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彩色电视机开关电源的设计
洛 阳 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）题目 彩色电视机开关电源的设计姓名陈东亮系 （部） 电气工程与自动化系 专 业 电气自动化技术指导教师 辛依波2012 年 5 月 12 日<b
r />1彩色电视机开关电源的设计摘要虽然开关电源起步比较晚，但是在近几十年电力电子技术飞速发展的推动 下，使得开关电源的到了飞速的发展。由以前几十千 HZ 的频率到现在的几百千 HZ，由以前得低效率到现在的高效率（最高可以达到 95%） ，开关电源的功率也 在不断的加大。这些变化使得开关电源在邮电通讯、仪表仪器、工业设备、医疗 器械、家用电器等等领域应用十分广泛。 本设计基于开关电源设计了一个 12V、1.5A,24V、10A，频率为 80KHZ，电压 调整率高、具有过流保护、采用 PWM 控制的两路直流稳压电源。 设计中开关电源是采用正激式的 DC-DC 变换器来设计电路。 电路主要有两大 部分组成：主回路和控制回路――主回路是将交流的市电通过 EMI 滤波、变压、 整流、滤波等等，最后输送给负载的电路，控制回路是通过 TL431、光耦 PB817、 PWM 控制器 UC3843 的相互配合来产生 PWM 波形按输入输出条件控制主回路中开 关管的工作状态来调整电路的输出电压的大小，使得输出电压稳定。 【关键词】正激式多路直流稳压电源；变压器；输入电路；输出电路；PWM 控制2ABSTRACTAlthough switching power supply started quite late, but in recent decades, power electronic technology rapid development, makes the retreat move of switch power supply to rapid development. By previously dozens of thousands of hundreds of thousands HZ to now HZ, by previously gets lower efficiency to the present high efficiency (up to 95%), switching power supply power is also in constant increase. These changes make switching power supply in telecommunications, instrument, industrial equipment, medical equipment, household appliances etc widely used. This design based on the switch power source design A 12V, 1.5 A, 24V, 10, frequency voltage adjustment for 80KHZ, rate high, with the current protection, adopt PWM control two road dc voltage stabilizer. Design of switching power supply is the positive separate-excited DC - DC converter to design circuits. Circuit basically has two main components: the main circuit and control circuit - the main loop is ac utility through EMI, variable pressure, rectifier, filtering, etc, and finally the circuit, transported to load control loop TL431, PB817, is through the UC3843 together to produce PWM waveform press input/output control of conditions of main loop switch tube working condition to adjust the size of the output voltage of the circuit. Forward multi-channel dc voltage stabilizer power supply；Key wordsTransformer；Safety；Input circuits；Output circuits3目录前 言.....................................................................................................第 1 章 开关电源的分类和工作原理..................................................... 1.1 开关 电 源的分 类 ............................................................................. 1.2 开关电源的基本工作原理............................................................ .... ..... 2 章 开关电源电路中主要元器件介绍............................................. 2.1 TOPSwitch-GX 系列产品介绍............................................................. 2.1.1 TOPSwitch 系列单片开关电源的基本工作原理....................... 2.2 光电耦合器................................................................................... 2.2.1 光耦合器的性能特点........................................................... 第 3 章 单片开关电源的设计............................................................... 3.1 单片开关电源的主电路设计.......................................................... 