程志意方1210-8基于TOP258PN的单端反激式单片开关电源控制系统设计

1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计基于TOP258PN的单端反激式单片 开关电源控制系统设计 The Design of Single Ended Flyback Switching Power Supply Control System Based on Top258pn 2016届 电气工程 系专业 电气工程及其自动化 学号 学生姓名 程志意 指导老师 高艳玲 完成日期2016年6月1日毕业设计成绩单 学生姓名程志意学号班级方1210-8专业电气工程及其自动化毕业设计题目基于TOP258PN的单端反激式单片开关电源控制系统设计指导教师姓名高艳玲指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人

2、得分答辩小组组长得分成绩：主任签字(盖章）： 年 月 日交流220输入电压高压直流输出整流滤波高频变压器整流滤波功率变换电路比较器取样器脉宽调制振荡器基准电压四、预期达到的效果220V电源输入通过预定程序的编程，以达到稳定输出电压的目的。 2016年 3 月 18 日 2016年 3 月 18 日 摘要 开关电源朝着高频化电源发展创新，高频化带来的效益使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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资源及保护环境方面都具有深远的意义。 本次设计通过TOP258PN集成芯片为核心，来实现一款单

3、端反激式单片开关电源。电压取自于市电压220V，输出36W的电源设计，交流供电的输入经过单端反激式变压器调压，进行器件整流滤波，电流电压信号进入TOP258PN的内部进行相关引脚的钳位和导通，进行信号的转换从而稳定电压电流。利用TOP258PN来控制PWM的波形和开关断时间，实现电流电压的控制，采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为反馈电路，对输出信号进行调节进而稳定输出电压达到额定的输出值并且保持稳定不变，通过以上电路的构成使设计出的开关电源具有自动稳压功能。 经过实物的运行与调试，结果表明输出电压达到稳定值24V，输出电流1.5A，完成了设计的要求，并且实现了过欠

4、压保护。关键词：开关电源 TOP258PN 单端反激式AbstractPower switch towards high frequency power development innovation, the frequency will bring the benefits of the unprecedented miniaturization of switch power supply device, and make the switch power supply into broader areas, particularly the application in the fiel

5、d of high technology, promote the miniaturization of high technology products, light. In addition to switching power development and application in saving resources and protecting the environment has far-reaching significance.The design by TOP258PN integrated chip as the core, to achieve a single en

6、ded flyback monolithic switching power supply. Voltage is taken from in the city voltage 220V, 36W output power supply design, AC power supply input through a single end flyback transformer pressure, rectifier filter, current to voltage signals into the internal TOP258PN were related to pin clamp an

7、d conduction, signal conversion and thus the stability of voltage and current. The TOP258PN to control PWM waveform and switch off time, realizes the control of voltage and current, the PC817 and TL431 dedicated chip and other electric Road element matching cooperation as a feedback circuit, on the

8、output signal of regulator and to stabilize the output voltage reaches the rated output value and keep stable, by composition of the above circuit makes the design of switching power supply with automatic voltage regulator function.After running and debugging in kind, the results show that the outpu

9、t voltage reaches a stable value of 24V, the output current 1.5A, completed the design requirements, and achieved over under voltage protection.Key words：Switching power supply TOP258PN Single-ended flyback type目录第1章绪论11.1课题研究的目的意义11.2国内外研究现状11.3 论文研究内容3第2章控制系统的要求及方案42.1设计要求42.2设计方案42.2.1主电路设计52.2.2

10、控制电路原理设计5第3章单端反激式单片开关电源原理63.1单端反激式拓扑分析63.2基本关系式73.3开关电源电路图83.4 TOP Switch系列芯片工作原理9第4章 控制系统硬件电路设计114.1高频开关控制电路的设计114.2元器件的选择与设计124.2.1控制芯片TOP258PN124.2.2 TOP258PN内部结构和引脚功能144.2.3 TOP258PN的特点154.2.4 线性光耦合器PC817154.2.5 可调精密并联稳压器TL431164.2.6 反馈回路的设计174.2.7 其他外围电路的设计194.2.8 过欠压保护19第5章开关电源印制板的设计205.1开关电源P

