開關(guān)電源top224芯片.docx

1、緒 論開關(guān)電源（Switched Mode Power Supply，SMPS）是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，用于交流直流或直流直流電能的變換。其功率從零點幾瓦到數(shù)十千瓦，被廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個領域。比如：小到彩色電視機、DVD播放機等家用電器、大到飛機、衛(wèi)星、導彈、艦船中，都大量采用了開關(guān)電源。開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負載對電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開關(guān)電路進行控制。脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，導致了PWM開關(guān)電源問世（PWM開關(guān)電源的特點是用20KHz的載波進行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達6

2、5%70%），大幅度節(jié)約了能源，引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽為20KHz革命。高頻化使開關(guān)電源裝置空前的小型化，并使其進入更廣泛的領域，特別是推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化，在節(jié)約資源及保護環(huán)境方面具有深遠的意義。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設備的應用領域越來越廣，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。但是，任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。并且，隨著集成芯片尺寸的不斷減小，處理速度越來越高，需要更加小型化、輕量化的電源（磁性元件和電容的體積、重量應隨之減?。?；未來的綠色電源要求開關(guān)電源的效率更高，性能更好，可靠性更高等。這一切將促進開關(guān)電源的不斷發(fā)展

3、和進步。開關(guān)電源體積小、效率高，被譽為高效節(jié)能電源，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導產(chǎn)品。當今開關(guān)電源正向著集成化、智能化的方向發(fā)展。高度集成、功能強大的開關(guān)型穩(wěn)壓電源代表著開關(guān)電源發(fā)展的主流方向。本論文主要圍繞當前流行的集成開關(guān)電源芯片進行小功率開關(guān)型穩(wěn)壓電源特性的研究。本文采用TOP224Y研制了一款單片開關(guān)電源，論文給出了外圍電路各部分的詳細設計方法，并進行了參數(shù)計算，通過實測結(jié)果分析，驗證了理論的可行性。具有較強的適用性。本設計的交流輸入電壓范圍是AC140V240V，該電源能同時實現(xiàn)輸入欠壓保護、過壓保護等功能。主要采用TOP224Y、PC817、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合來

4、完成。本主要內(nèi)容如下：根據(jù)開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用全控型電力電子器件作為開關(guān)，利用控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等新型電源特點，設計并制作出一種額定輸出功率為40W的通用小型開關(guān)電源。1 開關(guān)電源的基本類型開關(guān)電源的分類方法有多種。 按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式分類可分為脈沖寬度調(diào)制（PWM)式、脈沖頻率調(diào)制(PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種；按觸發(fā)方式分類可分為自激式開關(guān)電源和它激式開關(guān)電源；按電路的輸出取樣方式分類可分為直接輸出取樣和間接輸出取樣；按功率開關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；按功率開關(guān)管與電源供

5、電、儲能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源等。下面我們介紹幾種開關(guān)電源。(1) 單端正激式開關(guān)電源 單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖1-1所示。它與單端反激式電路在形式上相似，但工作情形不同。當開關(guān)管VT1導通時, VD2也導通，這時電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感L儲存能量；當開關(guān)管VT1截止時，電感L通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設有箝位線圈與二極管VD1，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開關(guān)管VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200W的功率。但

6、變壓器結(jié)構(gòu)復雜，體積也較大。因此，實際應用并不多。圖1-1 單端正激式開關(guān)電源(2) 單端反激式開關(guān)電源 單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖1-2所示。當開關(guān)管VT1導通時，輸入側(cè)的電能以磁能的形式存儲在變壓器的初級線圈中，由于同名端的關(guān)系，次級側(cè)二極管VD1不導通，負載沒有電流流過。當功率開關(guān)晶體管VT1斷開時，變壓器次級繞組以輸出電壓UO為負載供電，并對變壓器進行消磁。圖1-2 單端反激式開關(guān)電源單端反激式開關(guān)電源電路簡單，所用元件少，輸出電壓即可高于輸入電壓又可低于輸入電壓，一般適用在輸出功率為200W以下的開關(guān)電源中。(3) 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開關(guān)電源的典型電路如圖1-3所示。接

7、入電源后R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1導通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應出使VT1基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使VT1很快飽和。同時，感應電壓給C1充電。隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低并退出飽和區(qū)，Ic減小，在L2中感應出使VT1基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時二極管VD1導通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸入電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負載輸出

