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1、基于TOP225Y开关电源的设计摘 要开关电源具有功耗小，效率高，稳压范围广，体积小等突出优点， 在通信设备数控装置，仪表仪器影音设备，家用电器等电子电路中得到广泛应用。TOP系列电源为美国POWER INTEGRATION 公司生产的集成开关电源，具有集成度高，性价比高，外围电路简单，性能指标佳以及能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。目前已成为国际上开发中，小功率开关电源，精密开关电源及电源模板的优选集成电路。本文设计的基于TOP225Y 芯片离线式 PWM 集成反激式开关电源，阐述了 TOP225Y 的内部结构及工作原理，双路输出为 20V 门 A 、15V/ 1A ，同时按照
2、要求，进行电路参数的实际计算，给系统选择了合适的高频变压器，输出整流滤波电路及反馈电路等，最终给出测试分析和测试结果。关键词：开关电源， 双路输出 ， 集成反激式， 整流， 反馈THE DESIGN OF SWITCHING POWER IS BASED ON THE TOP225YABSTRACTSwitching power supply with low consumption, high efficiency, wide voltage, small advantage in communication equipment, CNC equipment, instrument audi
3、o equipment, household appliances, etc widely applied in electronic circuits.TOP U.S. power supply for series of integrated production company need to switch power, has high integration, cost-effective, outer circuit is simple, performance and can form no better efficiency of the isolated transforme
4、r switch power supply, etc. At present has become the international development of small power switch power supply, switching power supply, selection of template and integrated circuits.The paper TOP225Y chip design based on off-line PWM integrated flyback type switch power TOP225Y, expounds the int
5、ernal structure and working principle, double path for 20V door, output, according to 15V / 1A requirement of the circuit parameters calculated, to choose the right system and output rectifier transformer filter circuits and feedback circuit, finally gives test analysis and test results.KEY WORDS: S
6、witching power supply，Double path output，Integrated flyback type，Rectifying，Opt coupler feed back目录前言1第1章 绪论31.1 开关电源的定义31.2开关电源的发展和趋式41.3 本论文的设计研究意义5第2章 开关电源的分类及原理62.1 开关电源的分类62.2开关电源的基本组成和原理102.3PWM的基本工作原理112.4TOP Switch系列及其工作原理13第3章 基于TOP225Y开关电源的设计163.1 设计流程图163.2 技术指标和性能要求173.3 TOP225Y的主要性能特点和元
7、件选择173.3.1 性能特点173.3.2 线性光耦合器PC817183.3.3 可调式精密并联稳压器TL431193.4开关电源的电路设计203.4.1 TOP225Y芯片原理图203.4.2 输入整流滤波电路203.4.3 高频变压器的设计213.4.4 箝压齐纳管（VR）和阻断二极管（VD）的选择213.4.5 输入整流电路的设计223.4.6 反馈电路的设计223.5 结果分析233.6 基于TOP225Y开关电源的的原理图绘制24第4章 总结264.1 开关电源干扰的产生及其抑制264.1.1开关电源干扰产生的机理264.1.2 对于开关电源干扰的一些抑制措施274.2 设计的体会
8、与问题总结29谢 辞30参考文献31外文资料原文32前言开关电源自20世纪70年代开始应来，涌现出许多功能完备集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline) 将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装一起，已成为开关电源IC发展主流。采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源，由美国 PI 公司推出的 TOPSwitch 系列
9、开关电源集成芯片更加方便了开关电源的设计和产品化。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的离线式变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。而单端反激型直流稳压电源配合电流型 PWM 控制电路，具有电路结构简单、性能稳定等特点。由于多路输出开关电源广泛应用在各种复杂小功率电子系统中，具有输出电压低、输出电流变化范围广等特点。开关电源因其体积小、重量轻、效率高、安全、可靠等特点，推动了自身及其应用产品的小型化、轻便化，节约了大量的能源和原材料，在国际上被誉为绿色能源，得到了长足的发展。但是，信息处理和控制的功能越来越强大、信息处理速度越来越快，使得供电电压一降再降，比如3.3V、1.8V
