毕业论文-宽输入范围开关电源设计

编号（）字号本科生毕业设计题目姓名学号班级二八年六月宽输入范围开关电源设计汪光和21040400电气工程及其自动化04级3班中国矿业大学本科生毕业设计姓名汪光和学号21040400学院应用技术学院专业电气工程及其自动化设计题目宽输入范围开关电源设计专题指导教师胡泳军职称副教授2008年6月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院应用技术学院专业年级电气04学生姓名汪光和任务下达日期2008年3月15日毕业设计日期2008年3月15日至2008年6月10日毕业设计题目宽输入范围开关电源设计毕业设计专题题目毕业设计主要内容和要求1主要内容（1）掌握开关电源工作原理；（2）设计一个微机保护用开关电源,分析各模块的工作过程,确定器件参数；（3）完成PCB设计（原理图、印制板图）；（4）翻译电气自动化方面专业外文资料约3000字。2要求设计一个微机保护用开关电源，输入电压范围是85265V，开关电源的输出为三路直流电源。第一路输出为额定电压5V，额定电流2A；第二路输出为额定电压12V，额定电流05A；第三路输出为额定电压12V，额定电流05A。院长签字指导教师签字摘要随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。进入90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备的应用领域，如程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等。当今开关电源正向着集成化、智能化、绿色化的方向发展，高度集成、功能强大的单片开关电源代表着当今开关电源发展的主流方向。本文介绍了高频开关电源的概述、国内外发展状况与趋势、分类及应用、工作原理，还重点讲述了单端反激式变换器和单片开关电源芯片TOPSWITCH。TOPSWITCH系列芯片是POWERINTEGRATION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开关管及驱动电路等集成在一起,具备完善的保护功能。使用该芯片设计的小功率开关电源,可大大减少外围电路,降低成本,提高可靠性。阐述了其内部结构和工作原理,给出几种应用于反激式功率变换电路的典型用法,并设计了一种基于TOP224Y三端离线式PWM集成芯片的反激式开关稳压电源分析了TOP224Y的特性和工作原理,设计了一款功率22W,输出5V、12V的单片开关电源,对系统输入整流滤波电路、高频变压器、箝位保护电路、输出整流滤波电路及反馈电路五个部分进行了详细的分析,并按照指标要求,进行了实际参数值计算、器件的选取与电路设计，该开关稳压电源效率高、纹波小、输出电压稳定,性能优良,适合于仪器仪表的控制用电。关键词开关电源TOPSWITCH高压MOSFE开关管单片开关电源单端反激式高频变压器ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICTECHNOLOGY,THEPOWERELECTRONICEQUIPMENTSHASAINCREASINGLYCLOSERELATIONWITHOURWORKANDDAILYLIFENOELECTRONICEQUIPMENTCANWORKWITHOUTARELIABLEPOWERSINCE1990STHESWITCHINGPOWERSUPPLYHASBEENUSEDINALLKINDSOFFIELDSSUCHASEXCHANGERS,COMMUNICATION,TESTINGEQUIPMENTS,CONTROLEQUIPMENTSANDSOONNOWADAYS,ITISBECOMINGMOREANDMOREINTEGRATED,INTELLIGENTANDGREENTHEHIGHINTEGRATEDANDPOWERFULSINGLECHIPSWITCHINGPOWERSUPPLYWILLBETHEDOMINANTTRENDINTHEDEVELOPMENTOFTHESWITCHINGPOWERSUPPLYTHEBRIEF,THESITUATIONANDTRENDOFDEVELOPMENT,CLASSIFICATIONANDAPPLICATION,ANDWORKINGPRINCIPLEOFHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYAREINTRODUCEDINTHISPAPERITHASALSOTOLDTHESINGLEENDFLYBACKCONVERTERANDSINGLESLICEOFSWITCHPOWERCHIPTOPSWITCHINSTEADESPECIALLYTOPSWITCHSERIESINTERGRATEDCIRCUITSAREPRODUCEDESPECIALLYFORSWITCHINGPOWERSUPPLYBYPOWERINTEGRATIONCOMPANY,WHICHINTEGRATEPWMANDHIGHVOLTAGEMOSFETTOGETHER,ANDHAVEPERFECTPROTECTIONFUNCTIONDESIGNINGLOWPOWERSWITCHINGPOWERSUPPLYWITHSUCHINTEGRATEDCIRCUITSCANDECREASEPARTSCOUNTANDCOST,INCREASERELIABILITYINTHISPAPERTHEINTERNALCONSTRUCTIONANDPRINCIPLEOFTOPSWITCHAREINTRODUCED,INCLUDINGSEVERALTYPICALFEEDBACKCIRCUITSANDAKINDOFPRACTICALELECTRICCIRCUITAFLYBACKSWITCHINGPOWERSUPPLYBASEDONTOP224YISPRESENTEDFIRSTLY,THEPRINCIPLEANDCHARACTERISTICSOFTHISSINGLECHIPSWITCHINGPOWERSUPPLYAREANALYZEDASINGLECHIPSWITCHINGPOWERSUPPLYISDESIGNEDACCORDINGTOTHEFEATURESOFTHECHIPWHICHOUTPUTPOWERIS22WANDOUTPUTVOLTAGEARE5V,12VAND12VSECOND,THEEXTERNALCIRCUITSOFSYSTEMINCLUDEFIVEPARTS,THESEAREINPUTRECTIFIERFILTERCIRCUIT,HIGHFREQUENCYTRANSFORMER,CLAMPPROTECTCIRCUIT,OUTPUTRECTIFIERFILTERCIRCUITANDFEEDBACKCIRCUITACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS,THEDETAILEDANALYSISOFTHEFIVEPARTSISPRESENTED,CALCULATIONOFTHEVALUESOFTHEPARAMETERSANDSELECTIONOFTHECOMPONENTSAREPROVIDEDATLAST,THEPOWERSUPPLIESHAVEHIGHEFFICIENCY,LOWRIPPLE,STABILITYOUTPUTVOLTAGEANDEXCELLENTELECTRICALCHARACTERISTICS,ANDAREUSEDASCONTROLPOWERSUPPLYOFINSTRUMENTSANDMETERSKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLYTOPSWITCH；HIGHVOLTAGEMOSFETSINGLECHIPSWITCHINGPOWERSUPPLYSINGLEENDEDFLYBACKHIGHFREQUENCYTRANSFORMER目录1绪论111开关电源概述112开关电源国内外发展状况与趋势213开关电源的工作原理314开关电源的分类415开关电源变换器的基本电路616开关电源的应用1017开关电源中的功率开关器件1018课题简介11181所选课题的意义11182本课题的研究内容、研究方法122单片开关电源的工作原理和分类1321单片开关电源的基本原理13211单片开关电源的两种工作模式14212单片开关电源反馈电路的四种基本类型1522单片开关电源的产品分类916221三端单片开关电源16222TINYSWITCH系列四端开关电源19223MC33370系列五端单片开关电源2023TOPSWITCH单片开关电源系列产品22231TOPSWITCH系列器件简介22232TOPSWITCH产品分类、性能及结构特点2324TOPSWITCH系列器件25241TOPSWITCHII系列单片开关电源的性能特点1025242TOPSWITCHII系列单片开关电源的工作原理2725五端单片开关电源的原理与应用30251TOPSWITCHFX系列芯片的性能特点30252TOPSWITCHFX的管脚功能和内部结构303单片开关电源的系统设计3331单片开关电源功率计算3332TOP224Y的主要性能特点和工作原理33321性能特点1133322工作原理123433开关电源电路的总体设计35331输入整流滤波电路的设计36332高频变压器的设计37333箝位保护电路的设计41334输出整流滤波电路的设计1441335反馈回路的设计15434开关电源的PCB设计技术4541PROTEL99SE原理图设计4542印刷电路板（PCB）设计4643PCB图基本设计方法和原则47431PCB布局、布线设计47432印刷电路板图设计的基本原则要求49433印刷电路板图设计中应注意的问题505毕业设计总结52参考文献53附录1开关电源电路原理图54附录2TOPSWITCH的内部结构图55附录3开关电源PCB板图56附录4开关电源PCB板的3D图57翻译部分58英文原文58中文译文63致谢701绪论11开关电源概述二十世纪八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，而且对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来许多领域，例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件简称五新不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高简称五高。有了五高，开关电源就有更强的竞争实力，应用也更为扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面L能否全面贯彻电磁兼容各项标准；2能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产；3能否组建大容量电源；4电气额定值能否更高如功率因数或更低如输出电压；5能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求。这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，是五个挑战。简称五挑战把挑战看成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例，ACDC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题，用什么办法来解决毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用DCDC开关电源和有源功率因数校正的开关电源，成本比单机增加20成功解决了这个问题。现在，又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源，成本只增加5在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入电流的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于10的要求。这样的事例，不断从近年发表的科研论文中反映出来。开关电源干扰技术及防止电网污染技术以引起国内外专家注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成，、“电力电子封装技术”等。现在新的器件能低压工作、降压很小陆续进入市场，因而可得到1V的低压输出和功率小到I0MW的开关电源、功率密度达56W/CM3，为便携装置微型化提供了条件。