基于top243y的反激式开关电源

毕业设计（论文）题目基于TOP243Y的反激式开关电源所属院（系）电子信息工程学院2012年6月10日毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）电子信息工程学院时间2012年3月12日学生姓名指导教师设计（论文）题目基于TOP243Y的反激式开关电源主要研究内容随着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PI公司（POWERINTEGRATIONS）开发的TOPSWITCH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。本设计主要应用一款TOP芯片，设计出一种实用的开关电源。研究方法根据TOPSWITCH芯片资料选择芯片型号，设计电子电路，再应用PI公司提供的设计软件仿真运行，测试各数据指标，最后调试修改电路，最终达到设计要求。主要技术指标或研究目标输出电压（18V）、输出电流（08A）、负载调整率（4）、供电效率（80）教研室意见教研室主任（专业负责人）签字年月日说明一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目录目录I摘要IIIABSTRACTIV第1章绪论111开关电源的基本概念112开关电源的发展2121开关电源的发展概况2122开关电源的技术目标和发展趋势313本论文的设计研究意义514本设计的工作环境6第2章开关电源的分类和工作原理721开关电源的基本分类722开关电源的基本组成和原理1223TOPSWITCHGX系列开关电源的特点和工作原理14231TOPSWITCHGX系列六端开关电源芯片的特点14232TOPSWITCH系列电源的工作原理概述15233四种反馈电路的基本类型16234单片开关电源的两种工作模式17第3章电路结构的选择1931设计流程图1932电路拓扑类型的选择20321电路拓扑结构选择要注意的问题20322拓扑结构的对比分析20第4章开关电源中的器件介绍2341TOP243Y开关电源芯片23411TOPSWITCHGX系列芯片23412TOP243Y参数2842TL431型可调式精密并联稳压器2843LTV817A型光电耦合器3044电力二极管31441普通二极管GENERALPURPOSEDIODE31442快恢复二极管（FRD）31443肖特基二极管（SBD）3145共模电感3246高频隔离变压器EE1933461变压器磁芯、骨架33462变压器线圈绕制方法34463变压器的装配、浸渍36第5章系统的设计与实现3751系统的设计目标3752主要子电路设计37521输入级和EMI滤波部分37522功率转换电路部分38523输出电路41524反馈电路4253负载特性测试分析43531负载特性测试电路图43532负载性特性测试所用器材44533负载特性测试结果44第6章设计实验总结47参考文献48致谢49附录1总体电路图50附录2元件清单51基于TOP243Y的反激式开关电源摘要开关电源是随着脉宽调制技术（PWM）和电力电子器件的发展和完善而逐渐兴起的一种电源技术，它通过控制功率开关管的占空比，来获得一个稳定的输出电压。与线性电源相比，开关电源具有功耗小，体积小，效率高，稳压范围广等突出优点，在工业自动化控制、仪器仪表、通讯设备、数码产品等领域得到了广泛应用。美国PI公司开发的TOPSWITCH系列高频开关电源芯片将自启动电路、高压MOSFET、PWM控制电路及保护电路等集成到一个芯片上，提高了电源的效率。TOP系列电源芯片也成为了国际上开发中小功率开关电源的优选集成电路。本文主要阐述了基于TOP243Y芯片的反激式开关电源的设计过程，包括通过PIEXPERT软件设计电路，制作调试实物电路，最终实现宽压输入（AC85265V）稳压输出（DC18V）的设计目标。关键词开关电源，反激式，脉宽调制，TOPSWITCHASWITCHINGPOWEROFFLYBACKBACEDONTHETOP243YABSTRACTSWITCHINGPOWERSUPPLYISAGRADUALLYRISINGPOWERTECHNOLOGYBECAUSEOFTHEDEVELOPMENTOFTHEPULSEWIDTHMODULATIONPWMANDTHEIMPROVEMENTOFTHEPOWERELECTRONICDEVICESITCANOBTAINASTABLEOUTPUTVOLTAGEBYCONTROLLINGTHEDUTYCYCLEOFPOWERSWITCHINGTRANSISTORCOMPAREDWITHLINEARPOWERSUPPLY，SWITCHINGPOWERSUPPLYWITHLOWPOWERCONSUMPTION，SMALLSIZE，HIGHEFFICIENCY，WIDEVOLTAGEREGULATIONRANGEANDMANYOTHEROUTSTANDINGADVANTAGES，HASBEENWIDELYAPPLIEDINTHEFIELDOFINDUSTRIALAUTOMATIONANDCONTROL，INSTRUMENTATION，COMMUNICATIONSEQUIPMENT，DIGITALPRODUCTS，ETCTOPSWITCHFAMILYHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYCHIP，WHICHDEVELOPEDBYTHEPIUS，INTEGRATINGTHESELFSTARTINGCIRCUIT，HIGHVOLTAGEMOSFET，PWMCONTROLCIRCUITANDPROTECTINGCIRCUITONTOASINGLECMOSCHIPTOIMPROVETHEEFFICIENCYTOPSERIESPOWERSUPPLYCHIPHASALSOBECOMETHEPREFERREDICINTHEFIELDOFDEVELOPMENTOFSMALLANDMEDIUMPOWERSWITCHINGPOWERSUPPLYATTHEINTERNATIONALLEVELTHISARTICLEFOCUSESONTHETOP243YCHIPBASEDFLYBACKSWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNPROCESS，INCLUDINGTHEDESIGNOFTHECIRCUITBYTHEPIEXPERT，PRODUCTIONANDCOMMISSIONINGOFTHEPHYSICALCIRCUIT，TOACHIEVETHEDESIGNGOALSOFTHEWIDEVOLTAGEINPUTAC85265VANDSTABLEVOLTAGEOUTPUTDC18VKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLY，FLYBACK，PWM，TOPSWITCH第1章绪论11开关电源的基本概念随着电力电子技术的高速发展，电力电子器件与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。20世纪80年代以来，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。进入90年代，开关电源相继进入各种电子、电气设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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）控制IC和开关器件构成。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泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。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两个明显的优点1效率高。采用占空比控制的开关电源，在理想情况下，只进行能量的变换而没有损耗。实际上，电路中开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素，电感和电容元件也有等效串联电阻和漏电流等非理想因素，所以存在损耗。但电路的总效率仍能达到8598，远远高于靠动态电阻调节的线性电源，通常比相控电源的效率也要高些。2体积小、重量轻。开关电源采用较高的开关频率，一般高于20KHZ这一人耳的听觉极限。因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减少。而线性电源和相控电源通常都需要采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。所以在同等功率的条件下，开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源时的1/10。另外，开关电源的效率较高，需要的散热器也较小，这在很大程度上减小了体积和重量。同时，还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。12开关电源的发展121开关电源的发展概况1955年美国罗耶（GHROGER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（JENSEN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元器件改善，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MOSFET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RC或LC缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的浪涌电流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MHZ级的变换器的实用化研究。综观开关电源发展的四十年，主要经历了以下三个阶段第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件BPT、SCR、GT0发展为MOS型器件（POWERMOSFET、IGBT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块IPEM技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。20世纪90年代中后期，随着集成电路的发展，出现了各种类型的单片开关电源集成电路。它将开关电源中的脉宽控制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，能构成高效率无需工频变压器的隔离式开关电源。比较有代表性的是，荷兰PHILIPS公司2000年研制的TEA1520系列开关电源；美国ONSEMI公司19982002年前后开发的NCP1050、NCP1000系列单片开关电源；美国MOTOROLA公司1999年推出的MC33370系列五端开关电源；美国PI公司于1994年最先推出了TOPSWITCH系列第一代产品，被人们誉为“顶级开关电源”，1997年推出了TOPSWITCH系列，1998年推出了TINYSWITCH系列，2000年推出了TOPSWITCHFX系列，随后又推出了TOPSWITCHGX系列，并作为主流产品加以推广。