8、所需的電壓。自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。圖1-3 自激式開關(guān)電源(4) 推挽式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖1-4所示。它屬于雙端式變換電路，使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，在外激勵方波信號的控制下交替導通與截止，在變壓器T次級繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。圖1-4 推挽式開關(guān)電源這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，缺點是開關(guān)管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100500W范圍內(nèi)

9、。 (5) 降壓式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖1-5所示。當開關(guān)管VT1導通時，二極管VD1截止，輸入的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電，這一電流使電感L中的儲能增加。當開關(guān)管VT1截止時，電感L感應出左負右正的電壓，經(jīng)負載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感L中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。圖1-5 降壓式開關(guān)電源(6) 升壓式開關(guān)電源 升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖1-6所示。當開關(guān)管VT1導通時，電感L儲存能量。當開關(guān)管VT1截止時，電感L感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電

10、壓，形成升壓式開關(guān)電源。圖1-6 升壓式開關(guān)電源(7) 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖1-7所示。圖1-7 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源，無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。當開關(guān)管VT1導通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關(guān)管VT1截止時，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時給電容C充電。降壓式、升壓式、反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒有絕緣隔離，統(tǒng)稱為斬波型直流變換器。2 開關(guān)電源的原理2.1 開關(guān)電源的選擇基礎一

11、般來說，功率很小的電源（1100W）采用電路簡單、成本低的反激型電路較好；當電源功率在100W以上且工作環(huán)境干擾較大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時，則應采用正激型電路；對于功率大于500W、工作條件較好的電源，則采用半橋或全橋電路較為合理。如果對成本要求比較嚴，可以采用半橋電路；如果功率很大，則應采用全橋電路。推挽電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場合。本設計旨在設計并制作出一種額定輸出功率為40W的通用型小功率開關(guān)電源。單端反激式電路不僅符合功率的要求，并且具備電路簡單、所用元件少、輸出與輸入間有電氣隔離、電壓輸入范圍寬、能方便的實現(xiàn)多路輸出、有較好的電壓調(diào)整率的特點。因此，本設計選擇

12、了單端反激式的拓撲類型。2.2 反饋電路的類型與選擇單片開關(guān)電源的反饋電路有4種基本類型：基本反饋電路、改進型基本反饋電路、配TL431的光耦反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。(1) 基本反饋電路，其優(yōu)點是電路簡單、成本低廉、適于制作小型化、經(jīng)濟型開關(guān)電源，其缺點是穩(wěn)壓性能較差。(2) 配TL431的光耦反饋電路，其電路較復雜，但穩(wěn)壓性能最佳，適于構(gòu)成精密開關(guān)電源。(3) 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，該電路相當于給TOP Switch增加一個外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對輸出電壓進行調(diào)整。(4) 改進型基本反饋電路，只需增加一支穩(wěn)壓管VDZ和電阻R1，即可使負載調(diào)整率達到 -2

13、%+2% 。VDZ的穩(wěn)定電壓一般為22V，需相應增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓，滿足電路的需要。 由于本設計是旨在針對精密開關(guān)穩(wěn)壓電源進行的設計與制作的，需要有較好的穩(wěn)壓性能。并且，考慮到光耦所具有的電氣隔離的優(yōu)點，所以選擇了配TL431的光耦反饋電路。2.3 開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及工作原理2.3.1 開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖2-1所示。它主要由輸入整流濾波電路、功率轉(zhuǎn)換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及控制電路部分組成。其中，控制電路又包括取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準電壓等電路組成。2.3.2 開關(guān)電源的基本工作原理首先，交流電經(jīng)輸入部分整流電

14、路和濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電。然后，該直流電又通過功率轉(zhuǎn)換電路進人高頻變壓器被轉(zhuǎn)換成所需的電壓值，最后再將這個電壓經(jīng)輸出部分整流濾波電路的整流、濾波后變?yōu)樗枰闹绷麟姽┙o用電設備。這中間，電源的穩(wěn)壓是靠反饋控制電路（控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到電壓的穩(wěn)定輸出）來實現(xiàn)的。即:輸出電流經(jīng)取樣器送至比較器，使之與基準電壓電路中的電流相比較，然后由脈寬調(diào)制電路根據(jù)比較結(jié)果來進行脈寬調(diào)制，從而控制功率轉(zhuǎn)換電路中相應功率輸出的大小，最后實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。目前，這部分電路目前己集成化，制成了各種開關(guān)電源的專用集成電路。圖2-1 開關(guān)電源的原理圖2.3.3 脈

