單片機(jī)開關(guān)電源電路

1、 課程設(shè)計(jì) 題目單片開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)與制作姓 名 學(xué) 號(hào) 系（院） 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 職 稱 2015年 06月 20日27目錄1前言-32工作原理-4 1開關(guān)電源介紹-4 2電源原理-53反激式變換器-6 1反激式變換器工作原理-6 2反激式變換器工作模式-7 3單相二極管整流橋-8 4緩沖電路-8 4 TOPSwitch-GX芯片-9 1 TOPSwitch-GX性能-9 2 TOPSwitch-GX內(nèi)部結(jié)構(gòu)-10 3 TOPSwitch-GX引腳功能-125 反激式變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)-13 1 繞組符合安全規(guī)程-13 2 低漏感的繞制方法-14 3 變壓器緊密耦合的繞制方法-16 4

2、 確定磁心尺寸-17 5 反激式變壓器設(shè)計(jì)-196 單端反激式開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)-21 1單端反激式開關(guān)電源主電路介紹-21 2 單端反激式開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路介紹-227 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析-22 1設(shè)計(jì)結(jié)果分析-248 結(jié)論-25前 言 本課題主要掌握反激式PWM高頻開關(guān)電源的工作原理。電源在一個(gè)典型系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色。從某種程度上，可以看成是系統(tǒng)的心臟。電源給系統(tǒng)的電路提供持續(xù)的、穩(wěn)定的能量，使系統(tǒng)免受外部的侵?jǐn)_，并防止系統(tǒng)對(duì)其做出傷害。所以，本課題主要是用TOPSwitch-GX系列是單片開關(guān)電源中的TOP244Y設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源從而到平穩(wěn)的直流輸出，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的電源輸出。開關(guān)

3、電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源，節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。TOPSwitch-GX系列是單片開關(guān)電源第四代產(chǎn)品，最大輸出功率從75W擴(kuò)展到290W，將開關(guān)頻率提高到132KHz，這有助于減小高頻變壓器及整個(gè)開關(guān)電源的體積。當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時(shí)，能自動(dòng)將開關(guān)頻率從132KHz降低到30KHz，可降低開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率。本設(shè)計(jì)要求電源的輸入為電網(wǎng)電壓（市電），經(jīng)濾波后進(jìn)入單相二極管整流橋，再經(jīng)大電容濾波得到直流高壓，通過P

4、WM控制，在反激變換器的變壓器二次側(cè)得到高頻矩形波電壓，再經(jīng)濾波得到平穩(wěn)的直流輸出。而本人主要研究主電路的制作和繞制高頻變壓器，高頻變壓器采用EE25型磁心，配10引腳的骨架，用直徑為0.38mm的漆包線繞制。最后以反激電路的框架進(jìn)行主電路的設(shè)計(jì)。工作原理開關(guān)電源簡(jiǎn)介電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成部分 ,它的性能好壞直接影響到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源兩大類 。線性穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源 ,其穩(wěn)壓性能好 ,輸出紋波電壓很小 ,但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離 ,并且調(diào)整管的功率損耗較大 ,致使電源的體積和重量大、效率

5、低。開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源 ,它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù) ,通過控制開關(guān)通斷的時(shí)間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源 ,具有體積小、重量輕、功率小、效率高、紋波小、噪聲低、易擴(kuò)容、智能化程度高等優(yōu)良特性 ,廣泛應(yīng)用在諸如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、攝像機(jī)等電子設(shè)備上。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 ,現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。目前 ,開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中。而隨著近些年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 ,開關(guān)電源技術(shù)在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速的發(fā)展 ,具體的發(fā)展趨勢(shì)可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面:（1）高頻化開關(guān)頻率的提高有利于開關(guān)電源的體積減小 ,重量減輕 ,動(dòng)

6、態(tài)響應(yīng)得到改善。早期開關(guān)電源的頻率僅為幾千赫茲 ,隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進(jìn) ,開關(guān)頻率漸漸地提高。在這個(gè)過程中 ,IGBT的出現(xiàn) ,使得開關(guān)電源的容量不斷增大 ,在許多中等容量范圍內(nèi) ,迅速取代了晶閘管相控電源。并且 ,IGBT的開關(guān)速度很高 ,通態(tài)壓降低。但是 ,隨著開關(guān)頻率的提高 ,電源的電磁干擾問題也變得突出起來。如何在提高開關(guān)頻率的情況下 ,最大限度的減少電磁干擾對(duì)電源的影響 ,是一個(gè)擺在科研工作者面前的急需解決的問題。（2）非隔離DC/DC技術(shù)近年來 ,非隔離 DC/DC 技術(shù)發(fā)展迅速。它們基本上可以分成兩大類。一類在內(nèi)部含有功率開關(guān)元件 ,稱 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。另