本设计以TOPSWITCHGX系列中的TOP243Y为核心设计开关电源电路。122开关电源的技术目标和发展趋势强大的市场需求，始终是开关电源发展的重要动力。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。以ACDC的变换为例，与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。正因为如此，1994年我国原邮电部做出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。几年来的实践已经证明，这一决策是完全正确的。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面1小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。2高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。3低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。4采用计算机辅助设计和控制采用仿真技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。13本论文的设计研究意义开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行小功率开关型稳压电源特性的研究。单片开关电源克服了以往开关电源设计中外围元件和辅助电路复杂等问题，有力地促进了开关电源的高效化、模块化和集成化。本文采用TOP243Y研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了理论的可行性。具有较强的适用性。本设计主要内容如下根据开关型稳压电源采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等新型电源特点，设计并制作出一种输出电压18V，额定输出电流08A的小功率开关电源。本设计的交流输入电压范围是AC85V265V，该电源能同时实现输入过流保护、过压保护等功能。主要采用TOP243Y、LTV817A、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合来完成。14本设计的工作环境硬件环境各种元器件，电路板；软件环境PIEXPERT80开关电源设计软件，PROTEL99SE电路板设计软件。第2章开关电源的分类和工作原理21开关电源的基本分类开关电源的分类方法有多种。按驱动方式来分，可分为自激式和它激式自激式开关电源由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡，它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止。按开关管的个数及连接方式分，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等单端式仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方式分，可分为串联型与并联型开关电源串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式（BUCK）稳压电路，而并联型开关电源的开关管是与输出负载相并联的，属于升压式（BOOST）电路。此外，还可分为隔离与非隔离型，调频、调幅及两者混合型等。1单端反激式开关电源反激式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。开关电源中的高频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，通过高频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。图21单端反激式开关电源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，能方便的实现单路或多路输出。并且开关管的驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝数比使占空比保持在最佳范围内，具有较好的电压调整率。其输出功率为20100W，工作频率在20200KHZ之间，是开关电源设计中最常用的一种拓扑方式。但是，它也有一定的缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大等。不过，这些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。本次设计采用的就是这一种拓扑结构。2单端正激式开关电源单端正激式开关电源的典型电路如图22所示。它与单端反激式电路在形式上相似，但工作情形不同。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。图22单端正激式开关电源在电路中还设有箝位线圈与二极管VD1，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。电路中脉冲的占空比不能大于50。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50200W的功率。但变压器结构复杂，体积也较大。因此，实际应用并不多。3自激式开关稳压电源自激式开关电源的典型电路如图23所示。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。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。