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毕业设计（论文）基于TOP225Y的开关电源 摘 要 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。开关电源因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、可靠性高、低噪声、节能、安全等众多优点，自20世纪90年代中期以来便显示出强大的生命力，引起了国内外电源界的普遍关注。目前，开关电源继续朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展，涌现出许多开关电源的新技术和新产品。TOPSwitch系列芯片是Powerlntegration公司生产的开关电源专用集成电路。它将脉宽调制电路与高压MOSFET开关管驱动电路等集成在一起，具备完善的保护功能。本文介绍了开关电源的发展，贴点，分类；利用当今开关电源发展的新技术、新趋势，设计并制作出安全、高效、节能的辅助电源开关电源。本开关电源了TOP225y等芯片以及其他的电路元件配合，设计出能实现自动稳压功能的单端反激式拓扑辅助电源开关电源。关键词：辅助电源，开关电源，top225y，单端反激 BASED ON THE TOP225Y SWITCHING POWER SUPPLY ABSTRACT Along with the rapid development of electronic technology, the application of electronic system is more and more extensive, types of electronic equipment, electronic equipment is also more and more people work and life, the relationship is increasingly close. Any electronic equipment are inseparable from the power supply reliability of power supply, the higher requirements. Electronic equipment miniaturized and low cost of the power to light and thin and small and efficient for development direction.Switching power supply because of its small volume, light weight, high efficiency, low calorific value, high reliability, low noise, energy saving, safety, since many advantages in the mid 1990s has demonstrated the formidable vitality, the power of the worlds attention. At present, switch power, small, move towards light and thin, energy saving, safety and the direction of development, there are lots of switch power supply of new technology and new products.TOPSwitch series Powerlntegration chip is switch power company produces special integrated circuits. It will pulse width modulation circuit and the high voltage MOSFET switch tube drive circuit integrated together, with perfect protection function.The paper introduces the development of switch power supply, stick, classification, Using the current development of switch power supply of new technology and new trends, design and produce safe, efficient, energy-saving auxiliary power switch power supply. The switching power supply for TOP225y chips and PC817A TL431, such chips and other circuit elements, design through rectifier, feedback, filtering, etc. To realize automatic voltage circuit voltage function of single flyback auxiliary power switch power of topology.KEY WORDS: Auxiliary power supply, Switched Mode Power Supply, TOP225Y, Single flyback目 录前 言1第一章 绪论21.1 开关电源的基本概念与特点21.1.1 开关电源的基本概念21.1.2 开关电源的特点21.2 开关电源的发展历史与趋势31.2.1 开关电源的发展历史31.2.2 开关电源的发展趋势31.3本论文的内容介绍4第二章 开关电源的基本类型及工作原理62.1开关电源的基本类型62.2开关电源的原理框图及基本工作原理92.2.1 开关电源的原理框图92.2.2开关电源的工作原理102.2.3脉宽调制式开关电源的基本工作原理102.3TOPSwitch-系列单片开关电源的工作原理11第三章辅助电源通用开关电源的研制143.1开关电源的一般设计流程143.2技术指标和性能要求143.3关键元器件的选择与介绍143.3.1TOP225Y型3端单片开关电源143.3.2可调式精密并联稳压器TL431173.3.3线性光耦合器PC817183.4开关电源的电路设计193.4.1高频变压器的设计193.4.2输出滤波电路的设计213.4.3 