7、一類不含功率開關(guān) ,需要外接功率MOSFET ,稱 DC/DC 控制器。按照電路功能劃分,有降壓的STEP-DOWN、升壓的 BOOST ,還有能升降壓的BUCK-BOOST 或 SEPIC等,以及正壓轉(zhuǎn)成負(fù)壓的 INVERTOR 等。其中品種最多 ,發(fā)展最快的還是降壓的 STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小 , 分為單相、兩相及多相?？刂品绞缴弦?PWM 為主 ,少部分為 PFM。目前一套電子設(shè)備或電子系統(tǒng)由于負(fù)載不同 ,會(huì)要求電源系統(tǒng)提供多個(gè)電壓擋級(jí)。如臺(tái)式PC機(jī)就要求有+12V、+5V、+ 3.3V、- 12 V四種電壓以及待機(jī)的 + 5 V 電壓 ,主機(jī)板上則需要2.5 V、1.8

8、V、1.5 V甚至 1 V 等。一套 AC/DC 中不可能給出這樣多的電壓輸出 ,而大多數(shù)低壓供電電流都很大 , 因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC。（3）數(shù)字化高頻開關(guān)電源的另一發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化。過去在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中 , 控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展成熟 , 其優(yōu)點(diǎn)明顯便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾 ,提高抗干擾能力、便于軟件包的調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào) , 也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入等。這類電源大體上包括兩個(gè)部分 ,即硬件和軟件。硬件部分包括 PWM 的邏輯部分、時(shí)鐘、放大器環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理、驅(qū)動(dòng)、同步整流的

9、檢測(cè)和處理等。而在軟件方面可以通過DSP或熱待機(jī)狀態(tài); 有效調(diào)整系統(tǒng)工作點(diǎn) ,使系統(tǒng)處于最佳效率工作點(diǎn)。比如艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的通信電源休眠節(jié)能技術(shù) ,就是使電源系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況和系統(tǒng)當(dāng)前模塊的工作情況 ,通過合理的邏輯判斷和控制,在保證系統(tǒng)冗余安全的條件下 ,有選擇的打開或休眠部分模塊 ,使系統(tǒng)工作在最佳效率點(diǎn) ,節(jié)能效率顯著。通過采用以上節(jié)能方案優(yōu)化通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,可將目前業(yè)界在網(wǎng)應(yīng)用的通信電源的實(shí)際工作效率低載時(shí)提高 78 個(gè)百分點(diǎn) ,高載時(shí)提高 34 個(gè)百分點(diǎn) ,從而使基站內(nèi)通信電源達(dá)到直接節(jié)能與間接節(jié)能的目的。電源原理工作原理是: 市電進(jìn)入電源首先經(jīng)整流和濾波轉(zhuǎn)為高壓直流電

10、 ,然后通過開關(guān)電路和高頻開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)為高頻率低壓脈沖 ,再經(jīng)過整流和濾波電路 ,最終輸出低電壓的直流電源。同時(shí)在輸出部分有一個(gè)電路反饋給控制電路 ,通過控制 PWM 占空比以達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)電源由以下 4 部分構(gòu)成:（1） 主電路:從交流電網(wǎng)輸入 ,到直流輸出的主要電路。主要包括輸入電磁干擾濾波器、輸入整流濾波器、高頻變壓器、功率開關(guān)管和輸出整流濾波器。（2）控制電路:包括輸出端取樣電路、反饋電路和脈寬調(diào)制器（或通斷控制電路）。（3）檢測(cè)及保護(hù)電路:檢測(cè)電路有過電流檢測(cè)、過電壓檢測(cè)、欠電壓檢測(cè)、過熱檢測(cè)等;保護(hù)電路可分為過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、箝位保護(hù)、過熱保護(hù)、自動(dòng)重啟動(dòng)

11、、軟啟動(dòng)、緩啟動(dòng)等多種類型。（4）其他電路:如鋸齒波發(fā)生器、偏置電路、光耦合器等。開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。開關(guān)電源按控制原理來分類 ,大致有脈沖寬度調(diào)制式簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（Pulse WidthModulation ,縮寫為 PWM）式；脈沖頻率調(diào)制方式簡(jiǎn)稱脈頻調(diào)制（Pulse Frequency Modulation ,縮寫為 PFM）式；混合調(diào)制方式（它屬于PWM 和PFM的混合方式）。其中，脈沖寬度調(diào)制式 ,簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（Pulse WidthModulation ,縮寫為 PWM）

12、式。其主要特點(diǎn)是固定開關(guān)頻率,通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比 ,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調(diào)制器。開關(guān)周期的固定為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便。但是 ,它的缺點(diǎn)是受功率開關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間的限制,對(duì)輸出電壓不能作寬范圍調(diào)節(jié);此外 ,輸出端一般要接假負(fù)載 亦稱預(yù)負(fù)載 ,以防止空載時(shí)輸出電壓升高。目前 ,大多數(shù)的集成開關(guān)電源采用PWM 方式1。反激式變換器反激變換器的工作原理 反激變換器的工作原理見圖1-3。從圖1-3可以看出當(dāng)高壓開關(guān)管Q被PWM脈沖激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓便施加到高頻變壓器的原邊繞組Np上，由于變壓T1副邊整流二極管D1反接，副邊繞組Ns沒有電流流過；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，副邊繞組Ns上電壓極性顛