图23自激式开关电源4推挽式开关电源推挽式开关电源的典型电路如图24所示。它属于双端式变换电路，使用两个开关管VT1和VT2，在外激励方波信号的控制下交替导通与截止，在变压器T次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。图24推挽式开关电源这种电路的优点是两个开关管容易驱动，缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100500W范围内。5降压式（BUCK）开关电源降压式开关电源的典型电路如图25所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输入的整流电压经VT1和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感L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L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。图25降压式（BUCK）开关电源6升压式（BOOST）开关电源升压式开关电源的稳压电路如图26所示。当开关管VT1导通时，电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L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26升压式（BOOST）开关电源7反转式开关电源反转式开关电源的典型电路如图27所示。这种电路又称为升降压式开关电源，无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感L中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容C充电。降压式、升压式、反转式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。图27反转式开关电源22开关电源的基本组成和原理开关稳压电源通常由整流滤波电路、功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路部分组成。其中，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。开关稳压电源的电路原理框图如图28所示整流电源开关管滤波二次整流二次滤波采样输出比较器PWM控制基极驱动高频变压器MOSFET为核心为反馈采集电压放大误差输入电路功率转换输出电路基准电压控制电路频率振荡发生器交流输入直流输出图28开关稳压电源的原理框图首先，交流电经输入部分整流电路和滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电。然后，该直流电又通过功率转换电路进人高频变压器被转换成所需的电压值，最后再将这个电压经输出部分整流滤波电路的整流、滤波后变为所需要的直流电供给用电设备。这中间，电源的稳压是靠反馈控制电路（控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到电压的稳定输出）来实现的。即输出电流经取样器送至比较器，使之与基准电压电路中的电流相比较，然后由脉宽调制电路根据比较结果来进行脉宽调制，从而控制功率转换电路中相应功率输出的大小，最后实现输出电压的稳定。本次设计所采用的TOP243Y芯片的就集成化的实现了这部分电路的功能。23TOPSWITCHGX系列开关电源的特点和工作原理231TOPSWITCHGX系列六端开关电源芯片的特点（1）TOPSWITCHGX内部主要由控制电压源、带隙基准电压源、频率抖动振荡器、脉宽调制器、并联调整器、并联调整器/误差比较器、门驱动级和输出级、高压功率开关管（MOSFET）、偏置电路、过流保护电路，以及过压、欠压检测及保护电路，过热保护电路，上电复位电路，软启动电路，轻载时自动降低开关频率电路，停止逻辑，开启电压为1V的电压比较器等组成。通过高频变压器使输出端电压和电网实现隔离，使之具有体积小、效率高、安全可靠的特点。（2）输入交流电压范围很宽，可以是固定230VAC15，或者宽范围85265VAC，但在宽范围输入情况下，最大输入功率降低40左右。输入信号的频率范围为47440HZ。（3）开关频率典型值为132KHZ，在轻载时可以工作在半频工作模式，最大占空比可达80，电源效率80左右，最大可达到90。（4）TOPSWITCHGX有六个引出端，它们分别是控制端C、线路检测端L、极限电流设定端X、源极S、开关频率选择端F、漏极D。控制端C具有多项功能该端电压VC为片内并联调整器和门驱动极提供偏压；通过控制该端的电流来调整占空比；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。（5）TOPSWITCH通过反馈电流IC来调节占空比，从而实现稳压。例如当某种原因导致电源的输出电压VO降低时，则将经过光耦反馈电路使ICDVO，从而实现VO的稳定。（6）能有效地降低开关电源所产生的电磁干扰（EMI）。（7）外围电路简单，成本低廉，外部只需要接整流滤波器、高频变压器、漏极箝位保护电路、反馈电路和输出电路。这能增加电路的可靠性和降低成本。232TOPSWITCH系列电源的工作原理概述TOPSWITCH系列单片开关电源的典型应用电路如图29所示。由于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，因此本电源采用单端反激式电路。