10、、1.2V等等。另外，不论是从当前还是长远来看，人们对保护环境、节能降耗的要求将会越来越高。因此，这些都对开关电源提出了越来越高的要求。可以预测，开关电源将会随着外部及自身的技术发展而发展，在未来世界的绿色革命中起到举足轻重的作用。当前，随着人们生活水平的提高，更多种类的家用电子设备进入到了普通家庭中，给我们的生活带来了无限乐趣。DVD播放机就是其中之一。在DVD的播放中，对于信息的解码、音频视频的放大等所需要的供电电压都有着较高的要求，否则对播放机的性能和机器寿命将会产生很大的影响。另外，从前几年DVD笨重的外形到现在越来越薄，轻便，精致，美观等一系列的变化，都需要开关电源小尺寸化的支持。况
11、且，开发出效率更高的开关电源，也是当前节能降耗的要求，符合绿色能源、绿色产品这一趋势。 第1章 绪论1.1 开关电源的定义随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和M
12、OSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。1.功耗小，效率高。在开关电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。2.体积小，重量轻。
13、从开关电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关电源的体积小，重量轻。 3.稳压范围宽。从开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关电源。滤波的效率大为提高，使滤波电容的
14、容量和体积大为减少。开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/5001/1000。电路形式灵活多样，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。1.2开关电源的发展和趋式1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛
15、（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了千赫的开关电源。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件
16、。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方
17、式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。1.3 本论文的设计研究意义开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行小功率开关型稳压电源特性的研究。单片开关电源克服了以往开关电源设计中外围元件和辅助电路复杂等问题，有力地促进了开关电源的高效化、模块化和集成化。本文采用TOP224Y研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了理论的可行性
18、。具有较强的适用性。本主要内容如下：根据开关型稳压电源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，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等新型电源特点，设计并制作出一种额定输出功率为30W的小功率双输出开关电源。本设计的交流输入电压范围是AC140V240V，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护等功能。主要采用TOP225Y、PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合来完成。第2章 开关电源的分类及原理2.1 开关电源的分类开关电源的分类方法有多种。按驱动方式来分可分为自激式和它激式。自激式开关电源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
19、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止；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可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与输出负载相并联的，属于升压式电路；此外，还可分为隔离与非隔离型，调频、调幅及两者混合型等。1.单端反激式开关电源单端反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下
20、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的初级绕组中。当开关管VT1截止时，变压器T副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。图2-1 单端反激式开关电源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，能方便的实现单路或多路输出。并且开关管的驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝数比使占空比保持在最佳范围内，具有较好的电压调整率。其输出功率为20100W，工作频率在20200kHz之间，是开关电源设计中最常用的一种拓扑方式。但是，它也有一定的缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开
