开关电源设计课程论文

1、South China U ni versity of Technology高频开关电源课程论文基于TOP260EN的反激式开关电源的仿真研究学 院电力学院专 业 电力电子与电力传动学生姓名王振亚学 号201220111105课任教师肖文勋提交日期2013年03月19日开关电源课程设计本课程的设计目标是做一个100W的驱动电源，其中输入为102 265V交流电；输出分为两路：主输出为12V,8A;副输出为8V,0.4A, 所用开关控制器为PI公司生产的TOP260EN芯片。一、简单介绍本文是为家电设计一款100W 左右的冷却电源，使用 TOPSwitch-HX系列的TOP260EN芯片。电源输

2、出为：12V 8A和8V 0.4A。其中芯片的工作频率在 66kHz132kHz之间。本课程设计主要包括驱动电源相关参数，电路图，电路设计原理，变压器设计，电源电路仿真，实物图等部分。、电源主要目标参数DescriptionSymbolMinTypMaxUnitsCommentInputVoltageFrequencyNcnload Input Powe（265 VAC）V|N klNE1024750/6026564400VAC Hz mW3 Wire systernOutputOutput Voltage 1Output Ripple Voltage 1Output Curr&nt

3、1Output Voltage 2Output Ripple Voltage 2Output Current 2Iolal Output PowerContinuous Output PowerVouti Vrpplei loinVWTi VhtpPLEI buTIPOUT0.00.012a100500 8500 0 4V mVA V mVAw±5%20 MHz bandwidtti±5%20 MHz bandwidthEfficsency Full Load1182%Measured 覆 £5%图1.开关电源的主要参数从表中可以看出：出了前面介绍的电源输出电压电

4、流要求外， 输出电压的纹波不超过500mV,满负荷运行的效率要达到82%。三、电路原理图2IDOnFatu-a- C1i1 330M aT5v*cR3Wkit 千 1周R1|i . - I4局T ： 1%, 4的：3H11R121 Se 1 Mu W FEWPfi吟g200 VNTA2mH *N &-E fr-D4r-i矗IFCIO 4, I2DO12H2DI D7小TOPSwrlch-HX UIf-BU&U51D图2.电路原理图四、开关电源电路设计原理分析本电路是用TOP260EN作为控制芯片的反激式驱动电源，设计运行电压范围为交流102V265V之间。该驱动电源有两路输出：

5、12V8A和8V 0.4A,总设计功率为100W,电气原理图如上图所示。4.1 驱动电源电路输入和EMI滤波部分保险丝F1在电源出现如短路等故障时起保护作用，整流桥 D2 将交流电压转换成直流电压，电容 C4进行电源滤波和储能。放置在整流桥前面的共模扼流圈和电容 C16作用是一方面降低 共模噪音，另一方面降低EMI辐射。R11和R12在交流输入关断时 对电容放电。C7作为旁路电容可以减少输入电压回路规模。4.2 控制电路部分钳位缓冲电路由D4, R3, VR1和C9组成。在主开关MOS管关断期间，变压器主线圈会因为漏感储存的能量而产生一个尖峰电压， 这个电压可能超过MOS管的击穿电压。在关断期

6、间，二极管 D4导 通，VR1可以防止主线圈电压超过其额定值（本设计为 200V）。电压上升率阻尼电路由 D7,R13和C17。在MOS管关断的时候， 漏极能量通过D7注入到C17中，可以限制漏极电压的变化率，同时 降低EMI。当开关管接通的时候，电容通过 R13放电。4.3 输出整流本开关电源有两路输出，其中对于主输出12V支路而言，用两个并联的肖特基二极管来提高效率。D1和D3添加的RC缓冲电路可以 在二极管关断时对抑制尖峰电压，因为二极管的反向恢复特性和输出 漏感会对EMI产生显著影响。另外影响关断特性的二极管结电容和 内电感也由这个缓冲电路控制。输出端的后级 LC滤波器可以降低纹 波。

7、8V输出是一个非隔离浮动输出支路。这路输出被二极管D5整流且与三端可调稳压器相连。稳压集成器U2通过R19和R20的分压 来进行调节，电容C13和C14充当输出滤波电容。这样的输出设计 可以使得在两个输出都满载的情况下，输出U2的电压接近9V,从而降低线性稳压器中的功率损耗。4.4 输出反馈部分主输出的调节通过TL431电路来保持其5%的变化。当TL431参考 端的电压通过R7和R8分压高于2.5V时，TL431经光耦二极管U3吸收电流。芯片U1通过电流注入控制端，降低占空比。附加的缓冲完成电路由C21, R9和D8构成。在启动的时候，C21通过U3提供 的反馈充电，比输出端更早达到稳定值。这