图29单片开关电源的典型应用电路由图29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UAC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，两者叠加在直流输入电压上，加至内部功率开关管MOSFET的漏极上，因此必须在漏极增加箝位保护电路。箝位电路由瞬态电压抑制器或稳压管VDZ1和阻塞二极管VD1组成，VD1宜采用超快恢复二极管。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，因而箝位电路不起作用。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。该电源的稳压原理简述如下反馈绕组电压经过VD3，CF整流滤波后获得反馈电压UFA，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSWITCH的控制端提供偏压。CT是控制端C的旁路电容。输出电压UO通过电阻分压器R1、R2分压并获得取样电压，与TL431中的25V基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变TOP243Y的控制端电流IC，芯片内部再根据IC的变化改变占空比D，调节开关管的开闭时间比例，改变输出电压。例如，某种情况下，输出电压UO升高，此时，反馈电路检测得到UF增大，IC增大，又因为TOPSWITCH芯片的输出占空比D与IC成反比，故D减小，这就迫使UO降低，达到稳压目的。反之，UO减小，导致UF减小，IC减小，进而D减小，最终使UO减小，同样起到稳压作用。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSWITCH的占空比，使输出电压趋于稳定的。233四种反馈电路的基本类型单片开关电源的反馈电路有4种基本类型基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配TL431的光耦反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路。它们的简化电路如图210所示图210反馈电路的4种基本类型A基本反馈电路B改进型基本反馈电路C配TL431的光耦反馈电路D配稳压管的光耦反馈电路（A）基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型化、经济型开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率SU152；负载调整率SI44。（B）改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管VDZ和电阻R1，即可使负载调整率达到22。VDZ的稳定电压一般为22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压UFB，满足电路的需要。（C）配TL431的光耦反馈电路，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UO作精细调整。这种反馈电路适于构成精密开关电源。（D）配稳压管的光耦反馈电路，由VDZ提供参考电压UZ，当UO发生波动时，在LED上可获得误差电压。因此，该电路相当于给TOPSWITCH增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对UO进行调整。由于本设计旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作，所以选择配TL431的光耦反馈电路。234单片开关电源的两种工作模式单片开关电源有两种工作模式，一种是连续模式CCMCONTINUOUSCURRENTMODE，另一种是非连续模式DCMDISCONTINUOUSCURRENTMODE。这两种模式的开关电流波形分别如图211所示。由图可见，在连续模式下，一次绕组开关电源是从一定幅度开始的，然后上升到峰值，再迅速回零。在开关电流波的模式下，由于储存在高频变压器的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，因此下一个开关周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小一次绕组峰值电流和有效值电流，降低芯片的功耗。但连续模式要求一次绕组电感量，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用与功率较小的TOPSWITCH和尺寸较大的高频变压器。不连续模式的开关电流是从零开始上升大峰值，再降至零的，这就意味着储存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完成释放掉，其开关电流波呈三角形。不连续模式下的一次绕组峰值电流和有效值电流值较大，但所需要的LP较小，因此，它适用与输出功率大的TOPSWITCH芯片，配尺寸较小的高频变压器。本次设计采用的就是不连续模式。图211两种模式的开关电源电流波形第3章电路结构的选择31设计流程图开始生产准备设计过程根据常规的设计要求选择一种拓扑结构设计变压器导线规格确定半导体器件的型号设计输出电压选择整流器与滤波电容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VCC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考虑PCB布置和结构测试所有功能对设计进行修改在测试室进行测试选用何种拓扑结构黑箱计算变压器设计输出滤波器和整流器功率开关和驱动电路设计控制器设计输出反馈设计启动电路设计保护电路设计高层功能设计热分析和设计实验电路和结构设计测试与设计结果区别优化设计EMI/RMI测试图31设计流程图在本设计中，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，并且PI公司提供了智能化的电路设计软件，所以，在设计时可以省去上面的几个环节，只需对芯片进行好选型和拓扑选择。