单片开关电源芯片进行的小功率开关稳压电源的设计与制作

目录1前言12开关电源的发展23开关电源的模块设计331开关电源基本原理332开关电源的特点333提高开关电源效率的方法434开关电源的工作方式54总体模块设计741方案一742方案二743方案比较85单元模块设计951脉宽调制及脉冲变压器外围电路952前级共模电感电路1053整流滤波电路1054误差取样及反馈调节电路1155输出端电路126调试与性能分析137设计要点148设计总结159参考文献16附录一电路原理图17附录二PCB图181前言目前，开关电源以体积小、质量轻和效率高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。本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行的小功率开关稳压电源的设计与制作。该开关电源共选用3片主要的集成电路TOP246Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431。利用TOP246Y型6端单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源（SWITCHEDMODEPOWERSUPPLYSMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。开关电源因其高效率在电子产品中得以广泛应用，目前，觉大多数电子设备均采用了开关电源技术，其优点是，设备质量轻、体积小和高效率，大大多数效率高于70，从效率上讲，这是线性直流稳压器无法比拟的。2开关电源的发展随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。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。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20KHZ的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达6570，而线性电源的效率只有3040。因此，用工作频率为20KHZ的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20KHZ革命。随着超大规模芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备如手提计算机、移动电话等更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。1）小型化、薄型化、轻量化、高频化2）高可靠性3）低噪声4）采用计算机辅助设计和控制是开关电源的技术追求和发展趋势。3开关电源的模块设计31开关电源基本原理开关电源的典型电路如图21所示。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C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用一是通过它实现电场磁场电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。TU0VT1UIRLCVD1图31开关电源原理32开关电源的特点开关电源具有输出纹波电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。采用了较新的电路结构，采取一系列措施来降低输出纹波，能在输出过压、过流、过热和电路工作异常时进行保护。具有一定创新性和先进性。线性稳压电源的输出电压稳定度很高，纹波电压很小，其缺点是电源效率低，需使用笨重的工频变压器。而单片开关电源的效率很高，体积小，能省去工频变压器，输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大，可与其他相应的稳压器构成理想的高效、精密稳压电源。GX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（ADAPTER）。本设计的交流输入电压范围是85V265V，这属于全世界通用的电压范围，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。因此，该开关稳压电源的设计主要采用TOP246Y型6端弹片开关电源、线性光耦合器PC817与可调式精密并联稳压器TL431等集成芯片进行设计。33提高开关电源效率的方法提高开关电源效率的方法1、选用合适的芯片，降低空载功耗。2、调整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R为TVS管。3、根据输出二极管两端的峰峰电压选用低耐压的整流管，最好选用品牌肖特基。4、调整输出二极管的LC吸收回路。5、合理选用输入端的热敏电阻，保证在正常工作时，阻值最小。6、合理选用变压器，按照使铜损与铁损减到最小，增大变压器磁芯规格，增加线径，选择低功耗磁芯，调整初级电感量，合理地绕线，使漏感变小的选区标准可以提高效率。7、大电流的走线加宽，可在上面露铜加锡。8、低压大电流时，选择同步整流。9、加大DC输出线线径。10、取消或减小输出负载电阻。34开关电源的工作方式开关电源有两种工作方式1完全能量转换，也叫做非连续导通模式。该模式的特点是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。2不完全能量转换，也叫做连续导通模式。存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。图32开关电源工作方式在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始增大的，上升到峰值再迅速回零。其开关电流波形成梯形。这表明，因为在连续模式下，储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，所以下一开管周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流IP和有效值电流IRMS，降低芯片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量LF，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于选输出功率较小的和尺寸较大的高频变压器。非连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再降至零的。