现在可以用软开关PWM技术、印刷电路、折叠绕组变压器，可以采用非晶纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90，大功率电源可达到95左右。开关频率以20KHZ为下限，几十、几百倍的提高。体积设备、重量越来越显著下降。外形也可以做成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而是精致、灵巧可设计成兼有“智慧”的装置了。二十世纪九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已经有了长足的进展，理论、研究、生产、应用等已有相当的成果或规模，采用了有效的均流技术和软开关技术，如大家所熟悉的朝阳电源就是一种较为完善的开关电源，但是，现在的开关电源都是为邮电通讯系统设计的低电压的模块，象电力系统的操作电源所用的220V/110V的电源则研究较少，深圳华为公司的电源模块有用于电力系统的智能型高频开关电源，质量不错，但是，它的三次和五次谐波较大，我们知道谐波对电网有危害作用，大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变另一方面，会造成电路故障，使用电设备损坏。例如线路和配电变压器过热谐波电流会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏。另外，因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到09，如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到099以上。12开关电源国内外发展状况与趋势1955年美国罗耶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年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家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25千赫兹的开关电源。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有3560；开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达7095。因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着当今稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主导产品1。高频开关电源自问世至今，已经历了近四十年的发展。高频化、小型化、模块化、智能化、环保化仍是21世纪开关电源的发展方向。低压大电流和高压大电流是开关电源发展的两大支路23。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。他们已经逐步做到功能齐全，质量稳定，并能实行全智能，无人值守，基本上接近国际先进水平的产品。但由于我国配套工业落后，有些元器件还得依赖进口。目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展，现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可生产200A的MOSFET开关整流器（模块）。此外采用谐振变换技术的48V/200A开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品45。开关电源的小型化、高频化受开关损耗的制约。开关频率越高，损耗越大，不仅使电源的效率降低，而且因温升增加，需要庞大的散热系统。以保证器件在规定的允许温度下可靠工作。功率开关器件工作频率的提高，只是为开关电源的高频化提供基础。要实现电源的高频化还必须改进变换器的控制技术，以使开关损耗近似为零，即开关损耗与开关频率无关。软开关变换技术可以实现这一目的。软开关变换器控制技术是实现开关电源装置高频化、高效率最有发展和应用前景的变换器。它是在硬开关PWM变换器的基础上，附加一个谐振网络。谐振网络通常由电感器、电容器和功率开关管等元器件组成。谐振网络谐振工作使功率开关器件在零电压或零电流条件下开关。开通或关断时刻不出现电压、电流重叠现象，减小了开关器件的应力和损耗，同时也降低了开关过程中产生的DI/DT、DV/DT和电磁干扰噪声。模块化、智能化、集成化一直是电力电子专家和工程师所追求并为之奋斗的目标。电源实现模块化、集成化是提高可靠性、降低制造成本、缩短生产周期、提高使用性和可维修性的重要条件。集智能化、驱动控制、保护于一体的智能IGBT功率模块2000V/600A已成为商品。开关电源向集成化化方向发展将是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量。因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高。另外，数字控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向。这依附于DSP运行速度和抗干扰技术的不断提高。至于先进的控制方法，目前已经有模糊控制、嵌入式MCU等只能控制方式移植到开关电源的控制，相信随着数字控制的普及，今后还会有一些新的控制理论运用到开关电源中来。13开关电源的工作原理开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源的控制原理如图11所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压UO取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压UO可由式11计算111MOUT式中UM矩形脉冲最大电压值；T矩形脉冲周期；T1矩形脉冲宽度。当UM与T不变时，直流平均电压UO将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可达到稳定电压的目的。