13、倒，整流二極管D1被正偏，開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在變壓器中的能量便通過整流二極管D1向負(fù)載釋放。這種變換器在高壓開關(guān)管導(dǎo)通期間只存儲(chǔ)能量，在截止期間才向負(fù)載傳遞，高頻變壓器在工作過程中既是變壓器又相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能用電感。輸出端加由電感器Lo和兩Co電容組成的一個(gè)低通濾波器,變壓器初級(jí)需有Cr，Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。 反激變換器的工作原理反激變換器的工作模式 反激變換器有電流斷續(xù)、電流臨界連續(xù)以及電流連續(xù)3種工作模式。在電流斷續(xù)模式下，導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在初級(jí)繞組中的能量，在下一個(gè)周期開始前完全傳遞到次級(jí)和負(fù)載上，當(dāng)次級(jí)電流回零時(shí)與下一個(gè)周期的開始之間存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間。 在電流臨界連續(xù)模式

14、下，次級(jí)電流回零時(shí)剛好是下一個(gè)周期的開始時(shí)刻，是一種無死區(qū)時(shí)間的臨界狀態(tài)。在電流連續(xù)模式下，下一個(gè)周期開始時(shí)，次級(jí)仍有剩余能量，次級(jí)電流沒有回零，反激變換器可工作在不同模式下，但特性不同。1）斷續(xù)模式具有更高的電流峰值，在關(guān)斷期間具有更高的輸出電壓尖峰。線圈的銅損要大一些，鐵耗也大。連續(xù)模式下輸出電壓尖峰小，因變換器傳遞函數(shù)存在右半平面零點(diǎn)，只有大幅降低帶寬才能使反饋環(huán)穩(wěn)定。2）斷續(xù)模式下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更快，在相同輸出功率下，初級(jí)感抗比連續(xù)模式下初級(jí)感抗小，使得高頻變壓器體積較小。 3）斷續(xù)模式下二極管的反向恢復(fù)時(shí)間不是十分重要，因?yàn)樵谑┘臃聪螂妷褐罢螂娏鳛榱?，未出現(xiàn)由二極管反向恢復(fù)引起的

15、振鈴現(xiàn)象，傳導(dǎo)EMI噪聲比較小。4）斷續(xù)模式一般用于負(fù)載變化小的場(chǎng)合。負(fù)載變化大的場(chǎng)合讓變換器在小電流時(shí)工作并保持?jǐn)嗬m(xù)模式，大電流時(shí)工作并保持連續(xù)模式，以減小電感體積。單相二極管整流橋 如圖1-4所示，VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在正半周承受電壓，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)過零時(shí)關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在正半周承受電壓-，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)過零時(shí)關(guān)斷。圖1-4 單相橋式整流電路接電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形緩沖電路（吸收電路） 緩沖電路又稱吸收電路，如圖1-5所示。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過壓、du/dt、或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通

16、緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小開通損耗。另一種分類方法：緩沖電路中儲(chǔ)能元件能量如果消耗在其吸收電阻上，則稱其為耗能式緩沖電路；如果緩沖電能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路6。圖1-5 di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形TOPSwitch-GX芯片TOPSwitch-GX的性能被譽(yù)為“高效節(jié)能 ”的開關(guān)電源（SwitchingModePowerSupply-SMPS）自

17、問世以來 ,以其高效率、小體積、低成本等優(yōu)點(diǎn)已在通訊、航天、航空、工業(yè)自動(dòng)化裝置及儀器儀表等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。美國(guó)動(dòng)力公司(Power Integrations-PI)于二十世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻單片開關(guān)電源芯片 ,更被譽(yù)為“頂級(jí)開關(guān)電源”。PI公司繼 TOPSwitch-FX之后新推出的TOPSwitch-GX第四代單片開關(guān)電源集成電路 ,極大地簡(jiǎn)化了 250 W以下的開關(guān)電源設(shè)計(jì)和縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期 ,為新型、高效、低成本、小體積開關(guān)電源的推廣與普及創(chuàng)造了條件。TOPSwitch-GX系列器件主要包括下列型號(hào):TOP242PTOP244P、TOP242GTOP244G、TOP242Y

