基于TOP224Y的DVD开关电源

目录前言122327第1章绪论 395321.1开关电源的定义 371731.2开关电源的技术分类 325751.3开关电源的技术追求和开展趋势 4107331.4本论文的研究内容及意义 610447第二章开关电源的分类以及原理 7315922.1开关电源的分类与选择 755822.1.1开关电源的根本类型 7205341.单端反激式开关电源 79332.单端正激式开关电源 87933.自激式开关稳压电源 8129024.推挽式开关电源 9273135.降压式开关电源 10168096.升压式开关电源 1015067.反转式开关电源 10173502.1.2开关电源的选择根底 11308822.2反应电路的类型与选择 1291932.3开关电源的内部结构图及工作原理 12174572.3.1开关电源的内部结构图 12158622.3.2开关电源的根本工作原理 13158692.3.3脉宽调制式开关电源的根本工作原理 13159532.4TOPSwitch系列芯片工作原理 158904第三章小功率DVD开关稳压电源的设计 17207333.1开关电源的设计流程图 1788893.2技术指标和性能要求 19147733.3TOP225Y的主要性能特点和元件选择 193075性能特点[ 19149833.3.2线性光耦合器PC817 20156513.3.3T可调式精密并联稳压器TL431 21203573.4开关电源的电路设计 22152833.4.1TOP224Y芯片原理 22305553.4.2输入整流滤波电路设计 23177253.4.3变压器设计 2353013.4.4箝位保护电路设计 2520213.4.5输出整流滤波电路的设计 2589063.4.6反应回路的设计 26269263.4.7其他外围电路的设计 27131613.5基于TOP224Y的开关电源原理图及工作原理 2852393.5.1Protel软件的介绍 28108123.5.2基于TOP224Y的开关电源原理图 2855183.5.3基于TOP224Y的开关电源工作原理的分析 2910626图3-14基于TOP224Y的开关电源原理图 31254773.6开关电源印制板的设计 32324383.6.1开关电源PCB排版的要点 3346483.6.2PCB及电路的抗干扰措施 339903第四章总结 35170784.1开关电源电磁干扰的产生机理 3520283目前抑制干扰的几种措施 35326544.1.2改良措施的建议 36178884.1.3结论 3787614.2设计的体会与问题总结 378117【1】张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2001 3920057【3】张占松.高频开关稳压电源[M].广州：广东科技出版社，2003 3928948【10】杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京：中国电力出版社，2007 3920765外文资料译文 467109变压器 46外文资料及译文44【3】张占松.高频开关稳压电源[M].广州：广东科技出版社，2003 39【10】杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京：中国电力出版社，2007 39外文资料译文 46变压器 46外文资料及译文44第1章绪论1.1开关电源的定义开关电源〔SwitchedModePowerSupply，SMPS〕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—直流电能的变换。其功率从零点几瓦到数十千瓦，被广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。比方：小到彩色电视机、DVD播放机等家用电器、大到飞机、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，利用反应控制电路，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别的形式的电源，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。一效率高采用占空比控制的开关电源，理想情况下只进行能量的变换没有损耗。实际上，电路中开关器件存在通态压降、开关损耗等非理想因素，电感和电容元件也有漏电流等非理想因素，所以总存在损耗。但电路的总效率仍能到达85%～98%，远高于线性电源和相控电源。二体积小、重量轻开关电源采用较高的开关频率，因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减小。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〔50HZ〕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，开关电源的效率高，需要的散热器也较小，在很大程度上减小了体积和重量。同时，也节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。1.2开关电源的技术分类开关电源技术包含以下重要的组成局部：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:主要研究各种根本开关电路、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。脉宽调制〔PWM〕技术的开展，导致了PWM开关电源问世〔PWM开关电源的特点是用20KHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%～70%〕，大幅度节约了能源，引起了人们的广泛关注，在电源技术开展史上被誉为20KHz革命。高频化使开关电源装置空前的小型化，并使其进入更广泛的领域，特别是推动了高新技术产品的小型化、轻便化，在节约资源及保护环境方面具有深远的意义。随着电子技术的高速开展，电子设备的应用领域越来越广，与人们的工作、生活的关系日益密切。但是，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。并且，随着集成芯片尺寸的不断减小，处理速度越来越高，需要更加小型化、轻量化的电源〔磁性元件和电容的体积、重量应随之减小〕；未来的绿色电源要求开关电源的效率更高，性能更好，可靠性更高等。这一切将促进开关电源的不断开展和进步。在近半个多世纪的开展过程中，开关电源因体积小、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。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、家电领域开始得到广泛的应用，由此进入快速开展时期。1.3开关电源的技术追求和开展趋势开关电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。