8、样既可以增加输出达到稳 态的允许时间，又可以阻止输出超调。R9在电源关闭时对电容进行放电。为了改善暂态响应，相位裕量和交叉频率，所以该电路使用了 补偿元件R21和C23。五、变压器设计5.1电气原理图-O 9a WDG 2a 5Tt 4x25AWG*TLW.O io012AWDG 3a 5T, 4X25AWGaTJ.W.O 111OWDG 1,638122AWG.3050-WDG5f6r 2x30AWG-4060WDG 4y4T, 4x30AWG"7 0图3.变压器相关参数5.2 变压器电气参数主电感量：340出，±10%谐振频率：850kHz主线圈漏感：5 H5.3 变压

9、器绕制方法主线圈1:自引脚3起，从左到右绕19圈22AWG号线，止于引脚2加一层绝缘胶带。次级线圈1:自引脚9起，从左到右绕5圈25AWG号四匝并绕铜线，止于引脚10,加一层绝缘胶带。次级线圈2:自引脚11起，从左到右绕5圈四匝并绕的25AWG号线, 止于引脚12,加两层绝缘胶带。输出线圈：自引脚6起，从左到右绕4圈四匝并绕的30AWG号线，止于引脚7.加一层绝缘胶带。偏压线圈：自引脚5起，从左到右绕6圈两匝并绕的30AWG号线，止于引脚4.加一层绝缘胶带。主线圈2:自引脚2起，从左到右绕19圈22AWG号线，止于引脚1.加一层绝缘胶带。六、电路仿真及波形分析1.1 开环电路图本高频开关电源设

10、计用软件 Saber进行仿真。对于开环而言，原 电路中的反馈回路可以去掉，改用N-沟道的MOS管代替，另选用频 率为66kHz的高频脉冲触发器进行驱动。反激变压器则变为只有双路输出。另外由于本设计的主电路其实是一种DC-DC变换，因此输入可用一个直流电压源代替。根据输入电压、输出电压，变压器匝数比等可以确定各种情况下的开关管占空比。具体电路图如下所示：TC«Lsic本T311干TT图4.开环电路原理图1.2 相关波形图及波形分析根据开关电源的工作原理，但电源工作在 CCM下，可知开关管的占空比D满足下列等式：DU i j (1D)Uo n2当输入已知的时候，根据原边与主输出线圈的匝数

11、比可计算出占 空比的大小。下面就电路的不同工作情形进行仿真：(1)当输入为200V直流电，输出满载运彳f时，即主输出接 1.5Q负载，副输出接40Q负载，此时经计算开关管的占空比为 0.33。各主 要检测点的电压波形如下：100W图5.主输出电压波形（满载）10CWt（3）图6.副输出电压波形（满载）可以看出在输出满载的情况下，主输出电压经过短暂的变化后趋于稳定在11.826V左右，满足设计要求的12V主输出，纹波500mV 的要求，副输出稳定在7.9648V左右，也满足纹波要求。图7. MOS管漏极电压波形(200V输入)这里可以看出MOS管的漏极电压为310.45V左右。(2)当输入200

12、V直流电，输出半载运行，即主输出接 3Q负载时,各主要检测点的电压波形如下所示:10CW图8.主输出电压波形(半载)因为是开环工作，当输出负载变化时，输出电压会发生变化。(3)当输入200V直流电，输出空载运行时，这主要观测点的电压波形如下图所示:图9.主输出电压波形（空载）（4）当输入为100V直流电，输出满载运行时，此时根据占空比公 式可以算得，占空比D=0.477,则此时的各主要检测点的电压波形如 下图所示：10CW图10.主输出电压波形（100V输入）图11.副输出电压波形（100V输入）由主副输出电压波形图可以看出，两者电压接近于12V和8V,并且均满足输出纹波要求。图12.MOS管漏极电压波形（100V输入）从图中可以看出漏极电压的峰值为194.58V,不超过200V七、实际试验电路图13.实验电路实物图220V交流输入，输出部分：主输出接1