开关电源设计论文

12V/30W开关电源的设计一、摘要：开关电源自20世纪70年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低，使得电源结构简单，直接可与220V交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。二、引言开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源。它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等特点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。电源是所有电子设备不可缺少的动力之源，电源设备也是电子设备重要的组成部件，各种电子设备对电源供电的要求也各不相同，总的来说，以省电、可靠、安全为宗旨。三、总体设计方案12V/30W小功率开关电源原理图如下图所示。该电路特点是利用三极管Q1，二极管D1及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1导通，控制端C电位降低，TOP开关关闭，开关电源没有输出。（1）输入电路电网交流220V输入电压经两级EMI滤波电路、桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。（2）电源变换器部分在该电路中，T2为高频变压器，其中N1为初级绕组（35T）N2为反馈绕组（15T）N3为次级隔离输出绕组（7T）开关电源工作后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C，以调整TOP开关内部PWM占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关控制端C的电流增加。在振荡电路的控制下，漏极端D有电流流入芯片，提供开环输入，该输入通过旁路调整器、误差放大器，由控制端进行闭环调整，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。（3）反馈控制回路电容C6决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，容易导致TOP开关损坏；过大则调整线性差。在实验中取值为10kΩ（4）输出回路N3、D10、C8、D11构成输出回路。肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，提供给负载电路。R7既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。R7取值为430Ω。四、高频变压器的参数设计输入电压为AC85~265V(50Hz)；工作频率为100KHz；输出电压为12V，输出电流为2.5A；电源效率为90%。设损耗分配系数为Z=0.5（一次侧与二次侧损耗各占50%）：（1）根据V1、P0值来确定输入滤波电容C3的容量、直流输入电压最小值V1（min）查表可知：C3=2*90uF=180uF（2）根据输入电压V，确定一次感应电压和钳位二极管反向击穿电压(V)查下表可知：=135V,=200V,由的值选用P6KE200瞬态电压抑制器。（3）高频变压器的一次电感量：通过查表，可计算出=628uH，可选择EE30磁芯，磁芯长度A=30mm，=115,窗口面积Be=52.9.（4）确定高频变压器的匝数1.计算次级隔离输出绕组匝数N3：已知V=85~265V，Vo=12V,考虑到肖特基二极管还有最大正向导通电压0.8V。当V=85-265V是，首先取N3的初始值为0.5匝/V，计算出次级绕组匝数N3为2.计算初级绕组N1：3.计算反馈绕组N2：4.计算磁芯的最大磁感应强5.计算磁芯的气隙密度其中，磁芯不留间隙时，代入上式得：计算留有气隙时磁芯的等效电感五、输入输出整流滤波电路的设计在输入电路中，两级EMI滤波电路去除差模干扰的C1，C9为0.1uF/250V,去除共模干扰的C10,C11为10nF，滤波线圈采取双线并绕，L1,L2取值10-33mH。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4个IN4007作整流二极管构成整流桥。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到1／5，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。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此其具有很低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时问短，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。选取的原则是根据最大反向峰值电压。次级绕组的反向峰值电压式中，Vs为次级绕组输出电压；为输入交流电压最大值。本设计中输出回整流二极管选用MUR420，其反向电压值=200V，工作电流Id=4A，满足设计要求。对输出滤波电容，ESR(等效串联阻抗)