11、CB排版的要点205.2 PCB及电路的抗干扰措施215.3 Protel软件的介绍21第6章系统的运行与调试22第7章结论23参考文献24致谢25附录26附录A外文资料26附录B 电路原理图38附录C 元器件清单39第1章绪论1.1课题研究的目的意义随着电力电子器件开关频率的不断提高，使得开关电源的频率进一步提高，小功率DCDC 变换器的开关频率已将现在的200500kHz 提高到1MHz 以上。频率的提高使体积进一步缩小，开关电源在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展，目前薄型封装尺寸已可达到7.5mm、8.5mm 和10 mm。半导体工艺等级在未来十年将从0.18 微米向50 纳米工

12、艺迈进，芯片所需最低电压最终将为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。1991 年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为25W，现在输出功率每立方英寸可达数百瓦。日本TDK 公司的分布式隔离型DCDC 转换器，输出电压12V输出电流27A、效率为95%, 功率密度已达每立方英寸236W。而各种软开关技术的应用及用MOSFET 代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，即将达到92% (5V)、90%(3.3V)、87.5%(2V)。与传统线性稳压电源相比开关电源有以下优点：(1)效率高，损耗小：开关电源效率通常在75%以上，有的甚至可以达到90%以上。由于开关管损耗小，因而不需要

13、采用大散热器，能有效减小电源体积。损耗小使得电子设备内部温度也相对较低，避免了元件长期在高温环境下损坏，这对电子设备的可靠性和稳定性的提升有明显的作用。(2)稳压范围宽：输入AC或DC电压在很大范围内变化时，电压变化率很小。而且在输入电压发生较大波动时，电源依然保持较高的效率，因此，开关电源比较适合电网波动较大的地区使用。(3)体积小，重量轻：开关稳压电源可直接将工频电网电压直接整流成直流后，经过高频变压器获得不同的交流电压，再经整流滤波得到所需的直流电压，这样就可以免去笨重的工频变压器，从而节省线材，减小电源体积和重量。(4)安全可靠：开关电源一般都具有多种保护电路，保证电源的安全可靠工作。

14、1.2国内外研究现状自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现

15、中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(PowerIntegrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产

16、品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。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

17、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。目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频

18、率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。高频方面。许多国家都步入MHz级别，涌现出众多新型高频磁性材料，其寄生参数和磁损耗减小，散热性增强，如56m超薄钴基非晶态磁带，纳米结晶软磁薄膜也在研究。铁氧体或其他薄膜材料可集成在硅片上等。国内发展开关电源的技术动态主要在一下几方面有重要影响：高效方面。致力于减小功率器件的通态电阻、降低漏电流等。如高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件

19、，其优点是：禁带宽，工作温度高(可达600C)，通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，PN结耐压高等等。电磁兼容方面。主要研究典型电路与系统的电磁干扰建模；PCB板和电源EMC优化设计软件；强磁场对人体的危害；大功率开关电源EMC测量方法的研究等。新型电容器。研发适合于功率电源的新型电容器和超大电容。要求电容量大、等效电阻ESR小、体积小等。功率因数校正。许多国家也在研究性价比较高的功率因数校正技术。低压大电流。微处理器性能的不断提高，低压大电流开关电源也随之发展起来。例如电压低达1.11.8V，而电流高达50100A的开关电源。另外，还有采用波形交错技术，探寻省略滤波电容的可行性等。开关电源还

20、朝着模块化方向发展。.3论文研究内容本设计利用PI公司的TOPSwitch-HX系列的高集成芯片TOP258PN，来设计一款单端反激式单片开关电源。电源输入电压220V，工频50Hz，输出36W的单路输出电源设计，单端反激式变压器即储能式变压器通过反激原理进行储能和变压，将220V交流输入电压进行整流成24V直流电压控制部分利用TOP258PN来控制PWM的波形和开关断时间，实现电流电压的控制，外部器件主要采用PC817和TL431来构成反馈环节同时和外部电路元件相互配合作为反馈环节，通过器件本身集成、过欠压保护功能实现对电路的保护能力。第2章 电源控制系统的要求及方案2.1设计要求利用TOP