21、关管的峰值电流较大等。不过，这些可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。2.单端正激式开关电源单端正激式开关电源的典型电路如图2-2所示。它与单端反激式电路在形式上相似，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的最高电压限制在两倍电源电压之间。电路中脉冲的占空比不能大于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50200
22、W的功率。但变压器结构复杂，体积也较大。因此，实际应用并不多。 图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电源的典型电路如图2-3所示。接入电源后R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1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，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。同时，感应电压给C1充电。随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低并退出饱和区，Ic减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经
23、R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 图2-3 自激式开关电源4.推挽式开关电源推挽式开关电源的典型电路如图2-4所示。它属于双端式变换电路，使用两个开关管VT1和VT2，在外激励方波信号的控制下交替导通与截止，在变压器T次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电
24、压。图2-4 推挽式开关电源这种电路的优点是两个开关管容易驱动，缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100500W范围内。5.降压式开关电源降压式开关电源的典型电路如图2-5所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输入的整流电压经VT1和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。图2-5 降压式开关电源6.升压式开关电源升压式开关电源的稳压电路如图2-6所示。当开关管VT1导通时
25、，电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，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2-6 升压式开关电源7.反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图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之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，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上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感L中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容C充电。降压式、升压式、反转式开关电源的高压
26、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2-7 反转式开关电源2.2开关电源的基本组成和原理流滤波电路、功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路部分组成。其中，控制电路又包括取样器、基准电压、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。开关稳压电源的电路原理框图如图2-8所示：输入整流滤波功率转换电路高频变压器输出整流滤波取样器比较器脉宽调制振荡器基准电压DCAC图2-8 开关电源的原理框图首先，交流电经输入部分整流电路和滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电。然后，该直流电又通过功率转换电路进人高频变压器被转换成所需的电压值，最后再将这个电
27、压经输出部分整流滤波电路的整流、滤波后变为所需要的直流电供给用电设备。这中间，电源的稳压是靠反馈控制电路（控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到电压的稳定输出）来实现的。即:输出电流经取样器送至比较器，使之与基准电压电路中的电流相比较，然后由脉宽调制电路根据比较结果来进行脉宽调制，从而控制功率转换电路中相应功率输出的大小，最后实现输出电压的稳定。目前，这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源的专用集成电路。2.3 PWM的基本工作原理开关电源有两种基本形式：一种是脉冲宽度调制（PWM）其特点是固定开关的频率。通过改变脉冲宽度来调节占空比（D）；另一种是脉冲频率调制PFM，其特征是
28、固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。二者的电路不同单作用效果相同，均可达到稳压之目的，都属于时间比率控制方式TRC。脉宽调制式开关电源的工作原理:交流220V输入电压经过整流滤波电路变成直流电压，在由开关功率管斩波和高频电压器降压，得到高频矩形波电压，经整流滤波后获得所需要的直流输出电压，脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动符号，控制开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低达到稳压目的，锯齿波发生器用于提供稳定的时钟频率信号。利用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统，加入由于某种原因是Vo升高时脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空
