也适应市场需求的智慧。开发新的半导体器件是最重要的开关电源技术的发展。当前研究的高性能碳化硅半导体器件,如果成功开发,电力技术将是一个革命性的影响。此外,开发平面变压器、电容器、压电变压器和新组件,也将发挥重要的作用在电力技术的发展。简而言之,效率、小型化、集成、智能和提高可靠性的趋势是未来发展的主要方向。开发的电力生产领域的开关电源,全国行业已经占据了举足轻重的地位。在初始阶段的开关电源应用,许多制造商都小车间生产。经过20多年的不懈努力,逐步转变为大规模生产,产品范围从一个单一的物种。现在,中国已经形成一批十亿美元,或1000亿元产值企业,产品已进入国际市场。电力市场的发展,中国的信息产业、国防工业、家用电器行业,特别是电信行业的快速发展发展的电力市场的一股强大的力量。根据国家统计局最新数据显示,中国的电子信息产业,输出,销售,和整体对经济增长的贡献大小的顶级工业部门已成为中国主要行业的支柱产业。电力标准在1990年代早期,高频开关电源应用在电子、电信行业开始,“和高频开关整流器交流”和“通信管理局(站)的电力系统技术要求”和其他标准颁布及时指导生产、服务用户扮演重要的角色在促进高频开关电源快速电信行业也发挥了积极作用。随着市场的扩张,越来越多的智能电力用户需求标准,描述了权力的集中监控。随着技术的进步,逐渐积累经验,行业标准急需修正案,技术指标需要改进测试方法需要改进,需要增加内容优质的产品提供了更可靠的依据。1.1.2 开关电源的国外发展概况半导体器件的发展。电力半导体器件的发展仍然是领先的电力电子技术,电力电子技术的进步必须继续依靠引进新的电力电子设备。功率MOSFET(MOS-FET)更多的孩子单极电导率显著降低开关时间,还因为它很容易达到1 mhz频率切换引起了全世界的关注。然而,MOS-FET设备必须扩大改善设备闭锁电压漂移区域,导致快速增长状态的使用设备的电阻压降增加,增加使用国家损失,它只适用于中小型-power产品。为了减少开态电阻、美国IR公司使用的方法,增加单位面积上的原始细胞的数量。公司已开发出一种红外HEXFET MOSFET,世界上最高的水平槽的密度每平方英寸101200000000原始细胞,3 m的开态电阻。自1996年以来,50%的年增长率下降HEXFET开态阻力。红外也开发了一种低闸极电荷(HEXFET QG),快速切换,考虑阻力和门的状态,同时减少30%的年率下降。肖特基二极管的发展,最近使用槽结构,预期下降较小的肖特基二极管,它被称为TMBS沟MOS势垒肖特基二极管可以是一个非常低的电源电压MOS-FET同步整流的应用程序的竞争。新变压器是电力电子学的一个重要组成部分或开关电源。平面变压器大约两年前引进新产品,与传统的变压器、平面变压器没有铜导线,取代单一或多层印刷电路板,这是远远低于传统的变压器的厚度可以生产印刷电路板,高能量密度的优点投影,这么小,相当于20%的传统变压器;效率高,一般97%到99%;高频从50千赫至2 mhz;低漏电感、低电感(EMI)和小干扰。超电容器的发展能力。电容器的电容是一个超级电容器评论最近的工作。迈克堰在美国仍然是世界上超级电容器技术的领导者。超电容器电容使用一个独特的金属/碳技术和先进的非水电解质,电极表面电极,相对很少有很大的距离。现在各种各样的超级大国在电容器单元和组件的开发和生产范围广泛的应用程序,一个小的机组容量10 f,大2700 f。超级电容器串联并行组合可以很容易地组合成一个组件或组件的高压力的能量。超电容器组件现在可以使用650 v高压的能力。 IC封装技术和系统集成发展,开关电源模块,集成和智能。近年来,ASIC的快速发展各种控制功能,如功率因数校正(PFC),控制电路芯片,零soft-switching控制,ZCS,芯片相移全桥ZVT ZCT,PWM控制芯片专用的并行流控制芯片和电流反馈控制芯片。功率半导体器件功率集成电路(IC)和小鬼。IPM IGBT电源开关、控制、驱动、保护、检测电路封装在单个模块中。外部边界,减少焊接可靠性显著提高。集成的模块化电源产品,可靠性高,好方便的应用程序。功率因数校正功率因数校正技术起源于1980年代,但价值和增强1980年代末和1980年代。