开关电源的技术追求和开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开展方向。〔2〕高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。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，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〕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。采用局部谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一开展方向。〔4〕采用计算机辅助设计和控制。采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最正确参数，使开关电源具有最简结构和最正确工况。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。(5)低输出电压技术。随着半导体制造技术的不断开展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。开关电源的开展从来都是与半导体器件及磁性元件等的开展休戚相关，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。开展电力MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改良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方面的工作，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，边开发低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声、高可靠方向开展。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的开展前景。要加快我国开关电源产业的开展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合开展之路，为我国国民经济的高速开展做出奉献。1.4本论文的研究内容及意义开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向开展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源开展的主流方向。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TOP224Y研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各局部的详细设计方法，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，设计并制作出一种额定输出功率为30W的通用的小功率DVD开关电源。本设计的交流输入电压范围是AC140V～240V，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护等功能。主要采用TOP224Y、PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合来完成。第二章开关电源的分类以及原理2.1开关电源的分类与选择2.1.1开关电源的根本类型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应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，全桥式那么采用四个开关管；按开关管的连接方式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单端反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。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。图2-1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正确范围内，具有较好的电压调整率。其输出功率为20～100W，工作频率在20～200kHz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。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2-2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。在电路中还设有钳位线圈与二极管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50～200W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。图2-2单端正激式开关电源3.自激式开关稳压电源自激式开关电源的典型电路如图2-3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，发射极为负的正反应电压，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，再次到达饱和状态，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2-3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2-4所示。它属于双端式变换电路，使用两个开关管VT1和VT2，在外鼓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2-4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到达两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100～500W范围内。5.降压式开关电源降压式开关电源的典型电路如图2-5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上下由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。图2-5降压式开关电源6.升压式开关电源升压式开关电源的稳压电路如图2-6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2-6升压式开关电源7.