32电路拓扑类型的选择321电路拓扑结构选择要注意的问题（1）升压或降压输入电压是否总比输出电压高或低，如果不是就不能选择BUCK变换器或BOOST变换器。（2）占空比输入电压和输出电压是否相差5倍以上，如果是，就可能要用变压器。计算合适的占空比，不要使占空比太小或太大。（3）需要多少组输出电压如果多于一组，除非再后接电压调节器，否则就可能需要变压器，输出电压组数很多时，建议用多个变换器，这样做的结果比较理想。（4）是否需要隔离考虑电压的高低，如果需要隔离就需要变压器。（5）EMI有什么要求EMI的要求很重要，通常不采用输入电流不连续的那些拓扑，如BUCK变换器，BOOST变换器，最好让变换器工作于电流连续模式。（6）成本高低对离线式电源来说，也可以用IGBT，否则就考虑MOSTET。（7）电源是否需要空载工作如果电源需要空载工作，变换器就要工作于电流断续模式，除非是同步整流。（8）是否能够同步整流同步整流不管负载大小如何，都可以是变换器工作于电流连续模式。（9）输出电流的大小如果输出电流很大，选用电压模式要比电流模式控制好。322拓扑结构的对比分析BUCK电路存在着很多限制，变换电路上只有一个电感，没有变压器，这就意味着输入和输出之间不可能有隔离。BUCK变压器只能对输入电压进行降压变换，如果输入电压比输出电压低，变换器就不能正常工作，而且BUCK电路只有一路输出，如果需要多路输出电压，除非愿意采用第二级电压调节器，如接线性调节器，BUCK电路就不能使用；虽然BUCK电路既可以工作于电流连续状态，又可以工作于电流断续状态，但是输入电流总是断续的，这就意味着每个周期里，当开关关断时，输入电流为零，输入电流断续会使EMI滤波器要比别的电路拓扑更大，而且BUCK电路不应用门极驱动。BOOST电路一个周期时间内，开关导通时，电压加于电感上，电流以某一斜率上升，并将能量储存在电感中，当开关关断时，电流将过二极管流向输出电容和负载。但是BOOST变换器只有一个输出电压，无法得到多个输出电压，输出电压和输入电压没有隔离，输出电压不能比输入电压低，即使完全关断开关，输出电压只能等于输入电压（忽略二极管的导通压降）。如果你需要只有一组输出且不用隔离的电源，那么BOOST变换器只需要处理只有一个绕组的电感即可。正激式变换器需要有一个最小负载，电感必须足够大，才能保证脉动电流的峰值小于最小负载电流，否则电流就不会连续，并引起输出电压上升，所以正字式变压器不能工作在空载状态，因为无穷大的电感是不现实的。正激式变换器的变压器不能存储能量，因此不像反激式变换器那样有功率上的限制，变换器只有一个电感，用来平滑输出电容上的电流，正激式变换器可以做到500W甚至更大，这对MOSFET的要求比较高。反激式变换器，开关导通时，能量存储于变压器原边的电感中，注意变压器的同名端，当开关关断时，漏极电压要高于输入电压，变压器副边电压高于地，使二极管导通，向输出电容和负载提供电源。反激式变化器可以在变压器副边有多少个绕组，方便地输出多组电压。各个输出电压和原边隔离，而且各组输出电压可以任意大小，仅仅通过调节器的变比就能实现。这种电阻可以工作于电流模式，也可以工作于电流断续模式，而且反激式变换器最常见的工作模式是电流断续模式。本设计的开关电源的输入是我们所用的日常的交流电，而输出的电压是18V，输出的最高电流是08A。因为BUCK变化器和BOOST变化器是不用变压器的，是非隔离式的，而且都是针对小功率的，只能单方面的升压或降压，且不能多路输出，调试上不出现问题，但考虑到尽量缩小电源体积带来的EMI的高要求和隔离电源的目标，所以不采用BUCK变化器和BOOST变换器。正激电路的优点很多，但是正激变换器的变压器是不能够存储能量的，虽然没有功率上限，但是正激电路多采用双正激开关电路用在较大的功率场合，而且对于要求严格的MOSFET管，以现有的条件限制无法满足。从实验室现有的材料，我准备采用输出功率更大、设计灵活性更强、高效节能的集成电源芯片。综合上述因素与设计目标，以及采购芯片的因素，最终选择了以TOP243Y作为核心制作反激式开关电源。第4章开关电源中的器件介绍41TOP243Y开关电源芯片411TOPSWITCHGX系列芯片TOPSWITCHGX系列是美国POWERINTEGRATIONS公司继TOPSWITCHFX之后，于2000年底新推出的第四代单片开关电源集成电路，它是三端离线式PWM开关的英文缩写（THREETERMINALOFFLINEPWMSWITCH）被誉为“顶级开关电源”并将作为主流产品加以推广。下面阐述TOPSWITCHGX系列芯片的性能特点、产品分类和工作原理。1性能特点（1）该系列产品除具备TOPSWITCHFX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。（2）采用TO2207C封装的TOP242TOP249产品，新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSWITCHFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。（3）将开关频率提高到132KHZ，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。（4）当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132KHZ降低到30KHZ（半频模式下则由66KHZ降至15KHZ），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。