反馈电路223.5基于TOP225Y的开关电源原理图及工作原理223.5.1Protel软件介绍223.5.2基于TOP225Y的开关电源原理图233.5.3基于TOP225Y的辅助电源开关电源工作原理的分析233.6开关电源印制板的设计263.6.1PCB设计的一般原则263.6.2PCB及电路的抗干扰措施27第四章 总结284.1开关电源的主要技术指标284.2开关电源的干扰及其抑制284.2.1开关电源的干扰的产生284.2.2抑制干扰的措施294.3设计的体会与问题总结30参考文献31致 谢32IV前 言 1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。 60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关净化稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关净化稳压电源成为各种电源的佼佼者。 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关净化稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100kHz200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制， 90年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关净化稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关净化稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。 第一章 绪论 1.1 开关电源的基本概念与特点 1.1.1 开关电源的基本概念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IC和MOSFET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，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，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阔的发展空间。 开关电源技术包含以下重要的组成部分：1. 元器件技术:包括涉及开关器件的电力电子器件技术和涉及变压器、电感等主要磁性元件的磁技术，以及涉及电容等其他无源元件的技术。2. 电路技术:主要研究各种基本开关电路、整流滤波电路及吸收电路等。3. 控制技术:主要研究适用于开关电源的各种开关控制方法。4. 电磁兼容技术:研究开关电源中电磁干扰的产生、传播和抑制等问题。5. 散热技术:利用传热学理论，分析和解决开关电源发热元件的散热问题。1.1.2 开关电源的特点现代电子设备使用的电源大致分为线性稳压电源和开关稳压电源两类。与线性稳压电源相比，开关电源有以下的特点：1.功耗小：由于开关管功率损耗小，不需要采用大散热器。2.稳压范围宽：当开关电源输入交流电压在150V-250V范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2%以下，始终能保持稳压电路的高效率。因此，开关电源适用于输入电压变化较大的场合。3.体积小、重量轻：开关电源将输入的电网交流电直接整流后逆变成高频电压，再通过高频变压器获得各组不同的高频电压，这样可以省去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源的体积大大减小，重量减轻。4.稳定性可靠：开关电源一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路的时候，能自动切换电源，保护功能灵敏可靠。1.2 开关电源的发展历史与趋势1.2.1 开关电源的发展历史1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的净化稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关净化稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关净化稳压电源成为各种电源的佼佼者。1.2.2 开关电源的发展趋势1.高频化技术：电源轻、小、薄的关键是高频化。因此，国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器以及电容器小型化，并同时采用表面安装技术，在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。2.模块化技术：可用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并联可以实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩大容量。采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。3.高可靠性：开关电源使用的元器件比线性电源多数十倍，因此，降低了可靠性。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。4.低噪音：开关电源的又一缺点是噪音大，单纯追求高频化，噪音也随之增大。采用部分谐振变换技术，在原理上说既可以高频化，又可以低噪音。但谐振变换技术也有其难点，如很难准确的控制开关的频率、谐振时增大了元器件的负荷、场效应晶体管的寄生电容易引起短路损耗、元器件热应力转向开关管等问题难题解决。5.智能化：采用计算机辅助设计和控制，使开关电源具有最简结构和最佳工况，可构成多功能监控系统，实现实时检测、记录并自动报警等功能。1.3本论文的内容介绍1. 