图11脉宽调制式开关电源控制原理图开关稳压电源的电路原理框图如图12所示。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入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。这部分电路目前已集成化，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。图12开关电源电路原理框图14开关电源的分类开关稳压电源的构成方法很多，其分类方法也多得使人无所适从，下面介绍其中的几种分类方法6。一、按输出能量的形式分类（1）直流开关电源其输出是高质量的直流电能。（2）交流开关电源其输出是高质量的交流电能。二、按驱动方式分类（1）自激式开关电源其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用。如单管振铃扼流圈变换器，即称RCC变换器；双管单变压器ROYER电路；双管双变压器JENSEN变换器电路。（2）它激式开关电源其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号驱动开关管。三、按能量转换过程的类型分类（1）直流直流（DCDC）变换器它是将一种直流电转换成另一种或几种直流电。DCDC变换器是直流开关电源的核心部件，也是非隔离式或隔离式变换器直流电源的重要组成部分。（2）逆变器（DCAC）它是将直流电转换成交流电的开关变换器，有的称其为变流器，是交流输出开关电源和不间断电源的主要部件。（3）开关整流器（ACDC）它是将交流电转换成直流电能的一种电源装置，这种变换器其变换过程应该理解为交流直流交流直流（ACDCACDC）。（4）交流交流变频器（ACAC）它是将一种频率的交流电直接转换成另一种恒频或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换成恒频交流电的变换装置。四、按输入与输出是否隔离分类（1）隔离式开关变换器它是高频变压器将变换器的一次侧与二次侧隔离。这种变换器结构主要有单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。（2）非隔离式开关变换器它是在电气上输入输出不隔离的。输入与输出共用一个公共端。这种变换器结构主要有降压型变换器、升压型变换器、降压升压变换器以及它们的组合变形电路，如CUK变换器、ZETA变换器、SEPIC变换器等。五、按功率开关管关断和开通工作条件分类（1）硬开关变换器功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下接通或关断的。这样不但产生开关损耗，而且形成开关尖峰干扰噪声，需要附加屏蔽、滤波等抗噪声技术，才能满足高精度、高性能用电设备的要求。（2）软开关变换器功率开关器件是在不承受电压或电流应力的情况下接通或关断的；或是加于开关管上的电压为零，称零电压开关；或是流过开关管的电流为零，称零电流开关。因开关过程中无电压、电流重叠，开关损耗大大降低，而且开关噪声电压小，有利于开关变换器的高频化、小型化。六、开关电源按控制方式分类（1）脉冲宽度调制（PWM）式它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定。（2）脉冲频率调制（PFM）式它采用脉冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。（3）PWM与PFM混合式即前二者兼而有之的方式，既控制脉冲宽度，又改变脉冲频率，用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。15开关电源变换器的基本电路直流开关电源变换器按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分为非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。两者除了均有变压功能外，后者还有输入电量和输出电量在电气上的隔离，以满足某些场合的需要。在非隔离式变换器中，本节将重点介绍降压型变换器、升压型变换器、电压极性反转型变换器。在隔离式变换器中，将叙述应用双极型晶体管作为开关且开关管自身起着振荡元器件作用的自激式变换器和他激式PWM变换器。1单端反激式变换器单端反激式变换器的典型电路如图13所示。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T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，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1截止时，变压器T副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。IUT1CLROU1VT图13单端反激式变换器电路单端反激式开关变换器电路简单、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，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调整率。其输出功率为20100W。它也有其一定的缺点，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。但这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。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。2单端正激式变换器单端正激式变换器的典型电路如图14所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，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。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。