反转式开关电源反转式开关电源的典型电路如图2-7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2-7反转式开关电源2.1.2开关电源的选择根底一般来说，功率很小的电源〔1～100W〕采用电路简单、本钱低的反激型电路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰较大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，那么应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好的电源，那么采用半桥或全桥电路较为合理。如果对本钱要求比拟严，可以采用半桥电路；如果功率很大，那么应采用全桥电路。推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。自20世纪90年代以来，开关电源的开展日新月异。但是，技术总是在不断的进步，许多新领域和新要求对开关电源提出了更新更高的挑战。比方：输入的要求变得更严格，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出那么有了许多新的特殊的应用领域，使得研制和开发的难度变得更大等等。这些要求推动了开关电源的两个分支技术〔有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术〕一直成为当今电力电子的研究课题。另外，由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如EMI技术、PCBLayout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为30W的通用型小功率开关电源。单端反激式电路不仅符合功率的要求，并且具备电路简单、所用元件少、输出与输入间有电气隔离、电压输入范围宽、能方便的实现多路输出、有较好的电压调整率的特点。因此，本设计选择了单端反激式的拓扑类型。2.2反应电路的类型与选择单片开关电源的反应电路有4种根本类型：根本反应电路、改良型本反应电路、配TL431的光耦反应电路、配稳压管的光耦反应电路。(a)根本反应电路，其优点是电路简单、本钱低廉、适于制作小型化、经济型开关电源，其缺点是稳压性能较差。(b)改良型根本反应电路，只需增加一支稳压管VDZ和电阻R1，即可使负载调整率到达-2%～+2%。VDZ的稳定电压一般为22V，需相应增加反应绕组的匝数，以获得较高的反应电压，满足电路的需要。(c)配TL431的光耦反应电路，其电路较复杂，但稳压性能最正确，适于构成精密开关电源。(d)配稳压管的光耦反应电路，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。由于本设计是旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作的，需要有较好的稳压性能。并且，考虑到光耦所具有的电气隔离的优点，所以选择了配TL431的光耦反应电路。2.3开关电源的内部结构图及工作原理2.3.1开关电源的内部结构图开关稳压电源的电路原理框图如图2-9所示。它主要由输入整流滤波电路、功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路局部组成。其中，控制电路又包括取样器、基准电压、比拟器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。输入整流滤波输入整流滤波功率转换电路高频变压器输出整流滤波取样器比拟器脉宽调制振荡器基准电压DCAC图2-9开关电源的原理框图2.3.2开关电源的根本工作原理首先，交流电经输入局部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局部整流滤波电路的整流、滤波后变为所需要的直流电供应用电设备。这中间，电源的稳压是靠反应控制电路〔控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以到达电压的稳定输出〕来实现的。即:输出电流经取样器送至比拟器，使之与基准电压电路中的电流相比拟，然后由脉宽调制电路根据比拟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。目前，这局部电路目前己集成化，制成了各种开关电源的专用集成电路。2.3.3脉宽调制式开关电源的根本工作原理开关电源按控制方式分为调宽式和调频式以及两者混合式。其中，前两者的区别在于：前者通过改变占空比来实现稳压，开关器件导通的周期并不变。而后者恰恰相反。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〔PWM〕型,全称脉冲宽度调制〔PulseWidthModulation，PWM〕技术，本设计亦采用调宽式控制方法。它通过对脉冲宽度进行调制来获得所需波形〔含形状和幅值〕。其根本工作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，根据反应的结果，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2-10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〕，就可到达稳定电压的目的。图2-10PWM开关电源控制原理及波形图2.4TOPSwitch系列芯片工作原理

TOPSwitch芯片是一个自偏置、自保护的电流--占空比线性控制转换器。通常在控制极和源极之间，紧靠其管脚，并联一个外部旁路电容。

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RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比拟器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比拟，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来实现电路的软启动。当控制极电压Uc到达5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反应控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反应控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比拟后，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/自动复位滞回比拟器可使Uc保持在4.7V~5.7V之间。图3所示是其运行波形图，中a图为正常运行波形，ｂ图为自动重启波形。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电--充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在５%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Uc进入受控状态为止[1]。