1、大学设通用开关电源的设计与制作专业：电子信息工程姓名：题目：小功率通用开关电源地设计与制作 日期： 年 月 日摘 要本论文围绕当前流行地单片开关电源芯片进行地小功率通用开关稳压电源地设计与制作.该开关电源共选用3片主要地集成电路TOP246Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431.利用TOP246Y型6端单片开关电源地PWM技术控制开关地占空比来调整输出电压地,以达到稳定输出地目地.设计主要完成地内容有：（1）根据设计需要选择开关电源电路；（2）设计输入整流滤波电路,并确定相关器件参数；（3）基于TOP246Y对开关电源地控制核心部分进行设计；（4）设计高
2、频变压器,计算确定变压器地变比与绕线匝数；（5）设计输出整流滤波电路,并确定相关器件参数；（6）设计电压反馈电路.本论文对开关电源地滤波、整流、反馈电路等分别作了细致地研究工作,通过反复实验和计算取得了高频变压器设计地宝贵经验,掌握了开关电源设计地核心技术,并对此进行了较为详尽地阐述.关键词：单片开关电源；PWM；占空比；高频变压器第一章开关电源地基本概念与发展1.1 开关电源地基本概念电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能地装置,是所有靠电能工作地装置地动力源泉.直流开关电源是一种由占空比控制地开关电路构成地电能变换装置,用于交流直流或直流直流电能变换,通常称其为开关电源（Switched
3、 Mode Power Supply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦,广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域.彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机,各种计算机设备,工业用地电解、电镀、充电、焊接、激光等装置,以及飞机、卫星、导弹、舰船中,都大量采用了开关电源.开关电源地核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出地输出稳压或稳流特性地要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制.开关电源地这一技术特点使其同其他形式地电源,如采用调整管地线性电源和采用晶闸管地相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显地优点.1.2 开关电源地发展随着电子技术地高速发
4、展,电子设备与人们地工作、生活地关系日益密切.电子设备地小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向.由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大地电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右.另外,由于调整管上消耗较大地功率,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大地散热器,很难满足现代电子设备发展地要求.20世纪50年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源.在近半个多世纪地发展过程中,开关电源因具有体积小、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地连续工作电源,并广泛应用于电子整机与
5、设备中.20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机地电源换代.20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛地应用,开关电源技术进入快速发展期.并且自开关稳压电源问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源.早期出现地是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态.随着脉宽调制（PWM）技术地发展,PWM开关电源问世,它地特点是用20kHz地载波进行脉冲宽度调制,电源地效率可达65%70%,而线性电源地效率只有30%40%.因此,用工作频率为20kHz地PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们地广泛关注
6、,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命.随着超大规模芯片尺寸地不断减小,电源地尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池地便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化地电源.因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容地体积重量也要小.此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等.这一切高新要求便促进了开关电源地不断发展和进步.1）小型化、薄型化、轻量化、高频化2）高可靠性3）低噪声4）采用计算机辅助设计和控制是开关电源地技术追求和发展趋势.第二章开关电源地原理介绍与选择2.1开关电源地基本工作原理2.1.1开关稳压电源地电路原理框
7、图开关稳压电源地电路原理框图如图2.1.1所示.图2.1.1开关电源电路框图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地直流电压,该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值地方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要地直流电压.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.这部分电路目前己集成化,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地开关时间比例,以达到稳定输出电压地目地.2.1.2调宽式开关稳压电源地基本原理开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种.在目前开发和使用地开关电源电路中,绝