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。图14单端正激式变换器电路3自激式开关变换器自激式开关变换器的典型电路如图15所示。当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，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。与此同时，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，致使VT1退出饱和区，IC开始减小，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，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式变换器那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。图15自激式开关变换器电路自激式开关变换器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。4推挽式变换器推挽式变换器的典型电路如图16所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，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。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要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。图16推挽式变换器电路5降压式变换器降压式变换器的典型电路如图17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17降压式变换器电路6升压式变换器升压式变换器的稳压电路如图18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，形成升压式变换器。图18升压式变换器电路7反转式变换器电压极性反转式变换器的典型电路如图19所示。这种电路又称为升降压式反极性变换器。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、反转式变换器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19电压极性反转式变换器电路16开关电源的应用开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。如金属焊接与切割电源、表面处理工程、环境保护、激光、电力系统、通信领域、蓄电池充电、风能和太阳能发电、电动机调速、军事装备中的应用。17开关电源中的功率开关器件开关电源中无论何种结构的变换器，作为电子开关的功率开关管是不能缺少的重要器件，要求其只工作在快速开通和快速关断两种状态，以减小转换过程中引起的损耗，同时要求通态正向压降小。以下介绍几种变换器中使用的功率半导体开关器件7。1双极结型晶体管（BJT）它是多数载流子与少数载流子共同参与导电的电流型驱动器件，有复合效应引发的存储时间问题，多用于小功率PWM变换器及自激开关电源中。而达林顿连接的双极结型晶体管GTR模块，具有高电压、大电流、绝缘良好等优点，用于功率较大的PWM变换器。2场效应晶体管（FET）它是利用多数载流子参与导电的器件。直流输入阻抗很高，交流阻抗与频率有关。它是电压型驱动控制器件，要求驱动功率小。在高频（比如100KHZ）使用MOSFET比使用双极结型晶体管具有更多的好处，比如无载流子复合的存储时间问题、动作速度快、工作频率高、不存在二次击穿、具有正温度系数、多管并联可自动均流。缺点是导通压降大，漏源击穿电压大的管子导通电阻大，一般限制功率MOSFET在高反压开关电源中应用，电压和电流容限等级不大。MOSFET适用于高频中、小功率开关变换器的电子开关及同步整流。使用MOSFET时，驱动脉冲的幅度应控制在10V左右。这是因为大多数MOSFET的导通门槛电压在25V，又因栅源间氧化层击穿电压在2030V。过高的脉冲幅度或信号振荡，有可能击穿栅源间的氧化层。为防止振荡，一般在靠近栅极串联一只小电阻，在栅源之间接瞬态抑制二极管或稳压管，驱动电路至MOSFET栅极的引线越短越好，并尽量使用绞合线。3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT结构与MOSFET相似，只是多了一个P层引出作为发射极。它兼有双极型晶体管和场效应晶体管的优点。控制时有MOSFET的特点电压型控制器件、开通、关断特性好、速度快；导通时具有双极型晶体管的特点电压、电流容限大，压降小。在高频开关电源中IGBT与MOSFET成为功率开关器件的主体。IGBT更适合于频率50KHZ以下的中、大功率开关变换器，而MOSFET更适合于频率50KHZ以上的中、小功率开关变换器。IGBT中的NPT（非穿通型）IGBT具有电压高、速度快、损耗小、温度特性好、热阻小等特点，与PT（穿通型）IGBT相比有明显的应用优势。4门极关断晶闸管（GTO）GTO在SCR晶闸管的基础上，增加了门极可关断功能，要求驱动功率大，门极驱动电路复杂。而且由于关断期间的不均匀性引发“挤流效应”，使GTO关断DV/DT限制在5001000V/S，需要体积大而笨重、昂贵的吸收电路。GTO主要应用在低频（500HZ）的开关变换器大功率装置中。5集成门极换流晶闸管（IGCT）IGCT芯片的基本图形和结构与常规的GTO类似，主要采用了特殊的环状门极。它与GTO相比具有良好的开通特性，不用缓冲电路即可实现可靠关断等优点，主要应用于高功率、高电压的低频（1KHZ左右）的变流器中。6MOS门控晶闸管（MCT）MCT是在晶闸管的基础上再集成一对场效应MOS管。一个为P沟道场效应管，专控制MCT导通，称为ONFET。另一个为N沟道场效应管，专控制MCT关断，称为OFFFET。MCT充分利用晶闸管良好的通态特性及MOS管优良的开通和关断特性，驱动与MOSFET、IGBT相似。MCT具有低的正向导通压降，在电流密度相同的情况下，MCT的正向导通压降比MOSFET、GTR、IGBT要低。