欧洲和日本继续需要开发一个标准谐波输入开关电源。有两个标准,即IE555-2 IEC1000-3-2。这使得PFC电力工业技术已成为一个热点研究。通常有两种类型的PFC技术,一种是无源PFC技术,另一种是有源PFC技术。前者使用被动元件来提高输入功率因数,降低谐波电流达到标准。它功能简单但笨重,重,有些地方你不能满足要求;整流器和逆变器过滤器通过特殊控制直流/直流转换器,首先迫使输入电流跟随输入电压达到统一功率因数时,前两个将遵循一个稳定的输出电压反馈到输入直流/直流转换器实现pre -稳定。方法的特点是控制复杂,但体积大大减少。此外,它很容易优化第二阶段的设计,进一步提高性能。低了电压大电流DC / DC转换技术来解决当前电力直流/直流转换技术,几年前,现在降至3.3 v 1.0 v,已达到成千成百上千的安全。同时,输出功率指标,如涟漪,准确性,效率,和目标、过度和其他技术指标也有所改善。所有这些使得这个分支研究技术的今天,随着时间的推移,将成为一个热电力电子行业。非常广泛的研究,包括电路拓扑动态问题(特别是大信号动态问题加载),技术研究和其他相关技术同步整流控制、布线和其他集成磁技术、包装技术、高频功率器件技术,等等。最后,对持续改进的需求的开关电源的性能,开关电源也在不断上升。但最终在21世纪的发展趋势是一个小开关电源技术,薄,轻,方向的高频、高可靠性、低噪声、能源发展。1.2开关电源的应用领域和性能指标1.2.1开关电源的性能指标下面是几种单片开关电源典型产品的性能指标详见表1-1，它们分别对应于TOPSwitch-II系列、TinySwitch-II系列、TOPSwitch-FX系列、TOPSwitch-GX系列。表1-1 新型单片开关电源典型产品的性能指标参数名称符号及单位产品型号TOP227YTNY268PTOP234P/G/YTOP250Y/F/R开关频率f/kHz100132130/65132/66最大占空比Dmax (%)67657878最小占空比Dmin (%)1.71.51.5控制端电压Uc/V5.75.85.8使能端电压UEN/V1.0旁路端电压UBP/V5.85自动重启动频率fAR/Hz1.21.01.0自动重启动占空比DAR(%)55.644漏-源极限电流ILIMIT/A3.000.5501.5006.30漏-源极击穿电压最小值U(BR)DS/V700700700700热关断温度TOFF/135135135140热关断滞后温度t/7070软启动时间tSOFT/ms1010线路欠压阀值电流IUV/uA5050线路过压阀值电流IOV/uA225225多功能端电压(IM=50uA)UM/V2.602.50注：1.当f=130kHz时，f=4kHz；f=65kHz时，f=2kHz。2.当f=132kHz时，f=4kHz；f=66kHz时，f=2kHz。1.2.2开关电源的应用领域单片开关电源的出现已经成为世界上开发290W以下中、小功率开关电源、特种开关电源、精密开关电源的首选IC。由它构成的开关电源,在成本上与同等功率的线性稳压电源相当,而且电源效率显著提高,并且减少了体积和重量,显示其光明的未来。单片开关电源的主要应用领域如下： 通用开关电源 各种通用开关电源； 智能化开关电源模块； 精密开关电源模块。 特种开关电源 恒压/恒流型开关电源； 恒功率输出型开关电源； 其他类型特种开关电源。 专用开关电源 微机、摄录像机（CVCR）、彩电、LCD监视器、DVD刻录驱动器等高档家用电器中的待机电源； 手机、MP3、MP4、充电宝、的电池充电器； 电子仪表仪器中的电源； 机顶盒电源35第二章 单片开关电源的介绍及其工作原理 第二章 单片开关电源的介绍及其工作原理2.1TOPSwitch-II系列的主要性能特点TOPSwitch-II系列包括了许多型号的产品，如TOP221P/GTOP224P/G和TOP221YTOP227Y。TOP系列的产品中，第二代产品与第一代产品相比较，二代产品不仅仅在性能上超越了一代产品，而且其输出功率方面也有很大的提高。二代产品已经成为世界上喜好电源产品的首选集成电路。下面介绍一下TOPSwitch-II系列的特点： 它是一种三端器件，利用CMOS技术将脉宽调制的所有功能集中到三端芯片中去。