该电源的稳压原理简述如下：高频变压器初级绕组NP的极性与次级绕组NS、反应绕组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，初级极性那么变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉。反应绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反应电压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基准电压进行比拟后输出误差电压，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。比方：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，反应电路正是通过调节TOPSwitch的占空比实现稳压的。第三章小功率DVD开关稳压电源的设计3.1开关电源的设计流程图开始开始生产准备设计指标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设计根本功能设计电压反应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应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设计依据DVD机的工作要求，采用了较新的电路结构，设计出小功率通用开关电源。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。同时还应实现欠压、过压、过流、过热等电路工作异常时的保护。具体技术指标为如下：交流输入电压：220V〔140V～240V〕；电网频率：50Hz；开关电源频率：100KHz；输出直流电压Uo：8V〔两路〕，5V〔两路〕，3.6V，-8V，-24V各一路；输出额定电流：2A；额定输出功率：30W；负载调整率SI：-4%～+4%；电源效率H：高于84%；空载功率损耗：低于0.5W〔230V时〕；输出纹波电压：低于120mV。3.3TOP225Y的主要性能特点和元件选择性能特点[TOP224Y是TOPSwitch-Ⅱ系列中一种最常用的芯片,其封装形式是TOP220,自带小散热片,是典型的三端集成器件,三个管脚分别为控制端C、源极S、漏极D,其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V,可设计成40W以上仪器仪表的多路隔离式内置控制电源,TOPSwitch-Ⅱ系列产品具有以下显著特点:(1)将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中,内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOS2FET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化,使用平安可靠。(2)采用漏极开路输出,并利用控制极反应电流IC来线性调节占空比实现AC/DC变换的,即属于电流控制型单片开关电源。(3)输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时,可选110V/115V/230V交流电,允许变化±15%。在宽电压范围输入时,适配85～265V交流电,但输出功率峰值POM要比前者降低40%。(4)它只有三个引出端,能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100kHz,允许范围是90k～110kHz,占空比调节范围是117%～67%。(5)外围电路简单,电磁干扰小,本钱低廉。由于芯片本身功耗很低,电源效率可达80%左右,最高可达90%。3.3.2线性光耦合器PC817光耦合器〔OpticalCoupler，OC〕亦称光电隔离器，简称光耦。普通光耦只能传输数字信号〔开关信号〕。不适合传输模拟信号，线性光耦是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟信号，随着输入信号的强弱变化产生相应的光信号，使光敏晶体管的导通程度不同，从而输出相应的电压或电流。光耦以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。光耦一般由三局部组成：光的发射、光的接收及信号放大。它通常把发光器〔发光二极管LED〕和受光器〔光敏晶体管〕封装在同一管壳内，如图3-4所示。当输入端加电信号时，驱动发光二极管〔LED〕发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流，再经过进一步放大后从输出端输出，从而实现了“电-光-电〞的转换。图3-4PC817内部框图本设计采用PC817光耦合器的主要优点在于：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。可以起到很好的反应作用。3.3.3T可调式精密并联稳压器TL431TL431是由美国德州仪器和摩托罗拉公司生产的2.5～36V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。最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.5～36V。由于TL431具有体积小、基准电压精密可调、输出电流大、价格低廉等优点，所以广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图3-5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。TL431的电路图形符号和根本接线如图3-6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UREF>Uref〔内部2.5V基准电压〕，比拟器输出高电平，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UREF<Uref，使比拟器再次翻转，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，从而到达了稳定的目的，并且UREF=Uref。图3-6TL431的根本接线和电路符号在本设计中就是利用TL431和光耦构成反应电路，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基准电压进行比拟，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把电压反应到TOP224Y的控制端C端。通过改变TOP224Y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34.1TOP224Y芯片原理图2是用TOP224Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。输入为220VAC〔±15%〕，输出为+15VDC，功率为50W。