这意味着储存在高频变压器中的能量必须在每形个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。非连续模式下的IP，IRMS值较大，但所需要的IP较小。因此，它适合采用输出功率较大的，配尺寸较小的高频变压器。结合图31以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。1励磁阶段当开关VT1导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。2去磁阶段当励磁阶段结束后，VT1停止导通。由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。3非连续导通阶段当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。在连续导通模式下，不存在这个阶段。本课题设计的高效反激式开关电源控制器始终控制电源工作在非连续导通的情况下，所需的输出电压对应的占空比和工作频率可以通过公式计算得到。但是由于器件的寄生参数以及环境变化，在开关电源中一般采用闭环控制取代开环控制。而闭环控制中的电流控制模式在脉冲调制开关电源中可以大大减少回路上所遇到的各种问题，尤其对于完全能量转换的情况，因此本文的设计将采用电流模式进行闭环控制。4总体模块设计41方案一从输出端输出信号到整流电路以整流电路、脉宽调制电路、稳压电路及脉冲变压器电路组成，其结构框图如下图411所示整流电路输入端脉宽调制电路脉冲变压器电路稳压电路输出端图41方案一原理框图42方案二考虑到让系统更加稳定，我们通过脉宽调制器来控制开关管，并且加入误差取样电路通过光耦的反馈调节，使得输出更加符合设计要求。其接口框图如图412所示220V/50HZ输入整流滤波开关管脉宽调制比较放大误差取样基准电压形成电路直流电压输出直流变换器图42方案二原理框图43方案比较方案一只是简单的进行了一下系统化的设计，没有考虑到具体的反馈调节，由于在现在电源使用中，很多场合都是要求高精度、且稳定性好、并要易于控制的。所以方案二更适合于应用的电路中。要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；第二，切断骚扰信号的传播途径；第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。交流电压经整流电路及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。这部分电路目前己集成化，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间比例，以达到稳定输出电压的目的。5单元模块设计多路电压输出的精密开关电源简要工作原理如下交流电UI经输入整流滤波电路后输入到高频变压器一次侧，电压经反激后，二次侧上的高频电压经过输出整流滤波电路整流滤波后，获得输出电压UO。钳位电路是用来吸收高频变压器的漏感产生的尖峰电压，从而保护了TOPSWITCHHX中功率管不被尖峰电压烧毁。稳压管和光耦合器组成反馈电路。输出电压UO的稳压原理如下当由于某种原因致使UO上升，则光耦中发光二极管的电流升高，经过光耦后，使光耦中的接收管电流也升高，使得TOPSWITCHHX控制端电流升高，经TOPSWITCHHX内部控制后，使控制脉宽占空比降低，导致UO下降，从而实现稳压目的；反之，当UO下降时也一样稳定。电流型控制技术是针对电压型的缺点发展起来的一种新颖的控制思想，它以独特的优越性替代电压型控制被广泛应用于正激、反激及推挽式等DC/DC功率变换器的控制电路中。电流型控制方法可分为三种形式，即峰值电流控制、电流滞环控制以及平均电流控制。由于电流滞环控制方法存在负载的大小对开关频率影响甚大的问题，而平均电流型控制电路实现较复杂，所以本设计是采用峰值电流控制方法。51脉宽调制及脉冲变压器外围电路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，开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率H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，一个高效率的高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组的分布电容及各绕组间的耦合电容小等条件。开关电源中变压器的功能是把输入的高频高电压转变为所需要的高频低电压。所以实际工作情况与线性稳压电源中的电源变压器差别很大。线性稳压电源中变压器输入的是正弦交流电，而开关变压器的初级是开关电源的一部分，工作在直流高频斩波状态下进行。这也是设计开关变压器的基本出发点。在反激式开关电源中，高频变压器既是储能元件又是传递能量的主体，它具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。设计的主要参数包括初级电感量LP，变压器变比N，初、次级绕组匝数NP、NS和反馈绕组匝数NF以及各绕组导线线径等。通过调制脉宽进而调节脉冲变压器的输出电压。如下图51所示52前级共模电感电路L1为共模电感，采取双线并绕，是为了去除共模干扰。其电路如图52所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE6MAR2010SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR、DIANYUANDDBDRAWNBY12J1CON2L1L502123456S1KEY3F1F501C1104V1V2、图52前级共模电感电路53整流滤波电路输入整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容滤波三部分。交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰，整流电路一般选用满足电流阈值的整流桥。输入滤波电容C的容量与电源效率、输出功率密切相关。一般对于宽范围输入的开关电源，C的容量可按比例系数来选取；固定输入时，比例系数变成。此外，输入滤波电容的容量大小还决定着直流高压的数值。其电路如图53所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE6MAR2010SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR、DIANYUANDDBDRAWNBYC2104R139KD1D1D2D1D3D1D4D1C3C1C4C1C5C1C6C1V1V2L503L3V3V4、图53整流滤波电路54误差取样及反馈调节电路误差取样电路和反馈调节电路主要是让电路的输出更加稳定，开关电源的反馈回路有4种基本形式基本反馈电路；改进型反馈电路；带稳压管的光耦反馈电路和带TL431的光耦反馈电路。