18、TOP250Y等共 33種型號(hào) ,它們主要有以下特點(diǎn):(1)最大輸出功率由 FX系列的 75 W擴(kuò)展到 250W;(2) 新增加的線路檢測(cè)端(L)和極限電流設(shè)定端(X), 代替了TOPSwitch-FX的多功能端（M）的全部控制功能 ,使用更加靈活方便;（3）具備軟啟動(dòng)功能 ,最大限度地降低峰值電壓和電流 ,減輕了元器件啟動(dòng)時(shí)的負(fù)擔(dān);（4）具有可編程設(shè)定極限電流和輸入電壓欠壓、過壓檢測(cè)功能;（5）具有線性限壓檢測(cè) ,無關(guān)斷尖峰干擾;（6）負(fù)載很輕時(shí) ,能自動(dòng)將開關(guān)頻率從132kHz降低到30 kHz半頻模式下則由 66 kHz降至15 kHz , 從而降低開關(guān)損耗 ,進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率8。TO

19、PSwitch-GX的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路主要由以下幾部分組成：（1）控制電壓源 控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏置電壓，控制電流IC調(diào)節(jié)占空比；（2）帶隙基準(zhǔn)電壓 所有的臨界TOPSwitch內(nèi)部電壓都由一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)膸秴⒖蓟鶞?zhǔn)得出。該參考基準(zhǔn)也產(chǎn)生一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)碾娏髟?，它被微調(diào)在精確設(shè)置的振蕩頻率和調(diào)節(jié)MOSFET柵級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流；（3）振蕩器 用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波、時(shí)鐘信號(hào)及最大占空比信號(hào)；（4）并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器 誤差放大器將反饋電壓與5.7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,輸出誤差電流Ifb在Re上形成誤差；（5）脈寬調(diào)制器 脈沖寬度調(diào)制器提供電壓型控制環(huán)，以驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)MOSFET

20、，其占空比與流入控制腳的電流成反比。該腳在Re兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓誤差信號(hào)，經(jīng)RC濾波后，與內(nèi)部振蕩器鋸齒波相比較，產(chǎn)生一定占空比的波形；（6）門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí) 門驅(qū)動(dòng)級(jí)用于驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，使之按一定速率導(dǎo)通。MOSFET管的漏-源擊穿電壓大于700V；（7）過流保護(hù)電路 過流比較器的反向輸入端接閥值電壓,同相輸入端接MOSFET的漏極；（8）具有滯后特性的過熱保護(hù)電路 當(dāng)芯片結(jié)溫大于135時(shí)，過熱保護(hù)電路將關(guān)斷輸出級(jí)；當(dāng)芯片結(jié)溫低于70時(shí)，電路恢復(fù)正常工作，即具有滯后特性；（9）關(guān)斷/自動(dòng)重啟電路 一旦調(diào)節(jié)失控，將立即使電路在低占空比下工作，倘若故障被排除，則自動(dòng)重新啟動(dòng)電源，恢復(fù)正常工作；（1

21、0）高壓電流源 在啟動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S給內(nèi)部電路提供偏置，電源正常工作時(shí)，電子開關(guān)S改接內(nèi)部電源，將高壓電流源關(guān)斷；（11）軟啟動(dòng) 軟啟動(dòng)時(shí)間為10ms，以減輕啟動(dòng)時(shí)元器件的負(fù)荷沖擊；（12）輸入過壓、欠壓檢測(cè)及保護(hù)電路 通過外接電阻器設(shè)定過壓、欠壓的保護(hù)電壓，并且可以在電源關(guān)斷時(shí)防止自動(dòng)重啟動(dòng)脈沖的干擾；（13）輕載時(shí)自動(dòng)降低開關(guān)頻率 開關(guān)頻率及占空比能隨輸出端負(fù)載的降低而自動(dòng)減少，保證其在輕載時(shí)仍具有很好的調(diào)節(jié)特性；（14）停止邏輯及開啟電壓為1V的電壓比較器 通過改變線路檢測(cè)端流入或流出電流的大小及方向來控制開關(guān)電源的通、斷狀態(tài)。線路檢測(cè)端內(nèi)部還增加了開啟電壓為

22、1V的電壓比較器，此開啟電壓可用于遠(yuǎn)程通斷控制4。 圖2-1 TOPSwitch-GX芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TOPSwitch-GX的引腳功能TOPSwitch-GX的引腳排列如圖2-2所示，有六個(gè)引出端，分別是控制端C，線路檢測(cè)端L，極限電流設(shè)定端X，源極S，開關(guān)頻率選擇端F，漏極D。由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4可知，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、并聯(lián)調(diào)整器 /誤差放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)、振蕩器、門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、軟啟動(dòng)電路、關(guān)斷 /自啟動(dòng)電路及高壓電流源等部分組成。 圖2-2 TOPSwitch-GX引腳排圖TOP-220-7C（Y）封裝TOPSwitch-GX的管