它的内部设有脉宽调制器、自动偏置电路场效应管、保护电路以及启动电路和环路补偿电路。这样大大增加的系统设计的安全性、可靠性。而且电路损失的功率也会明显下降，其外部电路简单明了，没有太过复杂。 它是电流控制型开关电源，因为芯片的引脚为漏极开路输出进而通过电流来调节AC/DC的占空比。 在输入交流电压的时候可以有较宽的尺度。像是110/115/230V的固定交流电压和85265V的交流电压都可以。因为在85265V的电压下工作的时候的工作条件相对于在固定的电压110/115/230V下工作的时候的工作条件更加的严格和严谨，所以对在85265V的电压下工作的输出时的功率要限制在一定的范围内。 在输入频率的时候，其输入的范围相对较为宽松，基本上是在47440Hz的范围内。 TOPSwitch-II系列是典型的三端器件，而且它有且只有3个输出端，但是它的每一个输出端都是具有很多功能的输出端，用起来方便，且成本低，体积小，具有4种反馈基本电路。它的工作模式可以分为两种，一种是连续的工作模式，另一种是不连续的工作模式。用它可以做成各种各样的开关电源，并且它的电源效率很高，一般可以达到百分之八十甚至最高可达到百分之九十。2.2TOPSwitch-II系列的工作原理2.2.1各个引脚功能介绍引脚图如图所示，这一系列的芯片总共有3种封装方式，图a的封装形式是经典的三端器件，它和7800系列的稳压器相同。并且其封装自带小散热片。图b中，DIP-8一共有8个引脚，但是也可以像图a中一样简化成3个引脚。SMD-8也有8个引脚，并且也可以简化成3个。但是DIP-8可以配置8个脚的IC插座，SMD-8是表面贴片不需要打孔焊接。TOPSwitch-II的3个引脚分别为控制端C（CONTROL）、源极S（SOURCE）、漏极D(DRAIN)。其中，控制端有4个作用：利用控制电流IC的大小来调节占空比D。通常，占空比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 图2.0引脚图他与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流；这个端还作为电源之路和自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率；对控制回路进行补偿。控制电压UC的典型电压值应为5.7V，极限电压UCM=9V，控制端最大允许ICM=100mA。漏极D与片内功率开关管的漏极连通，漏-源极击穿电压U(BR)DS大于等于700V。源极S则接内部功率开关管的源极，还与小散热片接通（仅对TO-220封装而言），作为一次侧电路的公共地。对于DIP-8和SMD-8封装，都设计了6个S端，它们在内部是连通的。区别只是左边3个S端作为信号地接旁路电容的负极，右边3个S端则称为高压返回端（HV RTN），即功率地。安装印制版时应将它们焊到地线区域的不同位置上，这样可避免大电流通过功率地线所形成的压降对控制端产生干扰。2.2.2工作原理介绍芯片内部工作原理框图如图2.1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2.1 TOPSwitch-II的内部工作原理框图TOPSwitch-II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。2.3开关电源的快速设计方法2.3.1 PD与，PO的关系曲线TOPSwitch-II系列的交流输入电压分宽范围输入（也叫做通用输入）、固定输入（也叫做单一电压输入）两种情况。二者的交流输入电压分别是85265V、230（115%）V。1. 宽范围输入时PD与，PO的关系曲线TOP221TOP227系列单片开关电源在宽范围输入（交流电压为85265V）的条件下，当UO=5V或者+12V时，PD与，PO的关系曲线分别如图所示。这里假定交流输入电压最小值Umin=85V,最高交流输入电压UMAX=265V。图中的横坐标代表输出功率PO，纵坐标表示电源效率。所画出的7条实线分别对应于TOP221TOP227的电源效率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线。