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1、华中科技大学文华学院 毕业设计（论文）题目： 基于反激式变换器的开关电源研究学 生 姓 名： * 学号：080372*学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 08级应用电子技术 指 导 教 师： * 职称或学位：讲师 2011年5月 22日目 录 摘要 2 关键字2 Abstract3 Key words3前言4 1.绪论 5 1.1开关电源的概述51.1.1开关电源的发展史5 1.1.2开关电源的分类 6 1.1.3开关电源的发展趋势 9 1.2研究意义 91.3论文主要内容 10 2.反激式开关电源的工作原理11 2.1反激式变换器的工作原理11 2.2单端反激式开关电源工
2、作原理12 2.3 TOP224Y芯片12 3.基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源的设计 15 3.1设计目标15 3.2设计思路15 3.3设计内容15 3.3.1输入整流滤波电路设计16 3.3.2变压器设计163.3.3输出整流滤波电路设计173.3.4钳位稳压管和阻断二极管的选择173.3.5反馈电路设计17 4.结果与分析19 结束语21 参考文献21 致谢22 基于反激式变换器的开关电源研究摘 要电力电子设备与人们的工作和生活息息相关，电源是所有电子设备不可缺少的动力之源，电源变换设备也是电子设备重要的组成。开关电源是近年来应用非常广泛的新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能
3、低、使用方便等优点。至今，开关电源相继进入各种应用领域，如邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备医疗器械、家用电器等。当今开关电源正向着集成化、智能化、绿色化的方向快速发展。本论文主要有以下内容：1)介绍开关电源的发展史、分类及发展趋势，开关电源常用的几种控制方法。为研究的论题基于反激式变换器的开关电源研究作铺垫。最后讲述了本课题的研究意义和工作内容。 2)介绍反激式开关电源的工作原理以及TOP224Y芯片。 3)设计了基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源。根据TOP224Y的特性给出了单端反激式开关电源的工程设计方法。对外围电路的设计进行了分析和讨论。 4)对给出的具体实例电路进行仿真
4、测试研究，得出结论并加以分析。关键词：开关电源；TOP224Y；脉宽调制；单端反激式Research on switching power supply based on flyback converterAbstractPower electronic equipment is closely related to peoples work and life, the power supply is the source of all electronic equipment indispensable power, power conversion equipment is compose
5、d of important electronic equipment. Switching power supplies is a very broad application of modern power supplies in recent years, it has a small size, light weight, low energy consumption, easy to use and so on. So far, switching power supplies entered the various application areas, such as post a
6、nd telecommunications, aerospace, instrumentation, medical equipment, household appliances, and other industrial equipment. Switching power supply today is towards integrated, intelligent, Green direction of rapid development.This paper has the following content:1) Describes the development history,
7、 classification and development trend of switching power supply, switching power supply commonly used control methods. For the study of topic-based on the research of switching power supply for flyback converter bedding. Finally describes the significance of the subject and content of work.2) Introd
8、uced the working principle and TOP224Y of Flyback switching power supply chips.3) Design based on single-end Flyback switching power supply for TOP224Y chip. According to the characteristics of TOP224Y gives single-end Flyback switching power supply design. Analysis and discussion on periphery circu
9、it design.4) To give specific examples of circuits simulation test study concluded and analysis.Key words: Switching power supply; TOP224Y; Pulse-width modulation; Single-end Flyback前言单端反激功率变换器就是在电器隔离的Buck-Boost功率变换器的基础上演变而来，因此具有反极性变换器的特点。在开关管导通时，将电源能量储存在变压器中，即一次侧电感储能。当开关管截止时，将导通期间储存的能量传递到二次侧负载，因此，称