由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路根本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路及反应电路5局部。图2TOP224Y单片电源电路图3.4.2输入整流滤波电路设计输入整流滤波电路包括交流滤波、整流局部和整流滤波电容。交流滤波采用技术成熟的∏型滤波电路，具体参数如下：去除差模干扰的、为0.1μF/250V；去除共模干扰的、为10nF；滤波线圈为10～33Mh，采取双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400V，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的7～10倍。还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。本设计中,选用四个IN4007整流二极管构成整流桥。在当前的供电条件下，电容的值可根据输出功率按照3μF/W来取值，再考虑余量后，取=150μF/400V。交流电压输入范围为187V～253V，即=187V,=253V。假设整流桥中二极管导通时间为=3ms，可由式〔1〕和〔2〕式可得输入直流电压最小值和最大值为：〔1〕〔2〕式中——系统效率，可选择80%；——交流电网频率；——电源输出功率。3.4.3变压器设计单端反激式变换器与半桥和全桥变换器的根本区别在于：高频变压器磁芯只工作在磁滞回线的第一象限。在开关管导通时只储存能量，而在截止时向负载传递能量。因此，它既是变压器又是储能电感，具体设计如下：1〕选磁芯反激变换器的功率比拟小，一般选用铁氧体材料的磁芯，其功率容量(Ap)计算公式如下公式：〔3〕式中——变压器磁芯的有效截面积〔cm2〕；——变压器磁芯的窗口面积〔cm2〕；——变压器的标称输出功率〔w〕；——变压器的效率，一般取0.8-0.9；——变压器的工作频率；——线圈导线的电流密度，通常取2-3〔A/mm2〕;——窗口填充系数，一般取0.2-0.4；——磁芯的填充系数，一般取1.0。根据计算的AP选取余量大些的磁芯既可。择EI-48铁氧体磁芯，其有效截面积大于的计算值。2〕计算最大占空比〔4〕式中——次级反射到初级的反射电压，取135V；——MOSFET的漏－源极通态电压，取10V。3〕计算变压器的初级自感〔5〕是整流滤波直流高压；是电源输入功率。4〕计算原边绕组最大峰值电流〔6〕是主功率开关管的开通时间，取最大导通时间0.5us〔f=100k〕.4〕计算初、次级绕组匝数初级绕组匝数为：〔7〕为变压器磁通变化量，一般取1000-3000G。次级绕组匝数为：〔8〕反应绕组匝数为：〔9〕式中——反应电压，取为10.4V。5〕计算气隙长度〔10〕式中——气隙长度(mm)——常数，4π×10-7H/m。——磁芯截面积(mm2)6〕确定导线线径设计中初级绕组和反应绕组用线径0.31mm的导线单股绕，次级绕组用线径为0.35mm的导线双股并绕。3.4.4箝位保护电路设计当TOP224Y的功率MOSFET管由导通变为截止时,在高频变压器T的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压,其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成,它与直流高压和反射电压叠加后很容易损坏MOSFET管。为此,必须设计箝位保护电路,对尖峰电压进行箝位和吸收。图2中VD1和VD2构成的箝位电路可防止高压对TOP224Y的损坏,VD1与VD2的选择由反射电压VOR决定。VOR一般取135V,VD1箝位电压VCLO可由经验公式VCLO=115VOR得出,VD2的耐压值应大于最大直流输入电压Vmax。本设计中VD1采用反向击穿电压为200V的TVS(瞬态电压抑制器)P6KE200,VD2采用反向耐压为600V的超快恢复二极管BYV26C。输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的1/6多，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管。选取的原那么是根据最大反向峰值电压。次级绕组的反向峰值电压为：〔11〕式中——次级绕组输出电压；——输入交流电压最大值。对输出滤波电容，ESR〔等效串联阻抗〕和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端电压小于35V时，ESR只与电容的体积有关,本设计选择细高型的120μF/35V低ESR电容。输出滤波电感采用3.3μH的穿心电感，它是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠电感。其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小，一般为。它能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容，如图2中的。3.4.6反应回路的设计本设计采用可调式精密并联稳压器TL431加线形光耦PC817A构成反应回路，可使电压调整率到达±0.1%。电路利用输出电压与TL431构成的误差比拟器，通过光耦PC817A线性关系的电流变化控制TOPSwitch的,从而改变PWM宽度，到达稳定输出电压的目的。流入TOPSwitch控制脚C的电流与占空比D成反比关系，如图3所示。图3TOPSwitch占空比与控制电流的关系为使PWM线性调节，控制脚电流应在2～6mA之间，而是受光耦二极管电流控制的，由于PC817A是线性光耦，二极管正向电流在3mA左右时，三极管的集射电流在4mA左右，而且集射电压在很宽的范围内线性变化。因此一般选PC817A二极管正向电流为3mA。从TL431的技术参数可知，阴极工作电压的允许范围为2.5～37V，阴极工作电流在1～100mA内变化，一般选20mA即可，不但可稳定工作，又能提供一局部死负载。对于图2所示电路中的反应局部，主要是确定、、和的值。根据TL431的特性知，、、和之间存在以下关系：〔12〕式中——TL431参考端电压，为2.5V；——TL431输出电压先取＝10K，那么由式〔12〕算得＝50K。再确定和，由图2电路可知〔13〕式中——光耦二极管的正向压降，由PC817技术手册知，典型值为1.2V。先取＝300Ω，那么由式〔13〕，可得＝52Ω。设计的实际取值为：＝300Ω，＝52Ω，＝50K，＝10K。其他外围电路的设计1.为保证开关电源的正常工作，在输入端串联一熔断丝，防止整个电路被烧毁。另外，在输入端并联一压敏电阻。正常工作时，压敏电阻的阻值极大，相当于断路，不起作用。当遭遇雷击时，它的阻值瞬间降至极小，造成短路来保护电路。2.由于交流电压经整流滤波后得到直流高压，加在TOPSwitch的漏极上。而功率管在关断瞬间，又产生尖峰电压和反向感应电动势叠加在漏极上，故在初级绕组并联一稳压管和阻塞二极管，以吸收尖峰高压。3.在次级绕组产生的电压或电流尖峰用串联电容吸收，使输出的电压电流效果更好。3.5基于TOP224Y的开关电源原理图及工作原理3.5.1Protel软件的介绍PROTEL软件是PORTE