15、寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本工作原理開關(guān)電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式以及兩者混合式。其中，前兩者的區(qū)別在于：前者通過改變占空比來實現(xiàn)穩(wěn)壓，開關(guān)器件導通的周期并不變。而后者恰恰相反。在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制（PWM）型,全稱脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation ，PWM）技術(shù)，本設計亦采用調(diào)寬式控制方法。它通過對脈沖寬度進行調(diào)制來獲得所需波形（含形狀和幅值）。其基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)以及外接負載發(fā)生變化的情況下，根據(jù)反饋的結(jié)果，調(diào)節(jié)開關(guān)器件的脈沖寬度（輸出電壓的高或低而使占空比相應小或大）使輸出電壓穩(wěn)定。 PWM開關(guān)電源的控制原理如圖

16、2-2所示。當T不變時，直流平均電壓 將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要設法使脈沖寬度即占空比（在一個周期內(nèi)T內(nèi),開關(guān)導通的時間Ton所占整個周期T的比例,稱為占空比D,D=Ton/T），就可達到穩(wěn)定電壓的目的。圖2-2 PWM開關(guān)電源控制原理及波形圖3 小型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設計3.1 開關(guān)電源的設計流程圖圖3-1 開關(guān)電源的設計流程圖在本設計中，由于采用了TOP Switch智能芯片，其本身集成了保護電路、關(guān)斷電路、自動重啟電路等。所以，在設計時可以省去上面的幾個環(huán)節(jié)，只需對其進行好選型。3.2 技術(shù)指標和性能要求本設計依據(jù)要求，采用了較新的電路結(jié)構(gòu)，設計出小功率通用開關(guān)電源。它應具備小功率通

17、用開關(guān)電源紋波小、電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點。同時還應實現(xiàn)欠壓、過壓、過流、過熱等電路工作異常時的保護。具體技術(shù)指標為如下：交流輸入電壓：220V（140V240V）；電網(wǎng)頻率：50Hz；開關(guān)電源頻率：100KHz；輸出直流電壓Uo：8V（兩路），5V（兩路），3.6V，-8V，-24V各一路；輸出額定電流：2A；額定輸出功率：30W；負載調(diào)整率SI：-4%+4%；電源效率H：高于84%；空載功率損耗：低于0.5W（230V時）；輸出紋波電壓：低于120mV。3.3 TOP224Y 的主要性能特點和元件選擇3.3.1 性能特點TOP224Y是TOP Switch -系列中一種最常用的

18、芯片,其封裝形式是TOP220,自帶小散熱片, 是典型的三端集成器件,TOP芯片的引腳圖如圖3-2，三個管腳分別為控制端C、源極S、漏極D ,其內(nèi)部功率MOSFET 器件的耐壓值高達700 V , 可設計成40 W以上儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源, TOP Switch - 系列產(chǎn)品具有以下顯著特點：(1) 將脈寬調(diào)制(PWM) 控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中, 內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應管(MOS2FET) 、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路, 通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離, 真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化, 使用安全可靠。(2) 采

19、用漏極開路輸出, 并利用控制極反饋電流Ic來線性調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)AC/ DC 變換的, 即屬于電流控制型單片開關(guān)電源。(3) 輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時, 可選110V/ 115V/ 230V 交流電, 允許變化15 %。在寬電壓范圍輸入時, 適配85265V 交流電, 但輸出功率峰值POM要比前者降低40 %。(4) 它只有三個引出端, 能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的單端反激式開關(guān)電源。開關(guān)頻率的典型值為100 kHz , 允許范圍是90 k110 kHz , 占空比調(diào)節(jié)范圍是117 %67 %。(5) 外圍電路簡單, 電磁干擾小, 成本低廉。由于芯片本身功耗很低, 電源效

20、率可達80 %左右, 最高可達90 %。圖3-2 TOP224Y的引腳圖TOP 224Y芯片的引腳功能簡介如下：(1) DRAIN：內(nèi)部功率MOSFET漏極接入端。該端同時還是內(nèi)部電流的檢測端，該端內(nèi)接高壓電流源，在其啟動過程中，向內(nèi)部功能電路提供偏置電流。(2) CONTROL：占空比控制端。該端內(nèi)接分流調(diào)節(jié)器，在正常工作狀態(tài)下提供偏置電流，該端同時還是旁路電容，自動重啟電路和補償電容的接入端。(3) SOURCE：內(nèi)部功率MOSFET源極接入端，是一次側(cè)電路的公共端，功率的返回端和參考點。3.3.2 線性光耦合器PC817光耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對