图2.2 不固定输入时输出为5V时PD与，PO的关系图2.固定输入时PD与，PO的关系曲线TOP221TOP227系列在固定输入【交流230（115%）V】条件下，当UO=+5V或+12V时，PD与，PO的关系曲线分别如图所示。图2.3 不固定输入时输出为12V时PD与，PO的关系图图2.4 固定输入时输出为5V时PD与，PO的关系图图2.5固定输入时输出为12V时PD与，PO的关系图2.3.2选择芯片的方法根据上面的关系曲线来确定芯片的型号： 先确定要用哪一幅曲线合适。比如说，当u=85265V、UO=+5V时，就应该选择图1。 然后再横坐标上找出想要设计的功率点。 从功率输出点垂直向上移动，直到选中合适芯片所指的那条实线。如果不合适的话，就继续向上，直到找到为止。 再从虚线上独处芯片的功耗PD。并且还可以求出来芯片的结温（Tj）,进而确定散热片的大小。 最后一步进入到电路设计以及变压器外接元器件的选择等。2.3.3根据输出功率比来修正等效输出功率等参数1.修正方法前面已经提到了PD、PO三者的交流输入电压都已经限制到最低范围。图2-2和图2-3中限制在最小值为85V,图2-4中限制在最小值为195V。如果输入进去的交流电压与前面的规定不一样的话，那么后果就会很严重，直接就关系到芯片的选择是否正确，所以一定要按照规定来选择合适的输入的交流电压。然后下一步我们需要做的就是将实际输入的最小值交流电压的对应的输出功率换算成它的等效功率就可以了。这样就可以运用前面的3幅关系曲线图了。在固定输入、和不固定输入的这两种情况的特性曲线图如下图所示。但要声明：1)a、b两个图中u的最小值分别为85V、195V并且u只是低端时候的电压范围。2)当输出功率比K大于1（即）的时候,说明原来的芯片的功率可用性更高了，根据情况的不同也可以选择输出功率比它低的芯片。当输出功率比K小于1（即）的时候，说明原来的芯片的功率的可用性降低了，根据情况的不同也可以选择输出功率比它高的芯片。3)设一次绕组电感电压为UOR，其典型值为135V。但在85时，受TOPSwitch-II调节占空比能力的限制，UOR会安线性规律降低到。此时换算因数K=。图中a和b的虚线部分表示它们的特性曲线，利用它可以修正一次绕组电感电压值。 图（a)不固定输入时K与Uimin的关系 图（b）固定输入时K与Uimin的关系图2.6 K与的关系修正归纳：1）首先从图5、图6中选择适用的特性曲线，根据Uimin值查出折算系数K。2）将PO换成Uimin为规定值时的等效功率PO，有公式PO=PO/K（2）3）最后从图1图4中选取适用的关系曲线，并根据PO值查出合适的芯片型号以及、PD参数值。2.相关参数的修正及选择1）用TOPSwitchII设计开关电源时，高频变压器以及相关元件参数的如表2-1，这些数值可做为初选值。表2-1 高频变压器等原件参数值参数TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227高频变压器一次绕组电感LP/uH86504400220014751100880740高频变压器一次绕组泄露电感LP0/uH175904530221815二次绕组开路时高频变压器的谐振频率f0/kHz400450500550600650700一次绕组线圈电阻RP/m50001800650350250175140二次绕组线圈电阻Rs/m20127543.53输出滤波电感的直流电阻RL1/m40322520161310共模扼流圈的直流电阻RL2/m4003703333002672332002) 当Uimin的规定值发生变化时，TOPSwitchII的占空比亦随之改变，进而影响光耦合器中的LED工作电流IF、光敏三极管发射极电流IE也产生变化。此时应根据表2-2对IF、IE进行重新调整。表2-2光耦合器参数随Uimin的变化最低交流输入电压Umin/V85195发光二极管的工作电流IF/mA3.55.0光敏晶体管的发射极电流IE/mA3.55.02.4开关电源的典型应用简单叙述由TOP224P设计的12V、20W的开关电源。