光伏逆变器简介有一套额定功率为500W的光伏并网逆变器，该并网逆变器能实现最大功率跟踪和反孤岛效应控制功能，控制部分采用基于TMS320F240型DSP的电流跟踪控制策略，实现了与网压同步的正弦电流输出。光伏并网逆变器主要由二部分组成：前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器。这2部分通过DClink相连接，DClink的电压为400V。在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为100V170V。DCDC变换器采用boost结构，DCAC部分采用全桥逆变器，控制电路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能，DC-AC逆变器维持DClink中间电压稳定并将电能转换成220V50Hz的正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。该电网系统图如图1-1所示 图1-1光伏电网结构系统图2 设计内容指标本论文是设计一个为给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，且与主电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为100VDC170VDC；输出的3路电压分别为+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W)；输出电压波动小于1。并且采用单端反激式开关电源电路。在设计中主要采用TOP225Y等专用芯片以及其他的电路元件相配合来完成。 第二章 开关电源的基本类型及工作原理 2.1开关电源的基本类型开关电源种类繁多，按不同的标准，大致有以下几种分类法。 1.按激励功率开关晶体管的方式来分：自激型，开关管兼作振荡器中的振荡管；他激型，功率开关管的导通和截止由外加激励信号控制。 2.按调制方式来分：脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)，它在保持振荡频率不变的情况下，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭合回路，来稳定输出电压； 频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)，它在保持占空比不变或关断时间不变的情况下，通过改变振荡器的振荡频率来稳定并调节输出电压的幅度； 混合调制，通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并调节输出电压幅度的目的，相对于脉宽和频率同时改变。 3.按功率开关电路的结构形式来分： 非隔离型，主电路中无高频变压器； 隔离型，主电路中有高频变压器；具有软开关特性的谐振型。 4.按储能电感与负载的连接方式来分：串联型，储能电感串联在输入与输出电压之间；并联型，储能电感并联在输入与输出电压之间。 5.按控制方式来分： 电压控制型，反馈回路中提取输出端的电压作为反馈信号；电流控制型，不单提取了输出端的电压作为反馈信号，还另外构造一个以电流为控制信号的反馈回路。 6.按连接晶体管的方式来分：单端式，仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，它具有价格低、电路结构简单等特点，但输出功率不能提高；推挽式，使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式，它的特点是开关变压器必须具有中心抽头；半桥式，使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的放大形式，适用于输入电压较高的场合；全桥式，使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的放大形式，其特点是输出功率较大。下面就重点的介绍一下几种常见的开关电源：1. 单端正激式开关电源图2-1就是典型的单端正激式开关电源电路图。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。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。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50200 的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。 图2-1 单端正激式开关电源2.单端反激式开关电源 图2-2就是单端反激式开关电源的典型电路。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅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 整流和电容滤波后向负载输出。 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20100，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，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VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20200kHz之间。 图2-2 单端反激式开关电源3. 自激式开关稳压电源图2-3 自激式开关电源 图2-3是典型的自激式开关电源电路。接入电源后R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。同时，感应电压给C1充电。随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低并退出饱和区，Ic减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需的电压。4.升压式开关电源 图2-4就是升压式开关电源的典型电路。当开关管 VT1 导通时，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。图2-4 升压式开关电源5.