3.1.1 主电路的工作原理............................................................. 3.1.2 基本参数的确定................................................................ 3.2 输入整流滤波电路的设计............................................................. 3.3 TOPSwitch 系列芯片的选取........................................................... 3.3.1TOP248Y 的管脚功能........................................................... 3.4 高频变压器的设计...................................................................... 3.5 输出整流滤波电路的设计........................................................... 3.6 稳压反馈电路设计..................................................................... 3.6.1 光耦合器的选取...............................................................4第 4 章 结论....................................................................................... 谢 辞 ...................................................................................................参考文献 .................................................................................................5前言随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。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。电子设备的小型化和低成本 化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是 连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成 化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。 但通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。 由于调 整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 受较大的电压差，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的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大 的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。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。在近半个多世纪的发展过 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的连续工作电源， 并广泛应用于电子整机与设备中。 世 20 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、家电领域得到了广泛的应用，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。早期出现的是串联型开关电源，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） 技术的发展， PWM开关电源问世， 它的特点是用20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线 性电源的效率只有30%~40%。因此，用工作频率为20kHz的PWM 开关电源替代线性 电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被 誉为20kHz革命。 随着超大规模集成(ultralarge-scale-integrated-ULSI) 芯片 尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开 关电源以及用电池的便携式电子设备( 如手提计算机、 移动电话等) 更需要小型 化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电6容的体积重量也要小。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的不断发展和进步。7第1章开关电源的分类和基本工作原理1.1 开关电源的分类开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从推动功率管的方式来 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 的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。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， 单端式开关电源仅用一个开关管， 推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方 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 是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。 一般来说，功率很小的电源（1~100W）采用电路简单、成本低的反激型电 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、工作条件较好的电 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 较大的场合。