(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）电路原理图的设计图2.7 12V、20W开关电源模块的内部电路图2.8模块的外特性(a) SVUi; (b)SIIO; (c) Ui(PO=20W)（3）电路工作原理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。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。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。该开关电源模块的SVUi、S1IO、Ui的关系曲线如图2.8所示。图2.8(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2.8(b)示出在Ui=230V时负载调整率SI与输出电流IO的关系。图2.8（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2.9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。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2.9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2.9 UO与Ui的时序波形第三章 采用TOP224恒流恒压设计第三章 采用TOP224恒流恒压设计3.1电源技术要求选用TOP224，因为它的体积小，重量轻，结构简单，耐用，且成本低的开关电源，它功率输出在3045W是最合适的。设计技术要求如下：输入电压：交流220V10% 纹波电压UP：0.5V输出电压UO：15V 输出波动电流IP：0.1A输出电流IO：10A 占空比：D max0.42 3.2 设计步骤 1、本文设计采用的是一部分一部分的设计方法。原理图3.1开关电源是由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、稳压恒流电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。稳压恒流输出电路目的是为负载提供一个恒流电流。反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器PWM控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。整体电路是将频率为50Hz、220V的市电交流电压经过主电路输入整流与滤波、变压器、整流、续流与滤波、稳压电路恒流电路转换成稳定的直流电压，输出恒定的直流电流。 整流、续流与滤波变压器恒压恒流输出输入整流与滤波输入驱动VCC地线功率开关管控制芯片保护电路反馈部分 图3.1 开关电源模块功能图 2、开始选则芯片变压器设计输出滤波和整流设计功率开关与驱动设计控制器设计反馈电路设计启动电路设计保护电路设计功能设计结构设计测试电路实际工作与设计结果的区别优化设计调试开关电源设计流程图图3.2流程图3.3变压器设计图3.3变压器是应用电磁感应的原理，把电能由高压转变成低压的电磁装置。变压器用来交流传输与变换，不能直接传输，在电路中的作用电气隔离、储能、变压、变阻。图3.3 变压器3.3.1输出变压器次级电压U2计算 （3.3.1）UL是输出扼流圈在内次级线圈的电压降，Uf是输出二极管的正向电压。最低的次级电压U2min为 （3.3.2）设(设定肖特基二极管)，则3.3.2初、次线圈计算输入直流电压U1的最小值使用按输出电路计算求得的U1min值。根据中国输配电情况U1=200253V,则变压比N为根据输出容量磁心尺寸关系表3-4 2 选取EI-30。它的有效面积为S=111mm2磁心材质相当于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可从图3-4中查出来.使用时的磁心温度约100，选择能保持线性范围的Bm。