降压式开关电源 图2-5就是降压式开关电源的典型电路。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向充电，这一电流使电感中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。图2-5 降压式开关电源2.2开关电源的原理框图及基本工作原理2.2.1 开关电源的原理框图 图2-6开关电源原理框图按照要求，本论文采用的是DC-DC的开关电源，与常用的AC-DC相比他就简单了一些，不需要在开始先要整流滤波，因此它主要由高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路部分组成。控制电路又包括取样器、基准电压、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。2.2.2开关电源的工作原理 如图2-7所示，电路有开关K、续流二极管D、储能电感L、滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。 图2-7开关电源原理图 2.2.3脉宽调制式开关电源的基本工作原理图2-8 PWM开关电源控制原理及波形图开关电源有两种基本形式，一种是脉冲宽度调制（PWM）其特点是固定开关的频率。通过改变脉冲宽度来调节占空比(D)；另一种是脉冲频率调制（PFM），其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。二者的电路不同，但作用效果相同，均可达到稳压之目的，都属于时间比率控制方式（TRC）。 在本文中是采用了绝大多数都是用的脉宽调制式开关电源。其原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载发生变化的情况下，根据反馈的结果，调节开关器件的脉冲宽度（输出电压的高或低而使占空比相应小或大）使输出电压稳定。PWM开关电源的控制原理如图2-8所示。当UI与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度即占空比（在一个周期内T内,开关导通的时间Ton所占整个周期T的比例,称为占空比D,D=Ton/T），就可达到稳定电压的目的。2.3TOPSwitch-系列单片开关电源的工作原理线性稳压电源的输出电压稳定度很高，纹波电压很小，但需使用笨重的工频变压器。而单片开关电源能省去工频变压器，效率高、体积小，可与其他相应的稳压器构成理想的高效、精密型稳压电源。本设计就是采用Topswitch-单片开关电源等集成芯片进行设计的。Topswitch系列集成电路适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器。其典型应用电路如图2-9所示。图2-9 单片开关电源（TOPSwitch）的典型应用电路该电源的稳压原理简述如下：由图可见，高频变压器初级绕组NP的极性与次级绕组NS、反馈绕组NF的极性相反。在TOPSwitch导通时，次级整流管VD2截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传输给次级。高频变压器在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。图中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容，COUT是输出端滤波电容。交流电压经过整流滤波后得到直流高压，经初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。在功率MOSFET关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上还会产生感应电压(即反向电动势)UOR，两者叠加至内部功率开关管MOSFET的漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管VDZ1和超快恢复二极管VD1组成。当MOSFET导通时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致VD1截止，因而钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉。反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压UF，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。CI是控制端C的旁路电容。输出电压Uo通过电阻R1、R2分压，与TL431中的2.5V基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变控制端电流。TOPSwitch的占空比D与IC（控制电流）成反比，是通过调节D来稳定输出电压的。比如： 当某种原因使Uo减小，将导致UF减小，Ic减小，进而D增大，又使Uo增大，最终使输出电压趋于稳定，反之亦然。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比实现稳压的。 第三章辅助电源通用开关电源的研制3.1开关电源的一般设计流程 大部分开关电源的设计流程可以归结为：明确设计指标；按照要求选择一种合适的拓扑结构；确定半导体器件的型号和设计的难点；设计变压器、导线等；设计输出电压和选择整流器与滤波电路；设计驱动电路；选择控制方式和控制IC、设计基本功能；设计电压反馈和交叉调整电路；设计启动电路和输入电路；根据要求设计过电压过电流和紧急保护电路；设计接口电路和功能；设计需要的散热器和热转移方面的考虑；设计PCB布置和结构；测试所有功能，对设计进行修改。在本设计中，由于采用了TOPSwitch智能芯片，其本身集成了保护电路、关断电路、自动重启电路等。所以，在设计时可以省去上面的几个环节，只需对其进行好选型。3.2技术指标和性能要求 本文根据50W光伏并网逆变器辅助电源的工作需求，采用了单端反激式电路，设计出来了较为实用的开关电源。它应具备小功率通用开关电源纹波小、电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。