29、比（D），使斩波后的平均值电压下降，导致Vo降低，反之亦然。脉冲频率调制式开关电源则是用固定脉宽发生电路代替PWM中的锯齿波发生器，并且利用压控振荡器来完成v/f转换。其稳压原理是：当Vo升高时，遥控制器输出驱动信号的脉冲宽度入变窄而周期变短，使得占空比D下降。Vo降低，反之亦然。见图2-9： 图 2-9 脉宽调制式开关电源的工作原理2.4 TOP Switch系列及其工作原理美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国功率集成公司又推出了TOP Switch系列器件。TOP Switch系列器件和TOP Switch系列器件相比，内电路作了许多
30、改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。与TOP Switch系列器件相比，TOP Switch系列器件在输入电压为100V、115V或230VAC时，系统功率从（0100）W提高到（0150）W，在三种电压下均可工作时，系统的功率从（050）W提高到（090）W，从而使得TOP Switch器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。TOP Switch 主要用于AC/DC 转换器，具有体积小，重量轻，宽输入范围（85V-265V），提供了PI Expert专家系统设计软件，便于用户更快地设计出自已的产品。采
31、用TOP Switch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：1、成本低廉。使用TOP Switch器件，比用其他开关电源节省很多个元器件，从而使产品的大小和重量减少；TOP Switch因采用了源极调节板和可控的MOSFET通态驱动，故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本可明显降低；2、系统效率高。TOP Switch系采用CMOS工艺制作，并在芯片中集成了尽可能多的功能，故与采用二极管或分立的功率开关电路相比，偏置电流显著降低；开关电源所需的功能集成于芯片中后，外部的电流传感电阻和初始起动偏压电流的电路均可除去，系统效率大大提高。特别
32、是TOP Switch器件专门针对反激式功率变换电路进行了优化，使最大值占空比可达70%，TOP100TOP104，TOP200TOP204/TOP214的效率可达90%，TOP209/TOP210的效率也可超过80%；电源设计简化。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
33、电路的软启动。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，
34、在自动重启期间，占空比控制在%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
35、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
36、电压进行比较后输出误差电压，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的占空比实现稳压的。第3章 基于TOP225Y开关电源的设计3.1 设计流程图开始生产准备设计指标根据常规的设计要求选择一种拓扑结构设计变压器导线规格确定半导体器件的型号设计输出电压选择整流器与滤波电容设计驱动电路选择控制方式和控制IC设计基本功能设计电压反馈和交叉调整电路设计启动电路和Vcc
37、电路根据要求设计过电压过电流和紧急保护电路设计接口电路和功能设计需要的散热器和热转移方面的考虑考虑PCB布置和结构测试所有功能对设计进行修改在测试室进行测试选用何种拓扑结构？黑箱计算变压器设计输出滤波器和整流器功率开关和驱动电路设计控制器设计输出反馈设计启动电路设计保护电路设计高层功能设计热分析和设计实验电路和结构设计测试与设计结果区别优化设计EMI/RMI测试在本设计中，由于采用了TOP Switch智能芯片，其本身集成了保护电路、关断电路、自动重启电路等。所以，在设计时可以省去上面的几个环节，只需对其进行好选型。3.2 技术指标和性能要求小功率通用开关电源应具备小功率通用开关电源纹波小、电
38、压低、效率高、体积小和重量轻等优点。同时还应实现欠压、过压、过流、过热等电路工作异常时的保护。具体技术指标为如下：交流输入电压：220V（140V240V）；电网频率：50Hz；开关电源频率：100KHz；输出直流电压Uo：8V（两路），5V（两路），3.6V，-8V，-24V各一路；输出额定电流：2A；额定输出功率：30W；负载调整率SI：-4%+4%；电源效率H：高于84%；空载功率损耗：低于0.5W（230V时）；输出纹波电压：低于120mV。3.3 TOP225Y的主要性能特点和元件选择3.3.1 性能特点TOP225Y 是 TOPSwitch-11 系列中一种最常用的芯片，封装形式为
39、 TO-220 ，自带小散热片，是典型的三端集成器件，三个管脚分别为控制端 C 、源极 S 和漏极 D ，内部功率 MOSFET 器件的耐压值高达 700V ，可设计成 60W 以上仪器仪表的多路隔离式内置控制电源。TOPSwitch- 系列产品具有以下特点：(1)将脉宽调制 (PWM) 控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管 (MOSFET) 、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。(2)采用漏极开路输出，利用控制极反馈电流 IC 线性调节占空比