21、輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及

22、實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性PC817通常把發(fā)光器（發(fā)光二極管LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內(nèi)，如圖3-3所示。當輸入端加電信號時，驅(qū)動發(fā)光二極管（LED）發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導通，產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。圖3-3 PC817內(nèi)部框圖本設計采用PC817光耦合器的主要優(yōu)點在于：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高?？梢云鸬胶芎玫姆答佔饔?。3.4 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431TL43

23、1是由美國德州儀器（TI）和摩托羅拉公司生產(chǎn)的2.536V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其性能優(yōu)良，價格低廉，該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，可廣泛用于單片精密開關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中，在很多應用中可以用它代替齊納二極管。此外，TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓器、延時電路、精密恒流源等。TL431的電路圖形符號和基本接線如圖3-4所示：R3是限流電阻。其穩(wěn)壓原理為：當Uo上升時，取樣電壓UREF也隨之升高，使UREF Uref（內(nèi)部2.5V基準電壓），比較器輸出高電平，使VT(內(nèi)部晶體管)導通，Uo開始下降。反之，Uo下降會導致UREF下降，從而UREF Uref，使比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低

24、電平，VT截止、Uo上升。這樣的循環(huán)下去，從動態(tài)平衡的角度來看，就迫使Uo趨于穩(wěn)定，從而達到了穩(wěn)定的目的，并且UREF=Uref。圖3-4 TL431的基本接線和電路符號在本設計中就是利用TL431和光耦構(gòu)成反饋電路，其工作原理就是當輸出電壓發(fā)生波動時，經(jīng)分壓電阻得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流發(fā)生變化，再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到TOP224Y的控制端C端。通過改變TOP224Y的控制端電流大小，調(diào)節(jié)其輸出占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。3.5 開關(guān)電源的電路設計3.5.1 TOP224Y芯片原理圖3-5是用TOP224

25、Y芯片設計的單端反激式開關(guān)電源的原理圖。輸入為220V AC（15%），輸出為+15VDC，功率為40W。由于TOP Switch芯片集成度高，設計工作主要是外圍電路的設計。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。圖3-5 TOP224Y芯片原理3.5.2 輸入整流濾波電路設計輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用技術(shù)成熟的型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除差模干擾的、為0.1F/250V；去除共模干擾的、為10nF；濾波線圈為1033Mh，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應大于400V

26、，其承受的沖擊電流應大于額定整流電流的710倍。還應注意，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應為計算值的兩倍。本設計中,選用四個IN4007整流二極管構(gòu)成整流橋。在當前的供電條件下，電容的值可根據(jù)輸出功率按照3F /W來取值，再考慮余量后，取=150F/400V。交流電壓輸入范圍為187V253V，即=187V,=253V。假設整流橋中二極管導通時間為=3ms，可由式 (2-1) 和(2-2) 式可得輸入直流電壓最小值和最大值為： (2-1) (2-2)式中 系統(tǒng)效率，可選擇80%； 交流電網(wǎng)頻率； 電源輸出功率。3.5.3 箝位保護電路設計當TOP224Y的功率MOSFET 管由導通變?yōu)榻刂箷r,

27、 在高頻變壓器T 的初級繞組上會產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓, 其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成, 它與直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET 管。為此, 必須設計箝位保護電路, 對尖峰電壓進行箝位和吸收。圖3-5中VD1 和VD2 構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對TOP224Y的損壞, VD1 與VD2 的選擇由反射電壓V OR 決定。V OR 一般取135 V , VD1 箝位電壓V CLO 可由經(jīng)驗公式V CLO =115V OR得出, VD2 的耐壓值應大于最大直流輸入電壓V max 。本設計中VD1 采用反向擊穿電壓為200V 的TVS (瞬態(tài)電壓抑制器) P6KE200 ,

28、VD2 采用反向耐壓為600V 的超快恢復二極管BYV26C。3.5.4 輸出整流濾波電路設計輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1/6多，是影響開關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復損耗。由于肖特基二極管反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。次級繞組的反向峰值電壓為：=+Ns/Np (2-3)式中 次級繞組輸出電壓；輸入交流電壓最大值。對輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個重要參數(shù)。當電容兩端電壓小于35

29、V時，ESR只與電容的體積有關(guān),本設計選擇細高型120F/35V低ESR電容。輸出濾波電感采用3.3H的穿心電感，它是近年來問世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過，其直流電阻非常小，一般為。它能主動抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，見圖3-5中的。3.5.5 反饋回路的設計本設計采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達到0.1%。電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的誤差比較器，通過光耦PC817A線性關(guān)系的電流變化控制TOP Switch的,從而改變PWM寬度，達到穩(wěn)定