工作频率与阴极电流有关，电流小时工作频率基本不变，中等电流时工作频率随电流线性下降，大电流时工作频率随电流增大而急剧下降而失去开关能力。MCT在高压大功率变换器中是有发展前途的开关器件，但达到GTO替代产品的水平及商业实用化还需要相当长的时间。7静电感应晶体管（SIT）SIT也是一种门极可关断高电压、大电流高速开关器件，工作频率至少比GTO高一个数量级。控制功率范围与GTO相当。18课题简介181所选课题的意义电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60来自电源，因此，电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有3560；开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达7095。因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。开关稳压电源的优越性主要表现在1功耗小由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。2稳压范围宽当开关稳压电源输入的交流电压在150250V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。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区。3体积小、重量轻开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。182本课题的研究内容、研究方法研究内容设计一个微机保护用开关电源,分析各模块的工作过程,确定器件参数。输入电压范围是85265V，开关电源的输出为三路直流电源。第一路输出为额定电压5V，额定电流2A；第二路输出为额定电压12V，额定电流05A；第三路输出为额定电压12V，额定电流05A。研究方法100V交流电压经过电磁干扰EMI滤波及整流滤波后,得到的直流电压加到单端反激式变换器上,用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOSFET管,通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压,经过整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。为了实现恒压和恒流功能,需要对电源的输出电压和电流进行检测取样,与电压和电流设置值即参考值进行比较,经过负反馈放大调节控制P、PI或PID。线性串联稳压器是调节调整管的压降，而开关电源是调节变换器的脉宽，从而维持输出电压和输出电流的恒定。2单片开关电源的工作原理和分类单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于20世纪90年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力，目前它已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。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，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及创造了良好条件。单片开关电源不仅在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保护电路和关键元器件的选择方面有许多独到之处，而且特别适合用计算机来完成整个开关电源的设计工作，这已成为国际电源领域的一项新技术。21单片开关电源的基本原理TOPSWITCH系列单片开关电源的典型应用电路如图21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，因此该电源采用单端反激式电路。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VAC经过整流滤波后得到直流高压VI，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）VOR，两者叠加在直流输入电压VI上，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，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。图21单片开关电源的典型应用电路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VFB，经光耦和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。设稳压管VDZ2的稳定电压为VZ2，限流电阻R1两端的压降为VR，光耦和器中LED发光二极管的正向压降为VF，输出电压VO可表示为VOVZ2VFVR。当由于某种原因（如交流电压升高或负载变轻）致使VO升高时，因VZ2不变，故VF就随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使TOPSWITCH的控制端电流IC增大。但因TOPSWITCH的输出占空比D与IC成反比，故D减小，这就迫使VO降低，达到稳压目的。反之，VOVFIFICDVO,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。211单片开关电源的两种工作模式单片开关电源有两种基本工作模式一种是连续模式CUM（CONTINUOUSMODE），另一种是不连续模式DUM（DISCONTINUOUSMODE）。这两种工作方式的小信号传递函数是极不相同的，动态分析时要做不同处理。当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化或负载在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式。因此反激式变换器长要求能在完全和不完全能量转换方式下稳定工作。这两种模式的开关电源波形分别如图22（A）和图22B所示。