其具体的技术指标如下： 直流输入电压：100V170V；直流输出电压：+15V(2.5W)、-15V(2.5W)、+5V(5W)；输出电压波动小于1%。3.3关键元器件的选择与介绍3.3.1TOP225Y型3端单片开关电源一. TOPSwitch系列芯片的介绍 美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国功率集成公司又推出了TOP Switch系列器件。TOP Switch系列器件和TOP Switch系列器件相比，内电路作了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。与TOP Switch系列器件相比，TOP Switch系列器件在输入电压为100V、115V或230VAC时，系统功率从（0100）W提高到（0150）W，在三种电压下均可工作时，系统的功率从（050）W提高到（090）W，从而使得TOP Switch器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。本文采用的TOP225Y就是属于TOP Switch系列的。 TOPSwitch系列产品具有以下显著著特点： 1. TOPSwitch-II内部包括振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管（MOSFET）、偏置电路、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断自动重启动电路。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可靠。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。2. 只有三个引出端：控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。以控制端为例，它具有三项功能：该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；该端电流IC能调节占空比；该端还作为电源支路与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，并对控制回路进行补偿。 3. 输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选220V15%交流电，若配85265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47440Hz。4. 开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是1.7%67%。电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是070芯片最高结温Tjm=135。5. TOPSwitch-II的基本工作原理是利用C控制端的反馈电流IC来调节占空比，达到稳压目的。6.外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。二TOP225Y的基本介绍1.TOP225Y的管脚TOP225Y采用TO-220-7C封装形式，其外形如图3-1所示。它有三个管脚，分别为漏极D、源极S、控制端C。 控制端C：误差放大电路和反馈电流的输入端。其作用是：正常工作时，利用控制电流的大小调节占空比，为芯片提供正常工作的偏置电流。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。源极S：连接内部MOSFET的源极，同时也是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。漏极D：连接内部MOSFET的漏极，是内部电流的检测点，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。图3-1 TOP225Y封装图2.TOP225Y的内部工作原理框图 图3-2 TOP225Y的内部工作原理框图 TOP225Y 内部结构图如图3-2所示。电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在 RFB 两端产生压降，经 RC 滤波后，输入到 PWM 比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压进行比较，产生脉宽调制信号并驱动 MOSFET 管，因而可通过控制极外接的电容充电过程实现电路的软启动。当控制极电压 Uc 达到 5.7V 时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向 Uc 供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级 MOSFET 的占空比，实现稳压。当输出电压升高时， Uc 升高，采样电阻 RFB 上的误差电压亦升高；而在与锯齿波电压进行比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于 4.7V 时， MOSFET 管关闭，控制电闰群民马永翔路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向 Uc 充电，其关断自动复位滞回比较器使 Uc 保持在 4.7V 5.7V 之间。3.3.2可调式精密并联稳压器TL431 TL431是由美国德州仪器和摩托罗拉公司生产的2.536V可调式精密并联稳压器。其工作电流范围宽，动态电阻低，输出杂波低。该器件的典型动态阻抗为0.2，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。此外，TL431还能组成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图3-3所示。其中，A为阳极，使用时需接地；K为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF是输出电压Uo的设定端，外接电阻分压器；NC为空脚。图3-3 TL431的电气符号图和等效电路图TL431的电路图形符号和基本接线如图3-4所示：R3是限流电阻。