40、，实现 AC DC 变换，即属于电流控制型单片开关电源。 (3)输入交流电压和频率的范围极宽。在固定电压输入时， 可选 110V/115V 230V 交流电，允许变化 15% ：在宽电压范围输入时，适配 85V 265V 交流电，但输出功率峰值 POM 值比前者降低 40 。(4)只有三个引出端，能以最简单的方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为 1OOkHz ，允许范围是 90kHz 110kHz ，占空比调节范围是 1.7 67 。(5)外围电路简单，电磁干扰小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达 80 左右，最高可达 90 3.3.2 线性光耦合器PC81
41、7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。光耦以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。光耦一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。它通常把发光器（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3-1所示。当输入端加电信号时，驱动发光二极管（LED）发出光线，照射在受光器上
42、，受光器接受光线后导通，产生光电流，再经过进一步放大后从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。图3-1 PC817内部框图本设计采用PC817光耦合器的主要优点在于：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高,可以起到很好的反馈作用。3.3.3 可调式精密并联稳压器TL431TL431是由美国德州仪器和摩托罗拉公司生产的2.536V可调式精密并联稳压器。其工作电流范围宽，动态电阻低，输出杂波低。最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.536V。由于TL431
43、具有体积小、基准电压精密可调、输出电流大、价格低廉等优点，所以广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图3-5所示。其中，A为阳极，使用时需接地；K为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF是输出电压Uo的设定端，外接电阻分压器；NC为空脚。TL431的电路图形符号和基本接线如图3-2所示：R3是限流电阻。其稳压原理为：当Uo上升时，取样电压UREF也随之升高，使UREFUref（内部2.5V基准电压），比较器输出高电平，使VT(内部晶体管)导通，Uo开始下降。反之，Uo下降会导致UREF下降，从而UREFUref，使比较器再次
44、翻转，输出变成低电平，VT截止、Uo上升。这样的循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫使Uo趋于稳定，从而达到了稳定的目的，并且UREF=Uref。图3-2 TL431的基本接线和电路符号在本设计中就是利用TL431和光耦构成反馈电路，其工作原理就是当输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流发生变化，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP224Y的控制端C端。通过改变TOP224Y的控制端电流大小，调节其输出占空比，从而实现稳压的目的。3.4开关电源的电路设计3.4.1 TOP225Y芯片原理图图 3-
45、3 TOP225Y芯片原理图3.4.2 输入整流滤波电路整流滤波电路包括输入交流 EMI 滤波、整流、电容稳压三部分。交流 EMI 滤波使用技术成熟的兀型滤波电路，其参数如下：去除差模干扰的电容 C10 、 C11 为 20uF 250V ；去除共模干扰的 C12 、 C13 为 10nF ； L1 为 5 15mh ，采用双线并绕。整流电路选择 4 个 IN4007 二极管组成整流桥，滤波稳压电容 C1 可按照输出功率 1uF 1W 选择。交流电压的输入范围为187V253V，,即=187V, =253V。假设整流桥导通时间为T=3ms则电容耐压值其中：为系统效率，可选择 80 ； fL 为
46、交流电网频率； Po 为系统输出总功率。留出裕量最终取 C1=47 F/400V ，同时为承受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压为 275V 的压敏电阻 VsRc 。3.4.3 高频变压器的设计1. 为满足 TOP225Y 芯片 100kHz 的工作频率，选用锰锌铁氧体材料，磁心的形状 ( 如 E1 、 EE 等 ) 应尽可能的选择圆形磁芯以减小漏感。 2.最大占空比，式中Vor为初级反射电压，取135V；Vds为TOP225Y的通断电压，可选5V到10V。3.变压器初级自感，其中：Po为系统输出总功率；为TOP225Y的开关频率，=100kHz。4. 导线截面积由经过各绕组的
47、平均电流，峰值电流，均方根电流，纹波电流确定；输入电流的平均值，初级峰值电流，其中为初级纹波电流与初级峰值电流比值，可取0.9。5变压器初，次级匝数，变压器匝数可以从选择次级绕组匝数开始：当输入20V时， 匝，取整;当输出为15V时，=1（15+0.7）=16匝，取整;反馈绕组匝数匝，取整；其中，为反馈电压，取10V；为反馈回路对应的输出电压，取15V；初级绕组匝数=94.6匝，实取匝，其中为磁心截面积，取0.41，磁心最大磁通密度，取60。3.4.4 箝压齐纳管（VR）和阻断二极管（VD）的选择 在开关电源的每个开关周期内， TOP225Y 的关断将导致变压器产生尖峰电压， VR 和 VD 构成了箝位电路，防止大电压对 TOP225Y 芯片的损坏， VR 和 VD 的选择由反射电压 Vor 定。 Vor 荐值为 135V,VR 的箝位电压 Vclo 可由经验公式 Vclo=1.5Vcr 得出。 VD 的耐压值应大于最大直流输入电压值，本文 VR 选择反向击穿电压为 200V 的 P6KE200 ， VD 选择反向耐压为 600V 的超快恢复二极管