23、腳說明：漏極（D）:MOSFET管漏極輸出。高壓開關(guān)電流源通過此腳為內(nèi)部提供啟動(dòng)偏置電流。開關(guān)頻率選擇端（F）:用于選擇開關(guān)頻率的輸入引腳 ,連接至源極（S）時(shí)為 132 kHz,連接至控制端（C）時(shí)為 66 kHz。源極（S）:將其連接至輸出 MOSFET源極時(shí)可得到高壓功率回饋。極限電流設(shè)定端（X）:從外部設(shè)定芯片的極限電流。線路檢測(cè)端（L）:此端具有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)和遠(yuǎn)程通 /斷控制功能?？刂贫耍–）:用于調(diào)節(jié)占空比的誤差放大器與電流輸入腳。反激式變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)繞組符合安全規(guī)程 磁性元件的設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)秀的開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。合理的磁性元件電氣和物理的設(shè)計(jì)對(duì)每一個(gè)開關(guān)電源工作的可

24、靠性有極大的影響。已有多部介紹磁性元件原理和設(shè)計(jì)的著作，而本次是從開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)的角度來介紹磁性元件的設(shè)計(jì)。由于開關(guān)電源是磁性元件一個(gè)特定的應(yīng)用場(chǎng)合，所以磁性元件的設(shè)計(jì)過程可以大大地簡(jiǎn)化。這樣一來不需要理解磁性元件設(shè)計(jì)的各個(gè)方面的細(xì)節(jié)，可以最快地完成設(shè)計(jì)。 開關(guān)電源變壓器的物理繞線方法是很重要的，它會(huì)使電源性能差別很大。好的繞線方法可以使電源性能變得非常好，反之也可以使電源噪聲很大，性能變差。開關(guān)電源變壓器與50/60Hz的工頻變壓器相比，設(shè)計(jì)要求更為苛刻。 變壓器的繞制，主要有三個(gè)方面的因素要考慮： 1電源是否必須符合所有的安全規(guī)范。2繞組之間耦合要好。3所有繞組的漏感應(yīng)盡可能小。這些

25、因素有些是相互影響的，所以需要采取折中辦法。如果開關(guān)電源的輸入電壓峰值高于40V，就要受到一個(gè)或多個(gè)國(guó)際安全規(guī)程組織所制訂的規(guī)程約束。這些組織一般互相借鑒對(duì)方的安全規(guī)程，但設(shè)計(jì)者仍要再查看自己產(chǎn)品所銷往的市場(chǎng)對(duì)這方面的要求。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）是這些標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者，其標(biāo)準(zhǔn)為所有歐洲共同體的安全規(guī)程組織所采用。其余的安全規(guī)程組織，如美國(guó)UL、加拿大標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（CAS）、和日本的VCCI一起努力，在IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用統(tǒng)一的安全規(guī)程。這將使同一套標(biāo)準(zhǔn)在全世界范圍都可使用。在每個(gè)國(guó)家，不同的市場(chǎng)也有不同的標(biāo)準(zhǔn)。市場(chǎng)的不同，也是IEC標(biāo)準(zhǔn)要努力協(xié)調(diào)的一部分。 在“離線式”或輸入交流電壓90260

26、V的開關(guān)電源中，通常使用的磁心是E-E型磁心和從E-E型磁心派生出來的一些磁心。這些磁心都有骨架，這使得它們制造比較容易。安全規(guī)程組織對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)的要求是很明確的。爬電距離或輸入繞組和輸出繞組表面的距離不能小于4mm。為了滿足這個(gè)要求，變壓器制造者可以在骨架中繞線區(qū)的兩端放置2mm厚的絕緣帶，把繞線繞在邊沿的帶子之間。這些邊沿的帶子在絕緣的繞組之間總共增加了4mm的距離。常見的符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的變壓器如圖3-1所示。 圖3-1 符合IEC的交錯(cuò)離線式變壓器導(dǎo)線從骨架中引出的時(shí)候也要繞上絕緣帶，這也是由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定導(dǎo)線通過這4mm空間時(shí)的要求。輸入和輸出端之間也要有4mm的距離，也就是它們之間的爬電

27、距離要比這個(gè)大。這可以通過骨架上輸出端模壓成“固定槽或類似的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 輸入的兩個(gè)極性直流的正負(fù)端，相線與零線之間的爬電距離最少要有3.2mm。 表面的電導(dǎo)率隨著它工作時(shí)所處的環(huán)境和平均濕度的長(zhǎng)期影響而變化。上面提到的爬電距離要隨著應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變。設(shè)計(jì)者一定要參考適用的技術(shù)規(guī)范。 額外增加的絕緣帶、絕緣套管和引出端距離使最后的變壓器成品體積更大，成本也增加。這是由于這些都是手工操作，需要花費(fèi)很多時(shí)間。低漏感的繞制方法 減小繞組漏感有多種方案和繞制技巧可選擇。漏感是指沒有耦合到磁心或其他繞組的可測(cè)量的電感量。它的影響就像一個(gè)獨(dú)立的電感串接在繞組的引線上一樣。它是導(dǎo)致功率開關(guān)管漏極或集電極