30、輸出電壓的目的。流入TOP Switch控制腳C的電流與占空比D成反比關(guān)系，如圖3-6所示。圖3-6 TOP Switch占空比與控制電流的關(guān)系為使PWM線性調(diào)節(jié)，控制腳電流應在26mA之間，而是受光耦二極管電流控制的，由于PC817A是線性光耦，二極管正向電流在3mA左右時，三極管的集射電流在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化，因此一般選PC817A二極管正向電流為3mA。從TL431的技術(shù)參數(shù)可知，陰極工作電壓的允許范圍為2.537V，陰極工作電流在1100mA內(nèi)變化，一般選20mA即可，不但可穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負載。對于圖3-5所示電路中的反饋部分，主要是確定、和的值

31、。根據(jù)TL431的特性知，、和之間存在以下關(guān)系,已知Vo=15V.： = (1+/) (2-4)式中 TL431參考端電壓，為2.5V； TL431輸出電壓。先取10K，則由式 (2-4) 算得50K。再確定和，由圖2-5電路可知 (2-5)式中 光耦二極管的正向壓降，由PC817技術(shù)手冊知，典型值為1.2V。先取300，則由式 (2-5)，可得52。設計的實際取值為：300，52，50K，10K。3.5.6 其他外圍電路的設計(1) 為保證開關(guān)電源的正常工作，在輸入端串聯(lián)一熔斷絲，防止整個電路被燒毀。另外，在輸入端并聯(lián)一壓敏電阻。正常工作時，壓敏電阻的阻值極大，相當于斷路，不起作用。當遭遇雷

32、擊時，它的阻值瞬間降至極小，造成短路來保護電路。(2) 由于交流電壓經(jīng)整流濾波后得到直流高壓，加在TOP Switch的漏極上。而功率管在關(guān)斷瞬間，又產(chǎn)生尖峰電壓和反向感應電動勢疊加在漏極上，故在初級繞組并聯(lián)一穩(wěn)壓管和阻塞二極管，以吸收尖峰高壓。(3) 在次級繞組產(chǎn)生的電壓或電流尖峰用串聯(lián)電容吸收，使輸出的電壓電流效果更好。3.6 開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機理開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾, 按噪聲干擾源種類來分, 可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分, 可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過, 在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時, 由于PN 結(jié)中有較多的載

33、流子積累, 因而在載流子消失之前的一段時間里, 電流會反向流動, 致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾。功率開關(guān)管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波, 其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關(guān)時, 這種諧波干擾將會很小。另外, 功率開關(guān)管在截止期間, 高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變, 也會產(chǎn)生尖峰干擾。交流輸入回路產(chǎn)生的干擾。無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量, 通過開關(guān)電源的輸入

34、輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾; 而諧波和寄生振蕩的能量, 通過輸入輸出線傳播時, 都會在空間產(chǎn)生電場和磁場。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。3.6.1 目前抑制干擾的幾種措施形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而, 抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源, 直接消除干擾原因； 其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射, 切斷電磁干擾的傳播途徑； 第三是提高受擾設備的抗擾能力, 減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道,它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。采用屏蔽技術(shù)可以有

35、效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如, 功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗, 為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣, 這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容, 開關(guān)電源的底板是交流電源的地線, 因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾, 解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上, 割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射, 電磁干擾對其他電子設備的影響, 可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩, 然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體, 就

36、能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如, 靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾; 電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地, 但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏蔽”效應, 所以仍以接地為好, 這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此, 系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后, 最終都與大地相連。在電路系統(tǒng)設計中應遵循“一點接地”的原則, 如果形成多點接地, 會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路, 當磁力線穿過該回路時將產(chǎn)生磁感應噪聲, 實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。因此,

37、為降低接地阻抗, 消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地, 利用一個導電平面( 底板或多層印制板電路的導電平面層等) 作為參考地, 需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降, 可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中, 應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后, 再連接到公共參考點上。濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如, 在電源輸入端接上濾波器, 可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾, 也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中, 還采用很多專用的濾波元件, 如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán), 它們能夠改善電路的濾