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，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，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具有自动稳压功能 的开关电源。因此，本设计就选择了单端反激式开关电源。1.2 开关电源的基本工作原理开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。 在目前开发和使用的开 关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型, 即为PWM 技术。PWM 技术，全称脉冲宽 度调制技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形 状和幅值）的。PWM 开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数以 及外接负载变化的情况下， 控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反 馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号 稳定。8调宽式开关稳压电源的控制原理如图1 所示。对于单极性矩形脉冲来说，其 直流平均电压Uo 取决于矩形脉冲的宽度，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(1.1) 计算： 公式(1.1)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的增高而变窄，就可达到稳定电压的目的。图1 脉宽调制式开关电源控制原理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的直流 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的方波，最 后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。9第2张开关电源电路中主要元器件介绍随着 PMW 技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关 电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构， 但这种方案存在成本 高、系统可靠性低等问题。1977 年国外首先研制成功脉宽调制控制器集成电路， 美国摩托罗拉公司、硅通用公司等相继推出一批 PWM 芯片，典型产品有 MC3520、SG3524、UC3842。20 世纪 80 年代，意-法半导体有限公司率先推出 L4960 系列单片式稳压器，之后又推出了 L4970A 系列。90 年代，美国功率集成 公司 POWER Integration Inc 在世界上收购西安研制成功三端隔离、脉宽调制型 单片开关电源，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，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的 开发，使开关电源发展到一个新的时代。TOPSwitch 系列单片开关电源经历了四 代发展。 第一代单片开关电源包括 TOP100、TOP200 两大系列，TOP200 与 TOP100 的重要区别有两点：第一，用作单片开关电源时 TOP200 的交流输入电压为 220/230V，或 85~265V，这更适合我国的电网情况。第二，TOP200 将内部功率 MOSFET 的耐压值提升到 700V，两者的引脚排列及内部电路相同。 TOPSwitch-П 与第一代相比，不仅在性能上有进一步的改善，而且输出功率 得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成 电路。 TOPSwitch-FX 系列是美国 PI 公司 2000 年最新研制的具有高性能的五端单 片开关电源，该产品出具备 TOPSwitch-П 的全部优点之外，还对内部电路做了 重大改进，增加了许多新颖，使用的功能。而且输出功率比 TOPSwitch-П 系列 提高了 10%~15%. 第四代单片高压开关 TOP-GX 系列比第三代单片高压开关 TOP-FX 系列有 了较大改进，它不仅使输出功率扩展到了 250W，而且还增加了很多内置以及用 户可配置的功能， 从而使应用可开发为员可灵活地以最低的系统成本完成优化的 电源设计。2.1 TOPSwitch-GX 系列产品介绍10TOPSwitch-GX 系列不仅继承了早期的 TOPSwitch 将高压功率 MOSFET 管、 PWM 控制、故障自动保护及其它控制电路集成在一个 CMOS 芯片上的优点，而 且还增加了许多新功能，从而有效地降低了电源系统成本，提高了电源性能，改 善了设计灵活性并扩展了电源输出功率。 其中的 TOP250 型芯片是世界上功率最 高的单片电源 IC，其最大输出功率可达 290W，该芯片极大地扩展了开关电源芯 片在大功率领域内的应用范围。 2.1.1 TOPSwitch 系列单片开关电源的基本工作原理 TOPSwitch 系列单片开关电源的典型应用电路如图 2.1 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，能方便的实现多 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2.1 单片开关电源的典型应用电路由图可见，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 的 MOSFET 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； TOPSwitch 的 MOSFET 截止时， 2 导通， 当 VD 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 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， 两者叠加在直流输入电压桥上， 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。11钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管 VDZ1 和阻塞二极管 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 所吸掉。 