当磁心温度有100，频率在200KHz时，减少0.1T而成为。 （3.3.3）因而次级N2 = 4，式中Bm为磁心的磁通密度（T）；S为磁心的有效截面积（mm2）。初级线圈的匝数则是 确定。次级线圈所需要的电压U2min一定要充分，因此要进行ton max的修正计算。根据（3.3.2）公式则有 Dmax修正结果0.42,仍然在0.40.45范围内。3.4 输出滤波器的设计带磁心的电感器，采用电感线圈Lf 与输出滤波电容器Cf 构成“L”型滤波器如右图。电感线圈对高频成分有很高的阻抗，而电容反之。具有抑制波纹和平滑电流的作用。图3.4 滤波器3.4.1 输出扼流圈的电感值设计 流入输出扼流圈电流 (3.4.1)L为输出扼流圈的电感（H）；为输出电流的10%30%。电感L值：由此可见，需要11.86H，10A的扼流圈。3.4.2 输出滤波电容的确定输出电容器可以控制输出脉动电压。输出脉动电压根据和输出电容器的等效串联电阻确定。输出电压的0.3%0.5%范围。又因 （3.4.2）根据（3.4.2）得: 就是在200HKz范围内，需要值在37.5m以下电容器。选择20V，8200H，则为31m,容许脉动电流为2.9Ams.流向电容器的纹波电流为 2.9A 说明电容器行。3.4.3 滤波器电阻设计可以假设电阻值为假设电阻电耗为 3.5 复位电路计算复位电路如图。VT1接通，变压器T1的增大，磁能储存在T1，当VT1截止时，放出这种受激磁的磁能下图复位线圈到T1上， 图3.5 复位电路以在VT1截止时通过VD1把磁能反馈到输入。在VT1截止时，线圈N3两端的电压受U1限制，初级圈的电压U3 (3.5.1)如果N1和N3线圈耦合不了，VT1截止瞬间所发生的尖峰电压会因漏磁通而Bm也会饱和，且会有过大电流流向初级线圈，为防止这种现象，要满足下面（3.5.2）公式 （3.5.2）即 所以 则磁复位串接在N3的中二极管VD1承受电压选择VD1额定电压为800V，符合条件。3.6 功率开关管选择 图3.6MOSFET型功率开关管，有驱动功率小，器件功率容量大；还有是开关速度快，工作频率高，另外他的热稳定性比较好。 根据单端正激式变换器计开关管VT1承受最大电压公式6得: 图3.6 (3.6.1)流过MOSFET开关管最大电流为功率MOSFET表3.72型号最大承受电压VDS（V）最大电流ID（A）最大功率损耗PD（W）封装型号导通最大电阻值RDS（ON）典型值Typ最大值Max正向降VGS（V）正向电流ID（A）2SK345327001080TO-3P(N)IS0.721.01052SK26038003100TO-220AB3.03.6101.52SK2883800375TO-220FL/SM3.03.6101.52SK2605800545TO-220(NIS)1.92.2103.02SK28848005100TO-220FL/SM1.92.2103.02SK26048005125TO-3P(N)1.92.2103.02SK27468007150TO-3P(N)1.31.7103.52SK2606800885TO-3P(N)IS1.01.2104.02SK26078009150TO-3P(N)1.01.2104.02SK3301900120PW-MOLD1.52.0100.52SK2845900140DP8.09.0100.52SK2733900160TO-220AB8.09.0100.52SK27189002.540TO-220(NIS)5.66.4101.52SK26089003100TO-220AB3.74.3101.5根据下面功率MOSFET表3.7，可以选择2SK2718。3.7 输出二极管的选择输出二极管肖特基二极管(作为),低损耗二极管(LLD),高速二极管。输出应该用作低压大电流肖特基二极管,其他人使用低损耗或调整二极管。当选择一个二极管应该选择快速二极管反向恢复时间。这是因为时关闭主开关元件反向二极管电流流入主绕组会影响开关的特点和造成损失也在不断增加。与此同时,输出噪声会严重影响。所以输出整流二极管选择一般原则有四个点。 