38、波特性。恰當?shù)卦O計或選擇濾波器, 并正確地安裝和使用濾波器, 是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。3.7 基于TOP224Y的開關(guān)電源原理圖及工作原理3.7.1 基于TOP224Y的開關(guān)電源原理圖利用Protel99SE軟件繪制出基于TOP224Y的開關(guān)電源原理圖，如附錄所示。3.7.2 基于TOP224Y的開關(guān)電源工作原理的分析該電路主要包括輸入整流濾波、TOP224Y脈寬調(diào)制、高頻變壓器、電壓反饋整流濾波、輸出整流濾波等部分組成。該電源共使用4片集成電路：TOP224Y單片開關(guān)電源（IC1）；線性光耦合器PC817A（IC2）；可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431（IC3、IC4）。(1) 輸入整流濾波

39、電路部分：由熔斷絲、壓敏電阻、兩級復合式EMI濾波器、單相整流橋組成。CN1接220V交流電，CN2為控制開關(guān)。熔斷絲FU1和壓敏電阻RV1對整個電路起保護作用。正常工作時RV1阻值很大，可以認為是斷路對電路無影響；當遇高壓時，阻值瞬間變小，造成短路，保護后面電路。兩級復合式EMI濾波器含共模扼流圈L1、L2,濾除電網(wǎng)中的共模干擾；濾波電容CX1、CX3濾除電網(wǎng)中的差模干擾，稱為“X電容”；濾波電容CY1CY4同樣濾除電網(wǎng)中的共模干擾，將其減至最小，稱為“Y電容”。之后電流由單相整流橋整流，由正弦交流變?yōu)橹绷鳌?2) 輸出整流濾波電路部分：主要由整流二極管、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。首先二極管D

40、8D12對次級線圈電流整流，當電流為正時，電流通過D8、D9、D12并輸至濾波電路部分，在D10、D11處截止），當電流為負時剛好相反，原因是D10、D11兩路輸出負電壓。濾波電路主要采用了LC- 型復式濾波器，使輸出電壓電流平滑。在D11一路，R8限流、濾波，經(jīng)ZD1穩(wěn)壓和CE15濾波后輸出。其中，在3.6V一路，電流在經(jīng)LC- 型濾波器后有加一個有TL431組成的局部反饋電路。即輸出電壓經(jīng)R6、R7分壓后與TL431的基準電壓比較，得到的誤差電壓通過影響Q1的導通程度來改變輸出電壓，最終使其穩(wěn)定。R5為Q1提供偏壓。(3) 反饋部分：反饋回路采用“光耦PC817TL431”。當負載變化時，

41、L6會產(chǎn)生相應的壓降，此壓降作為反饋信號通過光耦反饋至TOP224Y。之所以選擇這一路作為反饋回路，主要是它輸出的電壓低、電流大，反饋后穩(wěn)壓效果更好。L6產(chǎn)生的壓降通過電阻R11、R12分壓后，與TL431中的2.5V基準電壓進行比較輸出誤差電壓，然后通過光耦去改變TOP224Y的控制端電流，進而使占空比發(fā)生變化，最終使輸出電壓保持穩(wěn)定。光耦起著傳送誤差信號和電氣隔離的作用，反饋繞組電壓經(jīng)D7整流和C1濾波后對光耦的三極管提供偏壓。R9為取樣電阻，C2、CE3、R10使取樣及誤差電壓穩(wěn)定。結(jié) 論設計此類高性價比的開關(guān)電源，不僅要掌握各種TOP Switch系列產(chǎn)品的工作原理和應用電路，還必須了

42、解有關(guān)通用及特種半導體器件、模擬與數(shù)字電路、電磁兼容、熱力學等多方面的知識。所以需要查閱大量資料，進行知識的分解與融合，在設計過程當中還需反復修正。開關(guān)電源的設計需要對電子技術(shù)有較熟練的掌握。對于開關(guān)電源所實現(xiàn)的功能或者目的，需要將其分解為若干個模塊，分別弄清它們的原理和功能以及怎么去使用。然后，再將它們連接成為一個系統(tǒng)。在設計時，重點對基本概念和原理知識作了分析，采取了由部分到整體的設計思路，對涉及的電路單元作了詳細分解和原理介紹。先后設計出該開關(guān)電源的濾波、整流、反饋等電路及外圍電路。通過反復思考有了一定的收獲，并取得了開關(guān)電源設計的寶貴經(jīng)驗。但是，對于開關(guān)電源的元器件計算及選型沒有深入涉及?？傊ㄟ^此次設計，熟悉和掌握了PROTEL繪圖軟件。另外對電子技術(shù)有了新的更高的認識，尤其是對它的實際運用有了較全面的認識。同時，通過翻閱大量的資料，提高了自己