该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过VD3，CF整流滤波后获得反 馈电压UFA，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。CT是 控制端C的旁路电容。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中的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 TOP248Y的控制端电流 ，TOPSwitch的输出占空比D与IC成反比，故D变化，从 而达到稳压目的。当Uo减小，导致UF减小，Ic减小，进而D增大，最终使Uo增大。 由此可见， 反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比， 使输出电压趋于稳定的。2.2 光电耦合器随着开关电源技术和绿色电源的飞速发展,APFC 技术成为当前研究的热 点,电子式开关电源技术已经成熟,而且有相当多的控制方式。 目前人们正在进行 数字式开关电源的研究与开发,已经有数字式带功率因数校正的开关电源产品上 市。 对于数字式开关电源,隔离技术和抗干扰技术是至关重要的,随着电子元器件 的迅速发展,光电耦合器的线性度越来越高,光电耦合器是目前在单片机和开关 电源中用得最多隔离抗干扰器件。光耦合器（optical coupler,英文缩写为 OC）亦 称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件, 通常把发光器（红外线发光二极管 LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同 一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光 电流,从输出端流出,从而实现了“电―光―电”转换。 以光为媒介把输入端信号 耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、 寿命长、 无触点,抗干扰能力强, 输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。 通常 的光电耦合器由于它的非线性,因此在模拟电路中的应用只限于对较高频率的小 信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号,不适合传输模拟信 号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号, 使其应用领域大为拓宽。122.2.1 光耦合器的性能特点 光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离, 抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间 隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、 通信设备及微机接口中。 由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较 小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小,它所能提供的电流并不大, 不易使半导体二极管发光;由于光电耦合器的外壳是密封的,它不受外部光的影 响;光电耦合器的隔离电阻很大（约 1012 ）、隔离电容很小（约几个 pF）所以 能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。 线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器 的输入端加控制电压,在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电 路的电压。线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成,当发光二极管接通 而发光,光敏三级管导通,光电耦合器是电流驱动型,需要足够大的电流才能使发 光二极管导通,如果输入信号太小,发光二极管不会导通,其输出信号将失真。在 开关电源,尤其是数字开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过 调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降 VF、正向电流 IF、电流传 输比 CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压 V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降 VCE(sat)。此外,在传输数字信号时还需考虑上升 时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。电流传输比是光耦合器的重要参 数,通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时,它等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分比。其公式为：（2.2.1） 采用一只光敏三极管的光耦合器,CTR 的范围大多为 20%～300% （如 4N35） , 而 PC817 则为 80%～160%,达林顿型光耦合器（如 4N30）可达 100%～5000%。 这表明欲获得同样的输出电流,后者只需较小的输入电流。因此,CTR 参数与晶体 管的 hFE 有某种相似之处。线性光耦合器与普通光耦合器典型的 CTR-IF 特性曲 线如图 2.2 中虚线和实线所示。13图 2.2 CTR-IF 特性曲线由图可见,普通光耦合器的 CTR-IF 特性曲线呈非线性,在 IF 较小时的非线性 失真尤为严重,因此它不适合传输模拟信号。 线性光耦合器的 CTR-IF 特性曲线具 有良好的线性度,特别是在传输小信号时,其交流电流传输比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF) 很接近于直流电流传输比 CTR 值。因此,它适合传输模拟电压或电流信号,能使 输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。 