28、和輸出二極管陽極上的尖峰的原因。這是由于它的磁通無法被二次繞組所匝鏈。 對(duì)于已選定的磁心和計(jì)算好的繞組，可以根據(jù)式（3-1）估算漏感。 （3-1） 式中 K取3整根繞線線繞在骨架上平均每匝的長(zhǎng)度，單位為in；繞組所包含的匝數(shù)；繞組的寬度，單位為in；繞線的絕緣厚度，單位為in；制作好的變壓器所有繞組的厚度，單位為in。公式給出了影響繞組漏感的主要因素。變壓器設(shè)計(jì)者能夠控制的主要因素是選擇磁心中柱長(zhǎng)的磁心。繞組越寬，漏感越小。一次二次耦合的好壞對(duì)一次漏感也有很大的影響。這點(diǎn)可以從把一次繞組分成兩半，二次繞組夾在中間或交錯(cuò)在中間的繞法中看出來。另外一個(gè)比較麻煩的變壓器寄生參數(shù)是線圈的匝間電容，這可

29、以分布在整個(gè)繞組各個(gè)線圈之間的小電容來表示。一次輸入電壓較高的變壓器，繞線間的分布電容是一個(gè)問題。特別是離線式或高輸入電壓的開關(guān)電源中，這個(gè)問題就更突出了。這個(gè)寄生電容是由于同一繞組鄰近線圈的電位不同而引起的。式（3-2）表示的就是一個(gè)繞組中兩匝之間存儲(chǔ)的能量，并且這個(gè)公式說明了這些電容產(chǎn)生的原因。在開工轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)能量就以尖峰的形式釋放。 （3-2）式中 S繞組之間的距離，單位為m； d導(dǎo)線直徑，單位為m。如果線圈一層接著一層來回繞，分布電容存儲(chǔ)的能量就很大。最后，線圈間的電壓差也很大，甚至有可能接近絕緣擊穿電壓。這會(huì)得到很糟的結(jié)果。 這些減小分布電容的繞制方法可以極大地減小導(dǎo)線間的絕緣壓力

30、，減小了相鄰線圈間由于絕緣被擊穿而產(chǎn)生電弧的可能性。變壓器緊密耦合的繞制方法一次與二次，二次與二次繞組的緊密耦合，是變壓器設(shè)計(jì)者最理想的目標(biāo)。1.絞合繞法這種方法是通過一對(duì)絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合。就是把兩根或更多的導(dǎo)線絞合在一起，然后把它們同時(shí)繞到骨架上。絞得太緊，容易損壞絕緣層。這種方法保證所有的線繞在相鄰近的位置，所有可以提供最好的耦合效果。即使繞組的匝數(shù)不一樣，繞組只有部分是絞合在一起的，這種方法也有助于提高繞組間的耦合因數(shù)。2多線繞組法.這種繞線技術(shù)就是把兩根或多根導(dǎo)線放在一起同時(shí)繞，不過并沒有把這些導(dǎo)線絞合在一起。大部分時(shí)候是把它們緊挨在一起的。當(dāng)然，如果一次電壓峰值高于40V

31、時(shí)，不能用多線繞組或絞合繞組的繞制方法來同時(shí)繞一次和二次繞組。輸入電壓低于AC206V時(shí)，安全規(guī)程機(jī)構(gòu)要求一次、二次繞組之間放三層1mil的聚酯薄膜。這會(huì)破壞這兩個(gè)繞組間的耦合。為了提高一次、二次繞組之間的耦合，可以把這兩個(gè)繞組交錯(cuò)在一起（見圖3-1）。這種繞法比起只是簡(jiǎn)單地把二次繞組繞在一次繞組上的繞法，所花的勞動(dòng)量更大。因此，在一次、二次繞組匝數(shù)比超過15-20:1時(shí)候，推薦使用這種交錯(cuò)繞法。這就包括輸入電壓為AC240V或比這高而輸出電壓不高于DC+5V的電源。從圖3-3就可以看出，交叉繞法在輸入電壓AC480V的離線反激式電路中的效果。 圖3-3 在離線反激式變換器中交叉繞制方法對(duì)波形

32、的影響從這兩張波形圖中，容易看出它們之間的尖峰能量的區(qū)別。通常這些能量消耗在一次側(cè)的鉗位或吸收電路中。采用上述變壓器繞線技術(shù)，盡管會(huì)增加變壓器的成本，但是效果比較好，可以提高整個(gè)電源的性能。對(duì)于整個(gè)電源的長(zhǎng)期運(yùn)行來說，可以節(jié)省資金。確定磁心的尺寸確定磁心的尺寸對(duì)于某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合來說，選擇磁心尺寸要考慮五個(gè)主要因數(shù)：因素： 影響的參數(shù)：輸出功率 （磁心橫截面積）磁通是雙象限，還是單象限的 （磁心橫截面積）輸入電壓 （磁心窗口面積）繞組數(shù)目 （磁心窗口面積）繞線方式 （磁心窗口面積）每個(gè)制造廠商都用自己不同的方法來確定磁心尺寸。有些是用圖表的方法，有些只是簡(jiǎn)單地說明在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各種磁心可以傳遞