反馈回路的形式依据输出电压精度而决定。本设计的电路如图54所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE6MAR2010SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR、DIANYUANDDBDRAWNBYR1951KR2051KR21150KR2247KR2347KR2422KT49013D14D4W12KF2F1OUT4、图54误差取样及反馈调节电路55输出端电路输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容、稳压管构成，输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一，是影响开关电源效率的主要因素。肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件，由于其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅04V左右，而整流电流可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。因此适合作为开关电源中的低压整流管，且具有提高效率的功能。其电路图如图55所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE6MAR2010SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR、DIANYUANDDBDRAWNBYC19470PFC20104C26470UFC27470UFR2827KR291KD16D4IN12OUT3IC27805T79013OUT124V12V5V12V、5V、图55输出端电路6调试与性能分析分析一下一个工作周期，当开关管开通的时候，原边相当于一个电感，电感两端加上电压，其电流值不会突变，而线性的上升，有公式上升了的IVSTON/L，这三项分别是原边输入电压，开关开通时间，和原边电感量。在开关管关断的时候，原边电感放电，电感电流又会下降，同样要尊守上面的公式定律，此时有下降了的VORTOFF/L，这三项分别是原边感应电压，即放电电压，开关管关断时间，和电感量。在经过一个周期后，原边电感电流的值会回到原来，不可能会变，所以，有VSTON/LVORTOFF/L，上升了的，等于下降了的。上式中可以用来代替TON，用来代替OFF，移项可得，DVOR/（VORVS）。此即是最大占空比了。经测试，本设计基本达到了对输出电压幅值的要求，并且很好的控制了纹波，达到了设计对多端电压输出的精密开关电源的要求。7设计要点本次设计要求输出电压DC1130V、5V，500MA；212V，150MA；324V，100MA；4纹波电压均要小于或等于120MV。1降低高频变压器损耗（1）直流损耗高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。为提高效率，尽量选择较粗的导线并取电流密度J410A/MM2。（2）交流损耗高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。2减小高频变压器的漏感在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损耗就愈大，这必然导致电源效率降低。减小漏感时可采取以下措施（1）减小初级绕组的匝数；（2）增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯，以增加骨架宽度）；（3）增加绕组的高、宽比；（4）减小各绕组之间的绝缘层；（5）增加绕组之间的耦合程度。3抑制高频变压器音频噪声高频变压器EE型磁芯之间的吸引力，能使两个磁芯发生位移绕组电流相互间的引力或斥力，也能使线圈产生偏移。上述因素均会使高频变压器在工作时发出音频噪声。70W单片开关电源的音频噪声频率为L32KHZ。为防止磁芯之间产生相对位移，通常以环氧树脂作胶合剂，将两个磁芯的3个接触面含中心柱进行粘接。但这种刚性连接方式的效果并不理想。因为这无法将音频噪声减至最低，况且胶合剂过多，磁芯在受机械应力时还容易折断。国外最近采用一种特殊的“玻璃珠”GLASSBEADS胶合剂，来粘合EE型的铁氧体磁芯，效果甚佳。用玻璃珠胶合剂粘接的高频变压器内部结构一般主要是采用这种工艺可将音频噪声降低5DB。为防止高频变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰，可把一铜片环绕在变压器外部，构成屏蔽带。屏蔽带应与地接通，该屏蔽带相当于短路环，能对泄漏磁场起到抑制作用。8设计总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次现代测试技术课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次设计，我知道这个技术的巧妙之处，它在我们身边广泛使用，它具有强大的发展前景，是未来必定的主流技术。在这次设计过程中，体现出自己单独查找知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的贺德全老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，这次现代测试技术及应用课程设计的每个知识点的理解，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。9参考文献1周志敏开关电源的分类及应用M电子工业大学出版社，2001，1136392卢伟国，刘选忠未来电源发展的趋势及成功之路M中国电源学会通讯，1999，1235483沙占友单片开关电源最新应用技术M机械工业出版社，2003，024王英剑，常敏慧，何希才新型开关电源实用技术M电子工业出版社，1999，45鞠文耀电流控制型开关电源的研究C中国电源新技术及应用研讨会论文集，200038416李希茜高频变压器的设计J现代电子技术，2001，9788黎健荣开关电源中的高频变压器设计J机械与电子，20079胡江毅反激变换器的应用研究D南京南京航空航天大学，200310孙海峰，蒋红梅，崔玲玲单端反激电路中高频变压器的设计J开关电源技术，2007，10666811潘腾，林明耀，李强基于TO