8、大多数为脉宽调制型,即为PWM技术.PWM技术,全称脉冲宽度调制（Pulse width Modulation,PWM）技术,是通过对一系列脉冲地宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）地.PWM控制技术主要是利用微处理器地数字输出来对模拟电路进行控制地一种非常有效地技术,广泛应用在从事测量、通信到功率控制与变换地诸多领域.PWM开关稳压电源地基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载变化地情况下,控制电路通过被控信号与基准信号地差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件地导通脉冲宽度,使得开关电源地输出电压被控制信号稳定.调宽式开关稳压电源地控制原理如图2.1.2所示.对于单极性矩形
9、脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲地宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高.直流平均电压Uo可由公式(2.1)计算：Uo=UM*T1/T公式(2.1)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地增高而变窄,就可达到稳定电压地目地.图2.1.2脉宽调制式开关电源控制原理图2.1.3 单片开关电源地两种工作模式单片开关电源有两种工作模式,一种是连续模式CUM (Continuous Mode),另一种是非连续模式DUM (Discontinuous Mode) .这两种模
10、式地开关电流波形分别如图2.1.3 (a),(b)所示.(a) 连续模式； (b) 非连续模式图2.1.3两种模式地开关电流波由图可见,在连续模式下,初级开关电流是从一定幅度开始增大地,上升到峰值再迅速回零.其开关电流波形成梯形.这表明,因为在连续模式下,储存在高频变压器中地能量在每个开关周期内并未全部释放掉,所以下一开管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,降低芯片地功耗.但连续模式要求增大初级电感量LF,这会导致高频变压器地体积增大.综上所述,连续模式适用于选输出功率较小地和尺寸较大地高频变压器.非连续模式地开关电流则是从零开始上升到峰值,再降至零地
11、.这意味着储存在高频变压器中地能量必须在每形个开关周期内完全释放掉,其开关电流波形呈三角形.非连续模式下地IP,IRMS值较大,但所需要地IP较小.因此,它适合采用输出功率较大地,配尺寸较小地高频变压器.2.2开关电源地种类选择开关型稳压电源地种类很多,分类方法也有多种.从推动功率管地方式来分可分为自激式和它激式,在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈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,振荡器产生地开关脉冲加在开关管上,控制开关管地导通和截至.按开关管地个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等,单端式开关电源仅用一个开关管,推挽式和半桥式采用两个开关
12、管,全桥式则采用四个开关管.按开关管地连接方式,开关电源分为串联型与并联型开关电源,串联型开关电源地开关管是串联在输入电压与输出负载之间地,属于降压式稳压电路。而并联型开关电源地开关管是并联在开关电源之间地,属于升压式电路.1. 单端反激式开关电源单端反激式开关电源地典型电路如图2.2.1所示.电路中所谓地单端是指高频变换器地磁芯仅工作在磁滞回线地一侧.所谓地反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组地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地初级绕组中.当开关管VT1截止时,变压器T副边上地电压极性颠倒,使初级绕组中存储地能量通过V
13、D1整流和电容C滤波后向负载输出.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,能方便地实现单路或多路输出,开关管驱动简单,可通过改变高频变压器地原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内,且有较好地电压调整率.其输出功率为20100W.它也有其一定地缺点,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地峰值电流较大.但这可以通过选用高耐压、大电流地高速功率器件,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地开关管VT1承受地最大反向电压是电路工作电压值地两倍,工作频率在20200kHz之间.图2.2.1单端反激式开关电源2. 单端正激式开关电源单端正激
14、式开关电源地典型电路如图2.2.2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VD1,它可以将开关管VT1地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问应相等,所以电路中脉冲地占空比不能大于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地功率.电路使用地变压器结构复杂,体积也较大,因此这种电路地实际应用较少.图2.
15、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稳压电源地典型电路如图2.2.3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,发射极为负地正反馈电压,使VT1很快饱和.与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压地增高,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、发射极为正地电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中地储能释放给负载.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VT
16、1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开关电源那样,由变压器T地次级绕组向负载输出所需要地电压. 自激式开关电源中地开关管起着开关及振荡地双重作用,也省去了控制电路.电路中由于负载位于变压器地次级且工作在反激状态,具有输入和输出相互隔离地优点.这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源.图2.2.3 自激式开关电源4. 推挽式开关电源推挽式开关电源地典型电路如图2.2.4所示.它属于双端式变换电路,高频变压器地磁芯工作在磁滞回线地两侧.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地控制下交替地导通与截止,在变压器T次级绕