33、能量，還有些是用含義模糊的是式子來說明，這些式子采用不同的工程單位，會(huì)使人困惑。下面介紹估計(jì)初始磁心尺寸的兩種方法。磁心尺寸選擇方法1根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，確定功率是在表3-1的哪個(gè)功率范圍內(nèi)。從符合要求的磁心制造廠商中，選擇尺寸最接近或稍大一點(diǎn)的磁心。表3-1 輸出功率與大致的磁心尺寸的關(guān)系確磁心尺寸選擇方法2 這種方法首先假設(shè)變壓器是單繞組。每增加一個(gè)繞組并考慮安全規(guī)則要求，就需要增加繞線面積和磁心尺寸。它將綜合影響磁心的“窗口利用因數(shù)”。在確定基本的單繞組電感磁心尺寸時(shí)，可用這個(gè)窗口利用因數(shù)來調(diào)整。 第一步是確定單繞組電感的磁心尺寸。這可以通過式（3-3）來求得。 （3-3）式中 一次繞組的導(dǎo)線

34、截面積，單位為cir mil或；工作時(shí)的最大磁通密度，單位為G；f 工作頻率；電源的總輸出功率。用MKS（米千克秒）制時(shí)，使用下面公式： （3-4）式中一次繞組的導(dǎo)線截面積，單位為；工作時(shí)的最大磁通密度，單位為T；f 工作頻率；電源的總輸出功率,單位為W。接下來要確定窗口利用因數(shù)，然后計(jì)算總的窗口利用因數(shù)。窗口利用因數(shù)可以從表3-2中得到。表3-2 變壓器窗口利用因數(shù) 可以利用下面式子把這些獨(dú)立的窗口利用因數(shù)綜合起來： （3-5）最后從下面式子可以得到變壓器磁心的估計(jì)尺寸： （3-6） 在美國(guó)，結(jié)果是用來表示的，而對(duì)于一個(gè)使用公制的系統(tǒng)是用來表示。這兩鐘單位制的轉(zhuǎn)換如下： （3-7a） （3-

35、7b） 有些磁心制造廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了磁心參數(shù)，這和上面的計(jì)算公式是一致的。要選擇最接近或稍大一點(diǎn)的磁心。 也可以根據(jù)磁心制造廠家確定磁心尺寸的方法進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)。其實(shí)本階段變壓器的設(shè)計(jì)只是一個(gè)粗略的估計(jì)。反激式變壓器的設(shè)計(jì) 反激式變壓器的工作與正激式變壓器不同。正激式變壓器兩邊的繞組是同時(shí)流過電流的，而反激式變壓器先是通過一次繞組把能量?jī)?chǔ)存在磁心材料中，一次側(cè)關(guān)斷后再把能量傳到二次回路。因此，典型的變壓器阻抗折算和一次、二次繞組匝數(shù)比關(guān)系不能在這里直接使用。這里的主要物理量是電壓、時(shí)間、能量。為了變壓器可靠工作，就需要有氣隙。 剛開始，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)把一次繞組看作是一個(gè)電感器件，滿足 （3

36、-8）用代到上式中，移項(xiàng)整理后，用以知的電源工作參數(shù)，通過式（3-9）可算出一次最大電感 （3-9）式中最大占空比（通常取0.5）。 這個(gè)電感值是在輸入最小工作電壓時(shí)，電源輸出仍能達(dá)到額定輸出電壓所允許選擇的最大電感值。 在開關(guān)管導(dǎo)通的每個(gè)周期中，存儲(chǔ)在磁心的能量為； （3-10）要驗(yàn)證變壓器最大連續(xù)輸出的功率能否滿足負(fù)載所需要的最大功率，可以使用下式： （3-11） 磁心制造廠商為氣隙長(zhǎng)度提供了一個(gè)的參數(shù)。這參數(shù)是電感磁心線上1000匝后的數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)好的電感值，繞線的匝數(shù)可以用式（3-12）計(jì)算方法確定。 （3-12）式中 一次電感量，單位為mH。 如果有些特殊的帶有氣隙的磁心材料沒有提