10、为反激变换器。随着开关电源的发展，电源的小型化、模块化、绿色化越来越受到人们的关注。以致于20世纪90年代中期，单片开关电源问世。美国电源集成（PI）公司率先于1994年研制成三端隔离式脉宽调制型单片开关电源。其第一代产品为TOPSwitch系列，随后于1997年，2000年1月和11月相继推出了TOPSwitch-系列，TOPSwitch FX，TOPSwitch-GX系列。该系列芯片集PWM信号控制电路和功率开关器件MOSFET于一体。该系列开关电源集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。本课题选择了TOPSwitch-
11、系列芯片中TOP224Y控制的单端反激式开关电源。本课题研究的是基于TOP224Y芯片的反激式开关电源，主要有以下工作：1)分析反激式变换器的拓扑结构及工作原理，分析开关电源的结构和工作原理。介绍TOP224Y芯片内部结构和参数。2)设计基于控制芯片TOP224Y的单端反激式开关电源。包括设计原理图， 输入整流滤波电路设计、变压器设计、输出整流滤波电路设计、反馈电路设计等。3)各设计分别包含元器件的选型，元器件参数的确定。4)电路图的搭建及电源的测试，对实验波形进行分析。1绪论反激式属于开关电源的DC/DC变换器型式中的一种，在研究反激式开关电源前有必要对开关电源进行全面的了解。1.1开关电源
12、的概述1.1.1开关电源的发展史在很多情况下，发出电能的电源不符合使用的要求，需进行变换，这种变换是把一种形态的电能转换成另一种形态的电能。像变压器、变频器等。我们把输入和输出都是电能的电源称之为变换电能的电源。开关电源属于变换电能的电源，这种电源是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。开关电源被誉为高效节能电源，将带来巨大经济效益，因而引起社会各界的重视而得到迅速推广，它代表着今后电源的发展方向。开关电源的前身是线性稳压电源。结构框图如1-1所示：图1-1 线性稳压电源的结构框图线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量（精度、纹波等）的要求，但有两个严重的缺点：一是调整管工作
13、在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器，使得电源体积很大。开关电源出现之前，各种电子装置和电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。但随着半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越强，而它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的动力9。 开关电源通常由五大部分组成：第一部分是输入电路,它包含低通滤波和一次整流环节，交流电经过低通滤波和桥式整流后得到脉动直流电压Vi。第二部分是功率变换,它是由电子开关和高频变压器来完成的,是把直流电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压
14、。第三部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经过整流滤波后变成直流电压输出，此电压受控于输入电压的波动和输出负载大小的变化。第四部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大成为控制信号，它改变调制脉冲宽窄或频率高低，使输出电压保持稳定。第五部分是频率震荡发生器，它产生一种高频波段信号，改信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频震荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换1。早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进，开关频率得以提高。不断改进，开关频率才得以提高。20世纪60年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电
15、力晶体管（BJT、JTR）的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到10KHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在20世纪70年代，新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHz。开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。后来，随着电力MOSFET的应用，开关电源的开关频率进一步提高。20世纪80年代，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）出现IGBT可以看成是MOSFET和GTR复合而成的器件。其具有MOSFET的电压型驱动、驱动功率小的优点
16、，同时又具有GTR饱和压降低和可耐高压、大电流等一系列应用上的优点。使得开关电源的容量进一步增大，在许多中等容量范围内，迅速取代了晶闸管相控电源。并且，IGBT的开关速度也很高，通态压降低。在一些发达国家研制出开关频率高达100KHz的开关电源，到了90年代，在美国首先出现了单片开关电源了，其工作频率高达135KHz。使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。开关频率的提高使开关电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这些问题，20世纪80年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，也就是我们所说的软开关技术，这种电路利用以谐振为主的辅助换流手段，即使开关开通或关断前的电
17、压、电流分别为零。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而，使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展2-4。1.1.2开关电源的分类按输出输入电压分 开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展而发展的，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着体积小、重量轻、噪声低、可靠性高、抗干扰能力强的方向发展。开关电源按输入输出电压可分为AC/DC和DC/DC两大类。DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均己成熟和标准化，已得到广大用户的认可；但AC/DC变换器因其自身特性，使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术