使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离,在设计电路时, 必须遵循下列原则： 所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿 电压的标准;由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列 (如4N25 、4N26、4N35)光耦合器,目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合 器呈现开关特性,其线性度差,适宜传输数字信号(高、低电平),可以用于单片机的 输出隔离;所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数14第3章 单片开关电源的设计 3.1 单片开关电源的主电路设计随着 PMW 技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关 电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构， 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 Integration Inc 开发的 TOPSwitch 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 了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个 新的时代。 本次设计就是针对 TOP Switch 的第四代产品 TOP248Y 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。 3.1.1 主电路的工作原理 电路主要包括输入整流滤波、TOP248Y脉宽调制、高频变压器、电压反馈 整流滤波、输出整流滤波等几部分，其电路原理图如图4.1所示。 由VDZ1和VD1 构成的漏极钳位电路， 能吸收在MOSFET关断时由高频变压器初级漏感产生的尖 峰电压，保护MOSFET不受损坏。VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态 电压抑制器，VD1选用BYV26C型超快恢复二极管，其反向耐压为800V。选择全 频工作方式时，开关频率设定为132kHz。输出滤波电路由C4、C5、C6、L1、C7 构成。TOP248Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。C6接在交流 电源进线端，专门滤除电网线之间的差模干扰。 精密光耦反馈电路由光耦合器、 TL431等组成。输出电压UO通过电阻分压器R5～R7获得取样电压，与TL431中的 2.50V基准电压进行比较后产生误差电压，再经过光耦去改变TOP248Y的控制端 电流IC， 使占空比发生变化， 进而调节UO保持不变。 反馈绕组的输出电压经VD2、 C4整流滤波后， 给光耦中的接收管提供偏压。 3还与R2一起构成尖峰电压滤波器， C 使偏置电压在负载较重时能保持恒定。R4、C9、C10和C2均为控制环路的补偿元 件。15图3.1主电路工作原理图3.1.2 基本参数的确定 1.根据 u，确定初级感应电压 UOR 和钳位二极管反向击穿电压 UB 值表 3.1 确定 UOR、UB 值 u/V 固定输入 100/115 通用输入 85～265 固定输入 230±35 初级感应电压 UOR/V 60 135 135 钳位二极管反向击穿电压 UB/V 90 200 200由表 3.1 可得初级感应电压 UOR＝135V. 钳位二极管反向击穿电压 UB =200V. 2.根据 UI(min)和 UBR 来确定最大占空比 DmaxDmax =（3.1.1）U OR i100% U OR + U I(min) ? U DS (ON )设定 MOSFET 的漏－源导通电压 UDS(ON)＝10V，将 UOR＝135V 和 UI(min) ＝90V 带入上式得出 Dmax＝63％。 3.确定初级纹波电流 IR 与初级峰值电流 IP 的比值 KRP 定义比例系数 K RP =IR IP当 u 确定后，KRP 有一取值范围，如下表 4.2.16表 3.2 根据 u 来确定 KRP u/V 最小值（连续模式） 固定输入 100/115 通用输入 85～265 固定输入 230±35 0.4 0.4 0.6 KRP 最大值（不连续模式） 1.0 1.0 1.0在连续模式下，取 KRP＝0.4. 4.确定初级波形参数 输入电流平均值I AVG = P0 = 1.67 A ηU Im in（3.1.2） 初级峰值电流IP = I AVG = 3.3 A (1 ? 0.5 K RP )i Dmax（3.1.3）3.2 输入整流滤波电路的设计在输入端先通过 EMI 滤波器（由 L2、C11 构成）来防止电磁干扰，它能有效 地抑制电网噪声，提高电源的抗干扰能力及系统和可靠性。取 L2=820?H、C11=0.1?F。初步滤波之后，加接单相整流桥，选取整流桥参数如下：整流桥的反向击穿电压应满足U BR ≥ 1.25i 2umax（3.2.1）代入 umax＝265V 得 UBR≥468.4V，所以应选耐压 600V 的成品整流桥.设输入 有效电流为 IRMS 整流桥额定的有效电流为 IBR， 应当使 IBR≥2IRMS， 计算 IRMS 的公 式如下：17I RMS =P0 η umin cos ?（3.2.2） 式中 cosφ 为电源的功率因数，一般为 0.5～0.7，可选 cosφ＝0.5,IBR≥7.1A ,取 IBR＝8A．代入得3.3 TOPSwitch 系列芯片的选取TOPSwitch-GX 系列开关器件提高了输出功率。 实践证明， TOPSwitch-GX 用系列开关器件设计开关稳压电源，其电路结构更加简单，抗干扰性能更好，可靠 性更高，因此，本次设计就针对 TOPSwitch-GX 系列来选取合适的芯片。 所选芯片的极限电流的最小值 ILIMIT(min)应满足下条件：0.9 ILIMIT(min)≥IP（3.3.1）代入 IP 值得出 ILIMIT(min)≥3.67A表 3.3 内部自保护极限电流值 产品型号 最小值 TOP244Y TOP245Y TOP246Y TOP247Y TOP248Y TOP249Y TOP250Y 1.256 1.674 2.511 3.348 4.185 5.022 5.859 极限电流 ILIMIT/A 典型值 1.35 1.80 2.70 3.60 4.50 5.40 6.30 最大值 1.445 1.926 2.889 3.852 4.815 5.778 6.741由上表，应选取 TOP248Y 芯片。3.3.1 TOP248Y 的管脚功能TOP248Y外形如图3.12示。它有六个管脚，依次为控制端C、线路检测端L、极18限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。