21、Switch-HX系列开关电源中的TOP258PN来设计一款由市电压220V作为输入电压，输出电压为24V/1.5A的开关电源，输出功率为36W，工频50Hz具有欠压和过压保护，主要设计控制系统，设计相应的软件算法设计出相应的驱动电路程序，利用Protel进行原理图的绘制，制作PCB板，做出实物。2.2设计方案设计方案主要由主电路部分和控制电路部分，主电路部分主要包括前置滤波电路、输入整流电路、滤波电路、功率变换电路，高频变压器、输出整流电路。在主电路中主要任务是变压器的选型和整流电路的设计，包括变压器参数确定和单端反激式的设计，整流部分要设计二极管桥型的设计方法。开关电源的结构图如图2-1所

22、示。滤波电路输入整流电路前置滤波电路AC功率变换电路输出整流滤波电路高频变压器 DC取样器比较器脉宽调制基准电压振荡器图2-1系统框图控制电路简要流程：经主电路输出电压与稳压器TL431基准电压进行比对，通过光耦合器PC817进行电光转换，把输出信号导入TOP258PN的C引脚进行PWM波形调节，使输出电压达到稳压24V的直流电压。同时控制TOP258PN的外部电阻进行过欠压保护。2.2.1主电路设计反激变换器的拓扑结构主要由功率MOS管、高频变压器、无源钳位RCD电路及输出整流电路组成。反激变换器由于电路简单，所用元件少适用于多输出场合。工作原理是当开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输电压便

23、施加到高频变压器的初级绕组上，由于变压器次级整流二极管D反接次级绕组 没有电流流过；当开关管Q关断时，次级绕组 上电压极性是上正下负，整流二极管D正偏导通，开关管 Q导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管 D1向输出负载释放。反激变换器在开关管导通期间只存储能量在PNSNSN6单端反激式开关电源研究与设计截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传递的，所以称为单端变换器。高频变压器在工作过程中既是变压器又相当于一个储能用电感。加在输出端的电感器和电容组成一个低通滤波器，变压器初级的RCD无源钳位电路是防止变压器漏感尖峰电压出现，确保开关管Q安全。2.2.2控制电路设计开关电源控制系统决

24、定着输出电压电流的稳定性，本设计运用了TOPSwitch系列的开关电源芯片TOP258PN，它具有集欠压过压保护于一体，同时可以限制纹波电压的大小，频率特性好，稳定幅度大，拥有很好的负载调整率。光耦反馈是本实验中最主要的反馈形势，是决定本实验稳定精度的重要器件。精密光耦合反馈电路由PC817和TL431组成。TL431称为可调式精密并联稳压器, 利用两只外部电阻可设定2.536V范围内的任何基准电压值。其工作原理是当输出电压U0发生波动时, 经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较, 在阴极上形成误差电压, 使发光二极管的工作电流IF产生相应变化, 再通过光耦去

25、改变控制端电流IC的大小, 调节TOPSwitch的输出占空比, 使U0不变, 从而达到稳压目的。C10和R8为频率补偿网络,R6用来设定环路的直流增益。用TL431来构成外部误差放大器，可提高输出电压的稳定性。TL431的偏置电流仅为1mA，这有助于降低空载损耗。由VD4和C11组成软启动电路，避免在启动电源时发生过载现象。当电源断电时，C11上的电荷可通过R7泄放掉。第3章单端反激式单片开关电源原理3.1单端反激式拓扑分析高频变压器是开关电源的重要组成部件，它不仅是能量转换和传输的主要器件，而且能够实现输入与输出的电器隔离。其性能的好坏不仅影响变压器本身的效率和发热量，而且还会对开关电源的

26、整体性能和可靠性产生极大的影响。因此，全面分析设计变压器的材料、损耗、磁通密度、制造工艺就显得尤为重要。当控制IC输出一个导通脉冲到MOSFET的栅极时，MOSFET饱和导通，变压器初级绕组中电流逐渐增加，而此时初级绕组产生的感应电压使输出回路的整流二极管截止，次级绕组中无电流，能量以磁能的形式存储在初级绕组中。当截止脉冲到来时，根据楞次定律，次级产生与之前方向相反的感应电压，使整流二极管立即导通，次级线圈产生的感应电压向输出滤波电容充电，即把能量从初级绕组传递到次级的输出电容中，并给负载供电。变压器周而复始的经历上述能量的存储转换过程，从而实现了能量的传输。单端反激式变换器拓扑结构如图3-1

27、所示。图3-1单端反激式变换器拓扑结构图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反，为输入直流电压，开关S为功率开关管，C为输出滤波电容，R为负载，为初级绕组电流，为次级绕组电流；和为输出电压和电流，参考方向如图中所示。单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当功率开关管S导通时，直流输入电压加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管D反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。当S截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管D导