18、和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源作简要地介绍。1)DC/DC变换器 随着电力电子的发展，开关电源的DC/DC变换器型式和种类越来越多。 (1)反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦、数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。 (2)正激式：拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变
19、换电路。广泛用于功率为数百瓦数千瓦的开关电源中。 (3)半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。 (4)全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦、数千瓦的各种工业用开关电源中。(5)推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的V-S积稍有
20、偏差就会导致铁芯偏磁现象的产生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。反激式和正激式变换器都可以经过适当的变化，派生出新的变换器，以提高输出功率，提高效率，降低功率管的电压应力或减小输出纹波。今天，随着软开关技术的发展，DC/DC变换电路有了质的飞跃。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，使DC/DC变换器进一步模块化、绿色化，且使变换器的重量减轻了5-8。2)AC/DC变换器 AC/DC变换电路是指能够直接将交流电能变换为直流电能的电路，泛称整流电路。在所有的电能基本变换形式中，AC/DC最早出现，自20世纪20年代迄今已经历了以下几个发展阶段:(1)旋转式变流机组（
21、电动机一发电机组）(2)静止式离子整流器（由充气闸流管和汞弧整流管组成）(3)静止式半导体整流器（低频型、高频型）整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：(1)按组成的器件被控程度可分为不可控、半控、全控三种；(2)按电路结构可分为桥式电路和零式电路；(3)按交流输入相数分为单相电路和多相电路；(4)按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。按控制方式分开关电源按控制方式可分为：1)电压控制型、2)电流控制型、3)控制型三种1)电压控制型 目前，开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，其结构框图如下图1-2所示。从图可以看出，电压型控制方法是：利用输出电压U0
22、采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压Uref进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压Ue。误差电压与振荡器生成的锯齿波Ur进行比较生成一脉宽与Ue大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路（图中未画出驱动电路）来驱动开关管的导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。电压型控制方法只有一个控制环，因而设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，所以抗干扰能力比较强。图1-2 电压控制型开关电源结构框图2)电流控制型 电流型PWM技术是近年兴起的新技术，电流型控制正是针对电压型控制的一些缺点而发展起来的，结构框图如下图1-3所示。它除保留了电压控制的输出电压反馈控制部分外，又增加了
23、一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控制系统。所谓电流型控制，就是在脉宽比较器的输入端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。电流型控制的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲就逐渐增大，当电流在采样电阻上的幅度达到Ue时，脉宽比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动脉冲撤除，功率管从导通转为截止。这样，逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。与电压型PWM较，电流型具有以下优点： (1)电流型PWM开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率； (2)系统的稳定性和动态特
24、性会有明显改善； (3)其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠。特别是电流型控制应是未来开关电源较为理想的工作方式。3) V2控制型V2控制型是在电流控制型的基础上产生的，响应速度很快，但V2其抗干扰能力差。当占空比大于50%时，会产生次谐波振荡，所以要使用斜坡补偿；另外控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需额外的电路进行过流保护。图1-3 电流控制型开关电源结构框图1.1.3开关电源的发展趋势 开关电源最主要的市场是在小功率领域，但在中等功率以至较大功率领域，开关电源的优势已十分明显。随着人们对开关电源技术研究的不断深化，在中等功率及以上的领域内应用更
25、广阔。开关电源的应用范围是越来越广，反过来又遇到更多的问题和难题。这些问题可归纳为以下几点：1)电磁兼容性2)组建大容量的开关电源3)提高功率因数4)提高开关频率5)使开关电源小型化、模块化这些问题的实现是开关电源能否在更广阔领域中应用的关键。我们应把问题和困难看成动力和机遇，全身心投入到开关电源这一事业当中来，使开关电源产业有着广阔美好的发展前景。1.2课题的研究意义反激式变换器是在基本Buck-Boost变换器中插入变压器形成的，是开关变换器的一种基本的拓扑结构。反激式变换器主要应用于高电压，小功率的场合。它克服了以往变换器输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大，以及无法实现多路输