17、组得到方波电压,经整流滤波变为所需要地直流电压.这种电路地优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管地耐压要达到两倍电路峰值电压.电路地输出功率较大,一般在100500W范围内.图2.2.4 推挽式开关电源5. 降压式开关电源降压式开关电源地典型电路如图2.2.5所示.当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输入地整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中地储能增加.当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正地电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储地能量,维持输出直流电压不变.电路输出直流电压地高低由加在VT1基极上地脉冲宽度确定.图2.2.5 降压式开关电源6. 升压式开关
18、电源升压式开关电源地稳压电路如图2.2.6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感应出左负右正地电压,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2.2.6 升压式开关电源7. 反转式开关电源反转式开关电源地典型电路如图2.2.7所示.这种电路又称为升降压式开关电源.无论开关管VT1之前地脉动直流电压高于或低于输出端地稳定电压,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上次地充电电荷供电.当开关管VT1截止时,电感L中地电流继续流通,并感应出上负下正地电压,经二
19、极管VD1向负载供电,同时给电容C充电.降压式、升压式、反转式开关电源地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2.2.7反转式开关电源一般来说,功率很小地电源（1100W）采用电路简单、成本低地反激型电路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时,则应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好地电源,则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严,可以采用半桥电路；如果功率很大,则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大地场合.基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关,利用控制开
20、关地占空比来调整输出电压地新型电源,具有体积小、重量轻、噪音小,以及可靠性高等特点.本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为60W地通用地小功率开关电源,主要采用TOP246Y、PC817A 、TL431等专用芯片以及其他地电路元件相配合,使设计出地开关电源具有自动稳压功能.因此,本设计就选择了基于TOP246Y地单端反激式开关电源.2.3反馈电路地基本类型与选择单片开关电源地反馈电路有4种基本类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配TL431地光耦反馈电路；配稳压管地光耦反馈电路.它们地简化电路如图2.3所示.(a) 基本反馈电路；(b) 改进型基本反馈电路；(c) 配TL431地光耦反馈
21、电路；(d) 配稳压管地光耦反馈电路图2.3反馈电路地4种基本类型(a) 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、经济型开关电源；其缺点是稳压性能较差,电压调整率SU=1.5%2%；负载调整率SI=-4%+4%.(b) 改进型基本反馈电路,只需增加一支稳压管VDZ和电阻R1,即可使负载调整率达到-2%+2% .VDZ地稳定电压一般为22V,需相应增加反馈绕组地匝数,以获得较高地反馈电压UFB,满足电路地需要.(c) 配TL431地光耦反馈电路,其电路较复杂,但稳压性能最佳.这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替稳压管,构成外部误差放大器,进而对Uo作精细调整.这种反馈电
22、路适于构成精密开关电源.(d) 配稳压管地光耦反馈电路,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.由于本设计旨在针对精密开关稳压电源进行地设计与制作,所以选择配TL431地光耦反馈电路.2.4单片开关电源地典型应用电路分析系列单片开关电源地典型应用电路如图2.4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,能方便地实现多路输出,开关管驱动简单,因此该电源采用单端反激式电路.图2.4单片开关电源地典型应用电路由图可见,高频变压器初级绕组NP地极性与次
23、级绕组NS、反馈绕组NF地极性相反.在导通时,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UAC经过整流滤波后得到直流高压,经初级绕组加至地漏极上.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,两者叠加在直流输入电压巧上,加至内部功率开关管MOSFET地漏极上,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和阻
24、塞二极管VD1组成,VD1宜采用超快恢复二极管.当MOSFET导通时,变压器地初级极性上端为正,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.该电源地稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过VD3,CF整流滤波后获得反馈电压UFA,经光耦合器中地光敏三极管给地控制端提供偏压.CT是控制端C地旁路电容.输出电压Uo通过电阻分压器R1、R2分压并获得取样电压,与TL431中地2.5V基准电压进行比较后输出误差电压,然后通过光耦去改变TOP246Y地控制端电流,地输出占空比D与IC成反比,故D减小,这就迫使Uo降低,达到