各管脚的具体功能如下：图 3.2 TOP248Y 外形及管脚图控制端 C：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电 流 Ic 的大小可调节占空比，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的连接点。 线路检测端 L：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。 TOP248Y 的欠压电流 Iuv 为 50?A，过压电流 Iav 为 225?A。若 L 端与输入端接 入的电阻 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 X：外部电流设定调整端。若在 X 端与源极之间接入不同 的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许 流过的电流将变小。 源极 S：连接内部 MOSFET 的源极，是初级电路的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的一半，即 66kHz。 漏极 D：连接内部 MOSFET 的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提 供内部偏置电流。3.3.2 TOP248Y 的内部结构 TOP248Y 的内部工作原理框图如图 3.3 所示。19图 4.3 TOP248Y 的内部工作原理框图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、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。另外，在 TOP248Y 的外端加接了由 VDZ1 和 VD1 构成的漏极钳位电路。在功率 MOSFET 关断瞬间， 高频变压器初级漏感会产生尖峰电压 UL，那么就利用由 VDZ1 和 VD1 构成的漏 极钳位电路来保护 MOSFET 不受损坏。同时，高频变压器初级漏感在初级绕组 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 UDCImax 上， 加至内部功率开关管 MOSFET 的漏极上。 因此， Z1 采用钳位电压为 200V VD 的 P6KE200 型瞬态电压抑制器，VD1 选用 BYV26C 型超快恢复二极管，其反向 耐压为 600V. 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。3.4 高频变压器的设计高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件， 开关电源中高频 变压器性能的优劣，不仅对电源效率 H 有较大的影响，而且直接关系到电源的 其它技术指标和电磁兼容性(EMC)。为此，一个高效率的高频变压器应具备直流 损耗和交流损耗低、漏感小、绕组的分布电容及各绕组间的耦合电容小等条件。20开关电源中变压器的功能是把输入的高频高电压转变为所需要的高频低电 压。所以实际工作情况与线性稳压电源中的电源变压器差别很大。线性稳压电源 中变压器输入的是正弦交流电，而开关变压器的初级是开关电源的一部分，工作 在直流高频斩波状态下进行。这也是设计开关变压器的基本出发点。元器件的参 数计算如下： 初级电感LP = 106 (U Im in ? U DS (ON ) ) IR f = 290 ? H（3.4.1）实取 LP＝300?H. 高频变压器最大承受功率 PM 与磁心面积 SJ 有下关系： S J = 0.15i PM （3.4.2） 高频变压器额定输入功率 PI＝PO/η＝120/80％＝150W 所以取 PM＝160W，带入上式得 SJ＝1.9.表 3.4 部分国产 E 型磁心得尺寸规格 产品型号 E－30 E－35 E－40 E－50 E－60 磁心截面积 SJ/cm 1.15 1.00 1.38 2.25 2.562由上表可选取 E－50 型磁心。 计算次级匝数 NS: 对于宽范围 85~265V 电压输入次级绕组可取 0.6 匝/V， 考虑到在次级肖特基 二极管上还有 0.4V 的正向导通压降 UF1，因此次级匝数为 NS=（UO+UF1） 0.6 ? 匝/V＝（24V+0.4V） 0.6 匝/V =14.64 匝。由于次级绕组上还存在导线电阻，也 ? 会形成压降，所以取 NS=15 匝。 计算初级匝数 NP:21NP = NS iU OR U 0 + U F1（3.4.3）将 UOR=135V,UO=24V , UF1=0.4V, NS=15 匝代入上式得 NP=83 匝。计算反馈绕组匝数 NF：NF = NS i U FB + U F 2 U 0 + U F1（3.4.4） 已知 UFB=12V, UF2=0.7V, 从上式可得 NF＝0.5 匝．3.5 输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由 VD2、C4、C6、L1 和 C7 构成。超快恢复二极管适合作为 开关电源中的高压大电流整流管，所以输出整流管也采用超快恢复二极管．整流 管实际承受的最大反向峰值电压为NS = 92V NPU ( BR ) S = U 0 + U I (max) i（3.5.1） 所选整流管的最高反向工作电压 URM≥2U(BR)S = 184V .其额定整流电流 Id≥3IOM。 IOM 为最大连续输出电流，为 5A，所以 Id≥15A．查表可选取 Motorola 公司的 MUR120 型二极管。输出滤波电容： 输出滤波电容 COUT 的容量与最大输出电流有关，由经验值COUT 可选 560?F/63V 的电容器。当输出端的纹波电压过大时， 应再增加一级 LC 滤波器， 一般取 L＝3.3?H, 滤 波电容 C 可选 120?F / 35V 的电容器。 滤波电容、电感是组成滤波电路的重要器件。需要指出的是，电容、电感通22常不是理想的电容电感。实际上是一个 R、L、C 的综合器件。3.6 稳压反馈电路设计反馈回路的形式由输出电压的精度决定， 本电源采用 “光耦 PC817＋TL431” ， 它可以将输出电压变化控制在±1%以内，反馈电压由直流输出端取样。输出电压 UO 通过电阻分压器 R5、R6、R7 获得取样电压后，与 TL431 中的 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 TOP248Y 的控制端电流 IC，进 而使占空比发生变化，再通过改变占空比来调节输出电压 UO 使其保持不变。光 耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经 VD3、C8 整流 滤波后，可给光耦中的接收管提供偏压。 