（5）采用了被称作ECOSMART的节能新技术，显著降低了在远程通断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为160MW。2产品分类根据封装形式和最大连续输出功率的不同，TOPSWITCHGX系列可划分成三大类、共14种型号，详见表41。型号中的后缀P、G、Y分别表示DIP8B、SMD8B、TO2207C封装。表41TOPSWITCHGX的产品分类及最大连续输出功率固定交流输入（110/115V/230V15）宽范围交流输入（85V265V）产品型号密封式电源模块敞开式电源密封式电源模块敞开式电源TOP242P/G9W15W65W10WTOP242Y10W22W7W14WTOP243P/G13W25W9W15WTOP243Y20W45W15W30WTOP244P/G16W30W11W20WTOP244Y30W65W20W45WTOP245Y40W85W26W60WTOP246Y60W125W40W90WTOP247Y85W165W55W125WTOP248Y105W205W70W155WTOP249Y120W250W80W180W3TOPSWITCHGX的引脚功能TOPSWITCHGX的引脚排列如图41所示。其中，TO2207C封装有6个引出端，它们分别是控制端C，线路检测端L，极限电流设定端X，源极S，开关频率选择端F，漏极D。漏极D引脚高压功率MOSFET的漏极输出。通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。控制C引脚误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动补偿电容的连接点。线电压检测L引脚仅限Y、R或F封装过压OV、欠压UV、降低DCMAX的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。外部流限X引脚仅限Y、R或F封装外部流限调节、远程开关控制和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。频率F引脚仅限Y、R或F封装选择开关频率的输入引脚如果连接到源极引脚则开关频率为132KHZ，连接到控制引脚则开关频率为66KHZ。P和G封装只能以132KHZ开关频率工作。源极S引脚这个引脚是功率MOSFET的源极连接点，用于高压功率的回路。它也是初级控制电路的公共点及参考点。图41TOPSWITCHGX的引脚排列3TOPSWITCHGX的工作原理采用Y封装的TOPSWITCHGX系列产品，其内部框图如图2所示。电路主要由18部分组成（1）控制电压源；（2）带隙基准电压源；（3）频率抖动振荡器；（4）并联调整器误差放大器；（5）脉宽调制器（含PWM比较器和触发器）；（6）过流保护电路；（7）门驱动级和输出级；（8）具有滞后特性的过热保护电路；（9）关断自动重起动电路；图42TOPSWITCHGX的内部框图（10）高压电流源；（11）软起动电路；（12）欠压比较器；（13）电流极限比较器；（14）线路比较器；（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；（16）轻载时自动降低开关频率的电路；（17）停止逻辑；（18）开启电压为1V的电压比较器。它与TOPSWITCHFX的主要区别为新增加了第（16）、（17）、（18）项单元电路；给电流极限调节器也增加了软起动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132KHZ（全频模式）或66KHZ（半频模式）；给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”（STOPLOGIC）电路，使之工作更为可靠。TOPSWITCHGX的工作原理仍然是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压VO降低时，经过光耦反馈电路使得IC减小，占空比则增大，输出电压随之升高，最终使VO维持不变。4内部极限电流与外部可编程极限电流TOPSWITCHGX的漏极极限电流，既可由内部设定，亦可从外部设定。这是它与TOPSWITCH的另一显著区别。其内部自保护极限电流ILIMIT的最小值、典型值和最大值见表42，测试条件为芯片结温TJ25。ILIMIT会随环境温度的升高而增大。TOPSWITCHGX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏源极导通电阻RDSON上的漏极峰值电流IDPK。当IDPKILIMIT时，过流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过流保护作用。将TOPSWITCHGX与TOPSWITCH进行比较后不难发现，TOPSWITCHGX的极限电流容许偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差为10001A，相对偏差达01/10010010。而TOP244P/G的容差为100007A，相对偏差减小到007/1001007。这表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y来设计开关电源时，由于TOP244P/G不需要留出过多的极限电流余量并且它把最大占空比提高到78（TOPSWITCH仅为67），因此在相同的输入功率输出电压条件下，TOPSWITCHGX要比同类TOPSWITCH的输出功率高出1015，并且还能降低外围元件的成本。为方便用户使用，也可从外部通过改变极限电流设定端（X）的流出电流IX（用负值表示，