28、通，储存在变压器中的能量传递给输出电容C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。从以上电路分析可以看出，S导通时，次级绕组无电流；S截止时，次级绕组有电流，这就是“反激”的含义。根据次级绕组放电时间的不同，单端反激式变换器分为3种工作模式：不连续工作模式(DCM)、连续工作模式(CCM)和临界工作模式。3.2基本关系式(1)共同关系式开关管S导通期间，流过初级绕组Np的电流线性增长，其增量为 (3-1)式中T为开关周期，D为占空比。开关管S截止期间，流过次级绕组Ns的电流线性减小，设电流减小的时间是，则流过Ns

29、的电流增量为 (3-2)开关管S截止期间，Np上感应电压与电源电压一起加在开关管S的DS级上，DS级承受的电压为 (3-3)(2)连续工作模式如果电流连续，输出电压的表达式为 (3-4)(3)断续工作模式S导通期间，变压器初级绕组储存的能量，所以电源输入功率为 (3-5)如果电流断续，S导通时起始电流为0，则，假设电路没有损耗，输入功率应与输出功率相等，设输出负载电阻为，则有 (3-6)从而可以得到断续模式输出电压的表达式为 (3-7)由式(3-7)可知，在断续模式下，输出电压与输入电压和导通时间成正比，与负载电阻的平方根成正比。因此，断续模式下负载不能开路。3.3 开关电源电路图开关电源电路

30、图如图3-3所示。图3-3开关电源系统原理图 开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小)功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕

31、组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。本题目设计的是利用TOP258PN集成芯片为核心，来设计一款单端反激式单片开关电源。电压取自于市电压220V，输出36W的电源设计，利用TO

32、P258PN来控制PWM的波形和开关断时间，实现电流电压的双闭环控制，采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为反馈电路，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。3.4TOP Switch系列芯片工作原理TOP Switch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比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，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

33、。当控制极电压Uc达到5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，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。而在与锯齿波比较后，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/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.7V5.7V之间。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

34、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。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，

35、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，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉。反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压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

36、较后输出误差电压，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。比如： 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，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空实现稳压目的。第4章 控制系统硬件电路设计4.1高频开关控制电路的设计高频开关电源包括主电路部分、控制电路部分、检测以及保护电路部分、其他电路部分。各部分主要功能如下所示。(1)主电路:从交流电网输入,到直流输出的主要电路。主要包括输入电磁干扰滤波器、输入整流滤波器、高频变压器、功率开关管和输出整

37、流滤波器。(2)控制电路:包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器(或通/断控制电路) ，电压前馈电路。(3)检测及保护电路:检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测等;保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、箝位保护、过热保护、自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。(4)其他电路:偏置电路、光耦合器等。具体主电路图如图4-1所示。 图4-1 主电路图根据课程要求设计由市电220V输入电源经过滤波整流，高频变压器，滤波整流，得到所需电压24V/1.5A的所需电压电流。电源结构图采用的是单端反激式的结构，通过TOP258PN来进行主控芯片进行PWM脉冲的主控IC，实现电压

38、电流的双闭环控制，从而提高了负载调整率和电压调整率，同时实现稳定电压输出的目的，本课题采用工频50KHz，单路输出的设计。技术指标如下：(1)输入电源电压：AC85 265 V，输出范围：DC24V/1.5A。(2)输入频率：50HZ，输出功率：36W，电源纹波(Vp-p)200mV。(3)电源上其中1个指示灯，用作电源指示。(4)具备输入过压和欠压等保护功能。(5)要求设计必须符合安全、优质、可靠、经济、节能原则。 4.2关键元器件的选择与设计4.2.1控制芯片TOP258PN TOPSwitch-HX产品系列为高度集成的单片离线式开关IC，设计 用于离线式电源。使用TOPSwitch-HX

39、集成电路能够设计出输出功率高达195 W的电源，同时在所有负载条件下均具有高效率。TOPSwitch-HX还可以在低负载及待机(空载)工作条件下提供非常高的性能。TOPSwitch-HX产品系列能够使设计师设计出的满足新能效标准的电源。TOPSwitch-HX具有很多创新的专利技术，不仅能够设计出结构紧凑、经济高效的开关电源，同时还能缩短整体设计周期并降低系统成本。此外，使用TOPSwitch-HX 产品系列设计出的电源还具有可靠的系统性能以及增强的安全特性，例如输出过压保护、过载功率限制及迟滞热关断保护等。该系列中的每个产品都在一个硅片上集成了一个高压功率MOSFET及控制器。内部连接到漏极