反馈级整流管 VD3 最大反向峰值电压U ( BR ) FB = U FB + U I (max) i NF = 16V NP（3.6.1） 由此，VD3 可选取 MUR120 型号的超快恢复二极管。 反馈滤波电容 C8 取 0.1?F / 50V 陶瓷电容器。 开关电源输出电压 UO 由 R5, R6, R7 分压，正常时得到 2.5V 取样电压，送到TL431 的控制端，因为控制端的电流极小。可以忽略，因而 R6, R10, R11 取值可按 UO 与 2.5V 之比选取。即 U 0 = 2.5 ? (1 + R5 + R6 ) R7（3.6.2） 当 UO=24V 时, (R5+R6)/R7=8.6． 当 UO=16V 时，(R5+R6)/R7=5.4． 取 R6=10K, R7=10K, 可得出 R5=44K～76K．R3 是 TL431 的限流电阻，由于发光二极管的典型工作电流为 10mA, 所以 R3&(24VC5VC2.5V)/10mA= 1.7k .取 R3= 2k .233.6.1 光耦合器的选取在开关电源的隔离中,以及设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光 耦合器的型号及参数, 除了必须遵循普通光耦的选取原则外,还必须遵循下列原 则： 1.光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是 50%～200%。 这是因为当 CTR ＜50%时,光耦中的 LED 就需要较大的工作电流(IF＞5.0mA),才能正常控制单片 开关电源 IC 的占空比,这会增大光耦的功耗。若 CTR＞200%,在启动电路或者当 负载发生突变时,有可能将单片开关电源误触发,影响正常输出。 2、若用放大器电路去驱动光电耦合器,必须精心设计,保证它能够补偿耦合 器的温度不稳定性和漂移。 3、推荐采用线性光耦合器,其特点是 CTR 值能够在一定范围内做线性调整。 上述使用的光电耦合器时工作在线性方式下,在光电耦合器的输入端加控制电压, 在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压,是单片机进行 环调节控制,对电源输出起到稳压的作用。线性光耦合器的典型产品及主要参数 如下，这些光耦均以光敏三极管作为接收管。表 3.5 线性光耦合器的典型产品及主要参数产品型号 PC816 PC817 SFH610A-2 SFH610A-3 WEC2501-HCTR（%） 80～160 80～160 63～125 100～200 80～160U(BR)CEO/V 70 35 70 70 40国外生产厂家 Sharp Sharp Siemens Siemens NEC由上表可选取 PC817 光耦合器。 光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。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 4.4。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”的转换。24图 3.4PC817 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的光电隔离器件， 能够传输连续变化的模拟电压或电流 信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的 导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。图 3.5PC817 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。25第 4 章 结论本论文介绍了一种单端反激式单片开关稳压电源的设计方法。 该开关电源采 用 TOPSwitch-GX 器件作为核心器件，提供直流输入电压，可获得高质量的稳压 输出。参照给定的该电源的技术参数，设计了该开关电源的滤波、整流、反馈等 电路。详细的给出了单片开关电源高频变压器的设计方法，并通过反复试验有了 一定的心得，取得了高频变压器设计的宝贵经验。 单片开关电源的设计程序设计高性价比的开关电源， 设计人员不仅要掌握各 种 TOPSwitch 系列产品的工作原理和应用电路，还必须了解有关通用及特种半 导体器件、模拟与数字电路、电磁兼容性、热力学等多方面的知识。按照传统方 法，开关电源要全部靠人工设计，不仅工作量大，效率低，而且因设计时的变量 多，难于准确估算，使得设计结果与实际情况相差较大，还需多次反复修正。 TOP switch-GX系列开关电源如果设计合理，一般都比较容易满足设计要求；但 如果设计不当，则会出现一些不正常现象。因此，在具体设计时，应注意以下事 项： （1）脉冲变压器的初级电感值要适当，一般在300?H到3000?H之间。输出 功率较大时应取下限；反之则应取上限。变压器的初级电感不能太小，否则会造 成TOP switch-GX系列开关中MOSFET的漏极电流过大而使损耗增加，同时易造 成过流保护而使电源难以启动。同样，初级电感也不能太大，过大则不能满足输 出功率的要求。 （2）在选择输出滤波电容时，该电容等效串联电阻应尽可能的 小，特别是在低压大电流的情况下更是如此，否则会由于电容损耗的增大而导致 电源可靠性的降低。 （3）反馈光耦输出端应靠近控制端C，控制端C的滤波电 容应靠近源极；另外多功能端L、X、F与源极之间的连接线也应尽可能的短，同 时还应当远离漏极，以减小电源噪声。26谢辞论文是在辛依波老师的悉心指导下完成的。辛老师渊博的专业知识，严谨的 治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的 人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方 法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一 步都是在辛老师的指导下完成的，倾注了辛老师大量的心血。在此，谨向支辛老 师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成，还离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感 谢大学三年来传授我知识的每个老师和我一起设计此课题的同学！参考文献[1] 沙占友.单片开关电源最新应用技术.北京：机械工业出版社，2002. [3] 周志敏等.现代开关电源控制电路设计及应用.北京： 人民邮电出版社， ]杨旭.开关电源技术.北京：机械工业出版社.] 李定宣.开关稳定电源设计与应用.中国电力出版社.] 杨恒.开关电源典型设计实例精选.中国电力出版社.]杨旭.开关电源技术.机械工业出版社.2004.327