其稳压原理为：当Uo上升时，取样电压UREF也随之升高，使UREFUref（内部2.5V基准电压），比较器输出高电平，使VT(内部晶体管)导通，Uo开始下降。反之，Uo下降会导致UREF下降，从而UREFUref，使比较器再次翻转，输出变成低电平，VT截止、Uo上升。这样的循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫使Uo趋于稳定，从而达到了稳定的目的，并且UREF=Uref。图3-4 TL431的基本接线和电路符号3.3.3线性光耦合器PC817 光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。光电耦合器PC817特点：1.电流传输比 (CTR: MIN. 50% at IF=5mA ,VCE=5V)2.高隔离电压:5000V有效值3.紧凑型双列直插封装,PC817为单通道光耦,PC827为双通光光耦,PC837为三通道,PC847为四通道光耦. 其内部框图如图3-5所示： 图3-5 PC817内部框图 在本中采用了TL431和PC817构成的反馈电路，如图3-6所示：图3-6 PC817与TL431配合的电源反馈电路 其工作原理就是当输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流发生变化，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP225Y的控制端C端。通过改变TOP225Y的控制端电流大小，调节其输出占空比，从而实现稳压的目的。3.4开关电源的电路设计3.4.1高频变压器的设计 一 磁芯的确定设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。 铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中。在本文中为满足 TOP225Y 芯片 100kHz 的工作频率，选用锰锌铁氧体材料，磁心的形状 ( 如 E1 、 EE 等 ) 应尽可能的选择圆形磁芯以减小漏感。二 高频变压器参数计算的介绍1，最大占空比，式中：Vor是感应反向电动势，Vds是TOP225Y的通断电压。 2.变压器初级自感，式中：Po是系统输出中功率，是TOP225y的开关频率。 3.导线截面积由经过个绕组的品均电流、峰值电流、均方根电流、纹波电流确定。输入电流的平均值;初级峰值电流,式中：为初级纹波电流与初级峰值比值。 4.变压器初级匝数,式中：为磁芯截面积，为磁芯最大磁通密度。反馈绕组匝数，式中：次级绕组匝数，反馈电压，反馈回路对应的输出电压。变压器次级匝数,式中：为每伏匝数，为输出电压，肖特基整流管导通压降。三 高频变压器绕制的注意事项 图3-7 单端反激式开关电源变压器绕制示意图高频变压器的结构如图3-7所示，NP、NS、NF分别代表初级、次级和反馈级的绕组，110为骨架的引出端。 首先，初级绕组必须绕在最里层。其优点在于：一是能缩短每匝导线的长度，减小其分布电容；二是初级绕组能被其他绕组所屏蔽，可降低初级绕组对相邻元件的干扰。其次，反馈绕组的最佳位置取决于开关电源采用初级调整方案还是次级调整方案。采用前者时应将反馈绕组置于初、次级绕组之间，这样能对初级回路元件上的电磁干扰起到屏蔽作用；采用后者时需把反馈绕组绕在最外层，此时反馈绕组与次级绕组的耦合最强，对输出电压的变化反应得更灵敏，能提高调整度。 另外，绕制多路次级绕组时，输出功率最大的绕组应靠近初级，以减小漏感。在初、次级之间增加屏蔽层或绕一层漆包线，以减小初、次级之间干扰与耦合。 四 变压器设计要点高频变压器是单片开关电源的核心部件，鉴于这种高频变压器在设计上有其特殊性，为此专门阐述降低其损耗及抑制音频噪声的方法。高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性（EMC）。为此，一个高效率高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。对于降低损耗主要分两个方面：首先是直流损耗可以用较粗的导线来提高效率；至于交流损耗方面可以使导线的有效流通面积减小，等效阻抗增加。为了减小趋肤效应，实际可用更细的导线多股并绕，而不用一根粗导线绕制。 对于减小漏感可以采取减少初级绕组的匝数、增加绕组间的耦合度、减小每匝导线的长度的措施。对于多路输出的开关电源，输出功率最大的次级绕组应靠近初级绕组以增加耦合，减小磁场泄漏。3.4.2输出滤波电路的设计滤波电路一般分为电容滤波电路和电感滤波电路。其电路图如图3-8所示。(a)电容滤波电路 (b电感滤波电路 (c)LC复式滤波电路 图3-8 滤波电路 电容滤波的工作原理：电路中，负载或其他原因会导致电压波动。当输入电压UI升高时，对电容C进行充电，从而削去了电压或电流的尖峰；当输入电压UI降低时，电容放电，把能量补充给负载。其结果就是使得负载RL上的电压变得平滑。电感滤波工作原理：由于电感自身特性，当输入电流升高时，电感会产生磁场阻碍其升高；当输入电流降低时，电感会释放磁场能量阻碍其降低。其结果同样使负载上的电压变得平滑。由图可以看出，复式滤波电路是电容滤波电路和电感滤波电路的组合，能进一步降低纹波，所以滤波效果更好。复式滤波电路有很多种形式，只要元件放置合理就行，本设计主要采用LC复式滤波电路。3.4.3 反馈电路 反馈回路的形式依据输出电压精度决定，本设计使用“光藕 +TL 431 ” 可以把输出电压精度控制在 1 。电压反馈信号经分压网络 (R4 、 R5) 引入 TL431 的 Ref 端，转化为电流反馈信号，经光藕隔离后输入到 TOP225Y 控制端。光藕工作在线性状态，起隔离作用，如果所选光藕的 CRT( 电流放大率 ) 上限超过 200 ，则易造成 TOP225Y 过压保护，相反若 CRT 下限小于 40 ，占空比 D 将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此 , 应选择 CRT 范围接近 100 的光藕。本文光藕选择 SIEMENS 的 CNY17-2 ， CRT 为 63 125 。3.5基于TOP225Y的开关电源原理图及工作原理3.5.1Protel软件介绍 PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编