25、稳压目地.反之,Uo减小,导致UF减小,Ic减小,进而D减小,最终使Uo减小,同样起到稳压作用.由此可见,反馈电路正是通过调节地占空比,使输出电压趋于稳定地.第三章小功率通用开关稳压电源地研制3.1性能特点及技术指标小功率通用开关稳压电源具有输出纹波电压低、效率高、体积小和重量轻等优点.采用了较新地电路结构,采取一系列措施来降低输出纹波,能在输出过压、过流、过热和电路工作异常时进行保护.具有一定创新性和先进性.线性稳压电源地输出电压稳定度很高,纹波电压很小,其缺点是电源效率低,需使用笨重地工频变压器.而单片开关电源地效率很高,体积小,能省去工频变压器,输出直流电压地纹波含量比同功率线性电源大,
26、可与其他相应地稳压器构成理想地高效、精密稳压电源.-GX适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器（adapter）.本设计地交流输入电压范围是85V265V,这属于全世界通用地电压范围,该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能.因此,该开关稳压电源地设计主要采用TOP246Y型6端弹片开关电源、线性光耦合器PC817与可调式精密并联稳压器TL431等集成芯片进行设计.该开关电源地基本技术指标为：（1）交流输入电压UACI：220V（85V265V）；（2）电网频率：50Hz；（3）开关电源f：132kHz；（4）输出直流电压Uo：
27、 9V、12V；（5）输出额定电流Io：3A、2.4A；（6）额定输出功率Po：60W；（7）负载调整率SI：-4%+4%；（8）电源效率H：高于84%（当交流电压UACI=85V时,满载效率可达85%；当UACI=230V时,电源效率高达90%）；（9）空载功率损耗：低于0.52W（UACI=230V时）；（10）输出纹波电压：不高于120mV（峰峰值）.3.2 开关电源电路中关键元器件地选择与设计随着PMW技术地不断发展和完善,开关电源得到了广泛地应用,以往开关电源地设计通常采用控制电路与功率管相分离地拓扑结构,但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题.美国功率集成公司POWER Inte
28、gration Inc开发地TOP Switch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题,该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PMW控制电路及保护电路等集成在一起,从而提高了电源地效率,简化了开关电源地设计和新产品地开发,使开关电源发展到一个新地时代.本次设计就是针对TOP Switch地第三代产品TOP246Y型6端单片开关电源,并根据设计条件选择线性光耦合器PC817和可调式精密并联稳压器TL431来设计单端反激式开关电源.3.2.1 TOP246Y型6端单片开关电源3.2.1.1 TOP246Y地管脚功能TOP246Y采用TO-220-7C封装形式,其外形如图3.2.1.1所示.它
29、有六个管脚,依次为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D.各管脚地具体功能如下：图3.2.1.1 TOP246Y外形及管脚图控制端C：误差放大电路和反馈电流地输入端.在正常工作时,利用控制电流Ic地大小可调节占空比,并可由内部并联调整器提供内部偏流.系统关闭时,利用该端可激发输入电流,同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容地连接点.线路检测端L：输入电压地欠压与过压检测端,同时具有远程遥控功能.TOP246Y地欠压电流Iuv为50A,过压电流Iav为225A.若L端与输入端接入地电阻R1为1M,则欠压保护值为50VDC,过压保护值为225VDC.极限电流设定端
30、X：外部电流设定调整端.若在X端与源极之间接入不同地电阻,则开关电流可限定在不同地数值,随着接入电阻阻值地增大,开关允许流过地电流将变小.源极S：连接内部MOSFET地源极,是初级电路地公共点和电源回流基准点.开关频率选择端F：当F端接到源极时,其开关频率为132kHz,而当F端接到控制端时,其开关频率变为原频率地一半,即66kHz.漏极D：连接内部MOSFET地漏极,在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流.3.2.1.2 TOP246Y地内部结构该开关电源脉宽调制器路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器误差放大器（PWM）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路
31、、关断自动重起动电路及高压电流源等部分组成.3.2.2 线性光耦合器PC817光电耦合器是以光为媒介来传播电信号地器件.通常是把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图3.2.2.1.当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接受光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现了“电-光-电”地转换.图3.2.2.1 PC817内部框图普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号）,不适合传输模拟信号.线性光电耦合器是一种新型地光电隔离器件,能够传输连续变化地模拟电压或电流信号,这样随着输入信号地强弱变化会产生相应地光信号,从而使光敏晶体管地导通程度也不同,
32、输出地电压或电流也随之不同.图3.2.2.2 PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用.图3.2.2.2 PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系.3.2.3 可调式精密并联稳压器TL431本设计地基准电压和反馈电路采用常用地三端稳压器TL431来完成,其特性功能如图3.2.3.1所示.在反馈电路地应用中运用采样电压通过TL431限压,再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP249Y地控制端C 端.由于TL431具有体积小、基准电压精密可调,输出电流大等优点,所以用TL431可以制作多种稳压器.其性能是输出电压连续可调达36V,工作电流范围宽达0.1100mA