37、供的值，可用式（3-13）。 （3-13）式中氣隙長(zhǎng)度代表的是最大的一次電感值，這個(gè)值就是在可以預(yù)計(jì)的最小輸入電壓下，在一個(gè)周期內(nèi)能把所需能量存儲(chǔ)到磁心的電感值。 根據(jù)式（3-14），輸出最大功率時(shí)的二次繞組匝數(shù)。 （3-14）式中預(yù)計(jì)的輸出整流器的正向壓降。上式算出來的結(jié)果應(yīng)該看作是最大的匝數(shù)，因?yàn)樵褦?shù)越多的話，二次電感量也越大，因此把磁心的能量釋放完需要更長(zhǎng)的時(shí)間。這樣算出來的結(jié)果往往不是整數(shù)，而很多磁心不支持帶小數(shù)的匝數(shù)，這就要在磁心允許的范圍內(nèi)選取最接近這個(gè)小數(shù)的整數(shù)。 現(xiàn)在考慮二次繞組的安排了。設(shè)計(jì)者可能會(huì)選用自耦變壓器式的二次繞組或隔離式二次繞組。由于反激式的二次側(cè)是半波整流的，所

38、以非中間抽頭的繞組或全波整流橋是不能用的（見圖3-4）。一旦要設(shè)計(jì)的二次繞組的繞法確定后，就要檢查磁心的窗口面積是否能裝下這個(gè)繞組。圖3-4 反激式變壓器二次繞組的安排a)有中間抽頭的二次側(cè) b)相互隔離的二次側(cè) 在反激式變換器中，變壓器的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較苛刻的。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，這會(huì)影響半導(dǎo)體器件的可靠工作2。單端反激式開關(guān)電源-主電路設(shè)計(jì)單端反激式開關(guān)電源主電路介紹EMI輸入濾波器部分中，市電經(jīng)過3.15A的保險(xiǎn)管，再經(jīng)安全電容亦稱“X電容”和大小為22mL的共模扼流圈完成一次濾波。然后經(jīng)2A/600V的整流橋（BR）對(duì)輸入進(jìn)行整流，再通過由、構(gòu)成的緩沖電路進(jìn)一步降低電磁干擾

39、。其中瞬態(tài)電壓抑制器（P6KE200）和超快恢復(fù)二極管（UF4005）組成初級(jí)鉗制電路，能吸收泄露電感的能量，將漏極電壓鉗制在安全值。另外，由和構(gòu)成的RC吸收回路能進(jìn)一步降低電磁干擾。這次的高頻變壓器采用EE25型磁心，配10引腳的骨架要留一點(diǎn)氣隙。初級(jí)繞組采用0.38mm漆包線繞58匝，次級(jí)繞組用4股0.38mm漆包線并繞6匝，輔助繞組用0.38mm漆包線繞2匝。輸出整流濾波電路由、和構(gòu)成。把和并聯(lián)起來可降低濾波電容的等效電感，是用20A/100V的肖特基二極管MBR20100，用3.3的磁珠。而與并聯(lián)在兩端，能防止在高頻開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩。為安全電容也稱為“Y電容”，它接在高頻變壓器的

40、初、次級(jí)繞組之間，耐壓值為280V。單端反激式開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路介紹 由于此次本人是負(fù)責(zé)主電路部分，所以以下只對(duì)驅(qū)動(dòng)電路作個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。由圖4-1可見，精密光耦反饋電路由PC817和TL431組成。輸出電壓經(jīng)和取樣后，與TL431內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生出的誤差電壓通過PC817去調(diào)整TOP244Y的輸出占空比，實(shí)現(xiàn)PWM控制。而與為頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)定環(huán)路的直流增益。與是用于組成軟啟動(dòng)電路，避免在啟動(dòng)電源時(shí)發(fā)生過載現(xiàn)象。在TOP管L端接大小為2的電阻，能實(shí)現(xiàn)過電壓值為450V（DC），欠電壓值為100V（DC）的輸入過電壓/欠電壓保護(hù)。X端的外接電阻能將TOP244Y極限電流減小到標(biāo)稱值

41、的85%。電阻可以在輸入電壓升高時(shí)限制電源的最大輸出功率。 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析一、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1在實(shí)驗(yàn)室上電后，對(duì)成品在85V到220V的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行輸出端空載測(cè)試。分別用萬用表測(cè)量整流后的整流電壓與空載輸出電壓，結(jié)果如表5-1。表5-1 空載測(cè)試交流輸入U(xiǎn)（V）整流電壓（V）輸出電壓Uo(V)851211361151601351452041381752491372203131392在實(shí)驗(yàn)室上電后，對(duì)成品在85V到220V的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行輸出端負(fù)載為938與501測(cè)試。分別用萬用表測(cè)量整流后的整流電壓與負(fù)載輸出電壓，結(jié)果如表5-2與表5-3。表5-2 負(fù)載為938測(cè)試交流輸入U(xiǎn)（V）整流電壓（V）輸出電壓Uo(V)85119116115164132145208121175251125220316125表5-3 負(fù)載為501測(cè)試交流輸入U(xiǎn)（V）整流電壓（V）輸出電壓Uo(V)8511912.711516312.914520512.617524712.822031513.3設(shè)計(jì)結(jié)果分析1由三個(gè)表格的輸出數(shù)據(jù)可