由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其开关电流波形呈梯形。这表明在连续模式下，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LP，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于功率较小的单片开关电源和配备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到峰值，然后再降至零的。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全释放掉，其开关电流波形呈三角形。不连续模式下的IP、IRMS值较大，但所需要的LP较小。因此，它适合于采用输出功率较大的单片开关电源和配尺寸较小的高频变压器。（A）连续模式（B）不连续模式图22两种模式的开关电流波形212单片开关电源反馈电路的四种基本类型单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有四种基本类型8（A）基本反馈电路；（B）改进型基本反馈电路；（C）配备稳压管的光耦反馈电路；（D）配备TL431的光耦反馈电路。它们的简化电路如图23所示。图23（A）为基本反馈电路，其优点是电路简单，成本低廉，适于制作小型化、经济性开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率SV1525，负载调整率SI5。当F130KHZ时，F4KHZ；当F65KHZ时，F2KHZ。图23（B）为改进型基本反馈电路，只需增加一只稳压管VDZ和电阻R1，即可使负载调整率达到2。VDZ的稳定电压一般为22V，必须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。图23（D）是配备稳压管的光耦反馈电路。由VDZ提供参考电压UZ，当输出电压UO发生波动时，在光耦内部的LED上可获得误差电压。因此，该电路相当于给单片电源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。这种反馈电路能使电压调整率达到1以下。图23（C）是配备TL431的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。用TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对UO做精细调整，可使电压调整率和负载调整率均达到02，能与线性稳压电源相媲美。这种反馈电路适于构成精密开关电源电路。图23反馈电路的四种基本类型22单片开关电源的产品分类9目前生产的单片开关电源主要有TOPSWITCH、TOPSWITCH、TINYSWITCH、TNY256、MC33370、TOPSWITCHFX、TOPSWITCHGX几大系列。此外还有L4960系列、L4970L4970A系列单片开关式稳压器，共80余种型号。其中，TOPSWITCH、TOPSWITCH、TINYSWITCH、TNY256和TOPSWITCHFX、TOPSWITCHGX系列，均为美国PI公司产品；MC33370系列是MOTOROLA公司产品；L4960、L4970L4970A系列为意法半导体有限公司（SGSTHOMSON）产品。根据引出端的数量，单片开关电源可划分成三端、四端、五端、多端共4种。221三端单片开关电源TOPSWITCH器件是美国功率集成公司（POWERINTEGRATIONSINC）于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关的英文缩写（THREETERMINEROFFLINEPWMSWITCH）其特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。这大大简化了电源电路，提高了可靠性，使得电源的设计更加简单快捷。TOPSWITCH器件有多种封装形式，如采用DIP8和SMD8封装的，则中间4只为空脚，可以将它们接到印刷电路板的铜箔上，将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上，不必另设散热器，节省了成本；如采用TO220封装的，则只有3只管脚，使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外，由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。TOPSWITCH是TOPSWITCH的改进型号。它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，且具有更高的性能价格比。TOPSWITCH器件包括TOP225TOP227等几个型号，主要差别是输出功率不同。根据封装形式，TOPSWITCH可划分成三种类型，即TOP221YTOP227Y（TO220封装），TOP221PTOP224P（DIP8封装），TOP221GTOP224G（SMD8封装），产品分类详见表21和表22。其中以TOP227Y的输出功率为最大。1TOPSWITCH的性能特点TOPSWITCH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。TOPSWITCH只有三个引出端控制端C、源极S和漏极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UC为片内并联调整器和门驱动极提供偏压；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。输入交流电压的范围极宽，作为固定电压输入时可选220V15交流电，若配用85265V宽范围变化的交流电，则最大输出功率要降低40。开关电源的输入频率范围为47440HZ。开关频率典型值为100KHZ，占空比调节范围为1767。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。其工作温度范围为070，芯片最高结温T135。TOPSWITCH的基本工作原理是利用反馈电流IC来