40、的高压电流源在启动阶段 提供偏置电流，从而省去了外部启动电路。内部振荡器具有 频率调制(抖动)特性，可以降低EMI。此外，IC还集成了 一些功能用于系统级的保护。自动重启动功能可以在过载、 输出短路或开环条件下限制MOSFET、变压器及输出二极管 中的功率耗散。自动恢复迟滞热关断功能还可以在温度超过安全限值时禁止MOSFET开关。可设定的UV/OV检测功能允许在电压跌落或浪涌条件下启动和关断电源，而不会出现不良波动。Power Integrations的EcoSmart技术令使用TOPSwitch-HX产品系列设计的电源，其空载功耗小于200 mW，并在整个输入电压及负载范围内保持恒定的效率。

41、TOPSwitch-HX系列解决方案能够轻松满足如加州能源委员会(CEC)、European Code of Conduct 及能源之星等能效标准。 对于本次设计采用TOP258PN元器件是根据TOPSwitch系列曲线中输入电压范围和输入功率的大小，通过曲线查找确定的。调节外部限流点降低的降低因数可以利用提高效率TOPSwitch-HX系列曲线图如图4-2所示。图4-2TOPSwitch系列曲线图连接在M引脚和源极引脚之间的电阻值来确定。 (4-1)其中0.31.0 如果没有要求设为1.0。 (min)=次级(min) (4-2) (max)=次级(max) (4-3)当=1.0，应满足0.

42、96(min)；当1.0,应满足0.94(min)；如有必要则选择更大型号的芯片。4.2.2TOP258PN内部结构和引脚功能TOP258PN的内部功能图如图4-3所示。图4-3TOP258PN 内部功能图TOP258PN的引脚图如图4-4所示。图4-4TOP258PN引脚图多功能M引脚：是过压(OV)、欠压(UV)、降低DC MAX 的线电压前馈、输出过压保护(OVP)、外部流限调节、远程开/关和器件重置的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能并使TOP258PN以简单的三端模式工作。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

43、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。漏极D引脚：高压功率MOSFET漏极引脚。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。漏极电流的内部流限检测点。4.2.3TOP258PN的特点TOP258PN是一款集成式开关源芯片，能将控制引脚输入电流转化为高压功率MOSFET开关输出的占空比。在正常工作情况下，功率MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性减少。具有高压启动、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、热关断等特性外，还综合了多项能降低系统成本、提高电源性能和设计灵活性的附加功能。采用了专利高压CMOS技术，能以高性价比将高压功率MOSFE

44、T和所有低压控制电路集成到一片集成电路中无需外围元件。线电压欠压(UV)检测可以防止关机时的输出脉冲干扰；线电压过压(OV)关断电路提高了对输入浪涌的耐受力；精确可编程的电流限流；优化的线电压前馈，用于抑制线电压纹波；132 kHz的工作频率降低了变压器及电源的尺寸(在视频应用中可选择半频工作)严格的I2f参数容差降低了系统成本；频率抖动降低了EMI滤波成本；散热片连接到源极，可降低电磁干扰；改进自动重启动功能，在短路及开环故障情况下输出功率小于最大功率的3%；精确的迟滞热关断功能可自动恢复，无需重置；完全集成的软启动最大程度降低了启动时的压力；增加了漏极引脚与其他所有引脚之间的爬电距离提高了

45、现场应用可靠性。4.2.4线性光耦合器PC817光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。光耦合器(optical Coupler，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。通常是把发光器(发光二极管LED)和受光器(光敏晶体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时，发光器(发光二极管)发出强弱光线，照射在受光器(光敏晶体管)上，受光器接受强弱不同的光线后导通程度也不同，产生不同强度的电流从输