1、选用正向恢复电压VFRm整流二极管；2、选用正向压降VDF小的整流二极管；3、选用反向恢复时间trr整流二极管；4、选用反向漏电流IR小整流二极管。3.7.1整流二极管VD1选择根据单端正激式变换器（2.5.2）公式，在VT1截止时承受最大压降为流过整流二极管的最大电流、有效值为： (3.7.1) (3.7.2)选择二极管额定电流IF时，按流过的电流有效值IDRms计算值选取，必须考虑散热，选取 可以选择肖特基二极管IN5825,最大承受电压UDS 40V,额定电流为15A.,trr1.0ns3.7.2 续流二极管VD2选择续流二极管VD2上的反向电压UVD2与输出变压器次级电压的最大值是相同的。根据单端正激式变换器公式6得:流过它方向电流Ir一般看作与IO是一样的，即 Ir=Io=10A.可选低损耗二极管MBR1545 续流二极管，它的参数，Uds=45V, IO=15A,trr1.0ns.3.8 恒流输出电路设计3.8.1 恒流输出原理 任何电源要实现恒流功能，均需对电源的输出电流进行检测取样，与电流设置值即参考值进行比较，经负反馈放大调节（P、PI、PID）。线性串联稳压是调节调整管的压降，而开关电源是调节变换器的脉宽（或占空比），维持输出电流的恒定8,18。图3.9.1a是恒流控制反馈系统图。图中Iref是电流设置基准；CR是电流PI调节；Kfi是电流取样反馈系数；RS、Ro是电流取样电阻和负载电阻该系统采用是电流模式控制，可以检测变换器输出电流，适当地选取反馈系数Kfi, 通过P（比例）、PI（比例积分）、PID（比例积分微分器）实现恒流控制。在反馈系数不变情况下，也可以通过改变电压或电流实现恒流值控制。PWMCR整流滤 波DC/DC变换器 IrefIf Kref 图3.8.1a 恒流控制反馈系统图图3.8.1b是恒流电源常用电路，采样电阻RS串联在功率回路里，作为回路电流的采样元件，把回路电流转换成电压信号，与基准电压Uref在放大器中进行比较放大，然后将其送至调整管VT的基极，驱动调整管VT对输出电流IO变化进行补偿校正。就可以实现恒流输出的。图3.8.1b 恒流电源原理图3.8.2 恒流输出计算恒流输出电路是采用集成稳压器构成的开关恒流源电路构成如3-9图所示。MC7815为三端固定式集成稳压器，RL为LED二极管负载电阻，RW为可调电阻器。 图3.8 恒流输出电路工作原理：固定式集成稳压器工作在正常状态，在输出2和公共端3之间接一电位器RW，从而形成一固定恒流源。调节RW，可以改变电流的大小，其输出电流为 式中Iq为MC7815的静电流，小于10mA。当RW较小即输出电流较大时，可以忽略Iq。当电路中电压或者是负载发生变化时，MC7815用改变自身压差来维持通过负载的电流不变的。设RW=115时，那么它输出恒定电流变化范围 因此可以实现10A恒流输出的。3.9 缓冲吸收电路设计在开关电源中，由于变压器的漏感、布线的引线电感存在、开关管在关断瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲。整流快速恢复二极管由于存在存储效应，反向恢复过程中也会出现很高的反向恢复地碾压尖峰脉冲。这些过电压尖峰脉冲的出现不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很强的电磁干扰噪声。为此必须在功率器件两端设计尖峰电压缓冲吸收电路。缓冲电路图如3-9 图3.9 （红色框内是缓冲电路）每个电容器的元素,电容器的端电压不能改变突然从缓冲电路,当MOSFET功率开关电压尖峰脉冲形成能量转移到存储电容器、电阻器和电容器储能缓冲吸收通过食用或返回电压复杂的效果。在二极管的输出产生的浪涌电压反向也受限制,这样侵入电流会反向因此减少,和损失和可能减少振荡。3.10 控制电路设计 开关稳压稳流电源的主回路工作状态，由控制回路来完成，控制回路在主回路中队电压或者电流取样，作为控制回路的输入，其输出控制主回路达到预定工作状态。控制回路多数采用脉冲宽度调制器（PWM）。而下面采用是PC1094C控制电路图如3-10a所示，下面是它结构图与及引脚功能表3.1019。图3.10a PC1094C芯片图表3.10 PC1094引脚功能引脚号功 能引脚号功 能1死区时间控制8