46、出端输出，实现了“电-光-电”的转换。普通光电耦只能传输开关信号，不能传输模拟信号。线性光电耦是一种与普通光耦不同的新型光电转换器件，它可以传输模拟电压或电流信号，输入信号的强弱不同，发光器产生相应强弱的光信号，从而使受光器的导通程度也随光信号强弱的不同而输出的电压或电流强度也随之不同并具有线性的对应关系。 PC817属于线性光电耦合器，可以传输模拟信号。PC817内部结构如图4-4所示。图4-4PC817内部框图PC817集电极发射极电压V 与发光二极管正向电流的关系如图4-5所示。图4-5集电极发射极电压V 与发光二极管正向电流关系4.2.5可调精密并联稳压器TL431本课题所设计的基准电

47、压和反馈电路采用三端稳压器TL431构成。在反馈电路中用TL431与输出采样电压进行比较，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP258PN的电压反馈端。TL431是2.536V可调式精密并联稳压器。其价格低廉，可广泛应用于精密线性稳压电源和单片精密开关电源中。它可以输出2.536V连续可调电压，工作电流范围宽达0.1100mA，动态电阻典型值为0.22欧，输出杂波低。图中，A为阳极，需接地使用；K为阴极，需经限流电阻接正电源；是输出电压的设定端，根据 ，外接电阻分压器选择不同的和的值可以得到从2.536V范围内连续输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证阴极电流要大于1mA，以保证T

48、L431正常工作。TL431的电路图形符号和基本接线如图4-6所示。图4-6 TL431的电气符号图和等效电路图4.2.6反馈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构成反馈回路，可使电压调整率达到0.1%。电路利用输出电压与TL431构成的误差比较器，通过光耦PC817A线性关系的电流变化控制TOP Switch的,从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。流入TOP Switch控制脚C的电流与占空比D成反比关系。为使PWM线性调节，控制脚电流应在26mA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

49、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。TOP Switch占空比与控制电流的关系如图4-7所示。图4-7 TOP Switch占空比与控制电流的关系TL431架构图以及外部电路图如图4-8所示。图4-8 TL431架构图以及外部电路图从TL431的技术参数可知，阴极工作电压的允许范围为2.537V，阴极工作电流在1100mA内变化，一般选20mA即可，不但可稳定工作，又能提供一部分死负载。对于图4-8所示电路中的反馈部分，主要是确定、和的值。根据TL431的特性知，、和之间存在以下关系： (4-1)式中 TL431参考端电压为2.

50、5V；TL431输出电压先取10K，则由式(4-1)算得50K。再确定和，由图4-8电路可知 (4-2)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300，则由式(4-2)，可得52。设计的实际取值为：300，52，50K，10K。4.2.7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，

51、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。4.2.8过欠压保护(1)线电压欠压保护 在上电时，UV令TOPSwitch-HX在输入电压达到欠压阈值前保持关断；在断电时，UV防止它在输出失调后自动重启动。在待机电源等应用中，它能防止关断时由输入大容量电容缓慢放电而产生的干扰。上电时，UV阈值由连接在线电压检测或多功能引脚和经整流的高压总线间单电阻设定。电源接通后，UV阈值降到初始阈值的40%，使输入电压的工作范围更宽(UV下限阈值)。工作时，如果在电源未失调的情况

52、下达到UV下限，则此器件将保持关断，直到UV达到上限为止。如果电源在达到UV下限前电源失调，则器件将自动重启动。在每个自动重启动周期末(S7)，UV比较器会被启动。此时若没有超过UV上限值，则MOSFET在下一个周期内关断。 (2)线电压过压关断 过压阈值和UV的设置采用同一电阻。超过此阈值时即强制TOPSwitch-HX输出关断。OV和UV的比率设为4.5。当MOSFET关断时，由于漏极没有反馈电压和漏电感尖峰，经整流的直流高压的抗浪涌冲击的能力增大到MOSFET的额定电压(700V)。当MOSFET关断时，由于漏极没有反馈电压和漏电感尖峰，经整流的直流高压的抗浪涌冲击的能力增大到MOSFET的额定电压(700V)。OV阈值有少量迟滞以防止噪声引发关断。第5章 开关电源印制板的设计印刷电路板(Printed circuit board，PCB)：通常把在绝缘材上，印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路,其成品板称为印制线路板。标准的PCB上没有零件，也常被称为“印刷线路板(Printed Wiring Board，PWB)”。几乎所有的电子设备都离不开它，只要有集成电路的电子无器件，它们之间电气互连都要用到PCB。开关电源同样离不开它，如图5-1