26、出等缺点。具有电路简洁，成本低，体积小等优点。最独特的是在所有变换器中抗电网能力最强，因此，基于反激式变换器的开关电源被众多学着所关注，必将得到广泛应用，具有重要的研究意义。随着开关电源的发展，电源的小型化、模块化、绿色化越来越受到人们的关注。以致于20世纪90年代中期，单片开关电源问世了。美国电源集成（PI）公司率先于1994年研制成三端隔离式脉宽调制型单片开关电源。其第一代产品为TOPSwitch系列，随后于1997年，2000年1月和11月相继推出了TOP Switch-系列，TOPSwitch FX，TOPSwitch-GX系列。该系列芯片集PWM信号控制电路和功率开关器件MOSFET
27、于一体。该系列开关电源集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。本课题选择了TOPSwitch-系列芯片中TOP224Y控制的单端反激式开关电源。1.3本文的主要内容及工作 本课题研究的是基于TOP224Y芯片的反激式开关电源，主要有以下工作：1)分析了反激式开关电源的工作原理。TOP224Y芯片内部结构和参数。2)介绍了控制芯片TOP224Y电路设计。包括设计原理图， 输入整流滤波电路设计、变压器设计、输出整流滤波电路设计、反馈电路设计等。3)各设计分别包含元器件的选型，元器件参数的确定。 4)电路图的搭建及电源的测试，对波
28、形进行分析。2.反激式开关电源的工作原理2.1反激式变换器工作原理单端反激功率变换器就是在电器隔离的Buck-Boost功率变换器的基础上演变而来，因此具有反极性变换器的特点。在开关管导通时，将电源能量储存在变压器中，即一次侧电感储能。当开关管截止时，将导通期间储存的能量传递到二次侧负载，因此，称为反激变换器。反激变换器的变压器主要由理想变压器、励磁电感与漏感组成。在开关管关断的瞬间，各个绕组两端的电压立即反向，但初级电流会继续给电路中的寄生电容和开关管本身结合的电容充电，于是开关管漏、源两端的电压谐振上升。由于初级电流很大，而谐振电路电容较小，开关管漏、源两端的电压线性上升到输出电压峰值反射
29、到初级后的电压时，次级电流开始上升，初级电流开始下降。最终，在开关管漏极和源极两端的电压幅值为输入电压的峰值与输出电压峰值反射到初级后的电压及漏感产生的尖峰电压的之和。单端反激式变换器输出纹波电压大，电压调整率低。要提高性能指标，可以增加滤波电容和辅助LC滤波器，但增加了体积与成本，削弱了原有的优点。因此，单端反激变换器多应用于100W的功率电源和对电源要求不高的场合。图2-1 单端反激变换器如图2-1所示，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程: S开通后,VD1处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加； S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的
30、磁场能量通过N2绕组和VD1向输出端释放。S关断后的电压为: (2-1)反激电路的工作模式: 电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零. 输出电压关系: Uo/Ui=N2Ton/N1Toff (2-2)电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零. 输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,因此反激电路不应工作于负载开路状态. 图2-2 反激电路的理想化波形2.2单端反激式开关电源工作原理由TOPSwitch-系列芯片构成的单端反激式开关电源框图如下图2-3所示。主要包括：输入整流滤波电路、功率变换电路、输出滤波电路、电流、电压采样反馈电路及控
31、制电路几部分组成。功率电路采用单端反激式DC/DC变换器，控制电路是TOPSwitch-芯片来实现电流型控制的功能。电源简要工作原理如下：交流电Ui经输入整流滤波电路后输入到高频变压器一次侧，电压经反激后，二次侧上的高频电压经过输出整流滤波电路整流滤波后，获得输出电压U0。图中钳位电路是用来吸收高频变压器的漏感产生的尖峰电压，从而保护了TOPSwitch-中功率管不被尖峰电压烧毁。稳压管和光耦合器组成反馈电路。输出电压U0的稳压原理如下：当由于某种因致使U0上升，则光耦中发光二极管的电流升高，经过光耦后，使光耦中的接收管电流也升高，使得TOPSwitch-控制端电流升高，经TOPSwitch-
32、内控制后，使控制脉宽占空比降低，导致U0下降，从而实现稳压目的；反之，当U0下降时也一样稳定。图2-3 TOPSwitch-构成的单端反激式开关电源框图2.3 TOP224Y 芯片 本文采用的控制芯片是美国电源集成公司（Power Integrations）公司生产的TOPSwitch-系列中的TOP224Y，该系列芯片具有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等优点。其内部结构见图2-4： 内部结构如下：1) 控制电压源2) 带隙基准电压源3) 高压电流源4) 振荡器5) 误差放大器/并联调整器6) 脉宽调整器7) 过电流保护电路8) 过热保护电路9) 关断/自启动电路10) 门
33、驱动级和输出级图2-4 TOPSwitch-系列芯片内部结构该器件外部仅有3个控制管脚：D（漏极）为主电源输入端，C（控制端）为控制信号输入端；S（源极）为电源公共端，也是控制电路的基准点。此芯片有三种封装方式TOP220、DIP-8、SMD-8，用户可根据需要进行选择。它将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中。芯片的引脚功能如下：图2-5 芯片的引脚功能DRAIN脚：输出管MOSFET的漏C极。在启动时，通过一个内部开关控制的高压电流源提供内部偏置电流,内部电流感应点。CONTROL脚：作为占空比控制时，是误差放大器和反馈电流的输入端。正常工作时，是分流调整器，提供内部偏置电
34、流。也用做内部电路和自动重启动补偿电容的连接点。SOURCE脚：Y型封装时，是输出MOSFET的源极，作为高压电源的回路。原边控制电流的公共参考点。P和G型封装时，是原边控制电流的公共参考点。SOURCE（HV RTN）脚和G封装）：输出管MOSFET的源极，作为高压电源的回路。下图2-6是TOPSwitch-系列芯片输入及功率对应表：图2-6 输入及功率对应表3.基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源设计3.1 设计目标 输入220V（15%）交流，输入电压频率：f=50Hz (15%)，双路输出电压17.5V/1A, 8V/1A, ，估算总输出功率28W(TA=25). 电压调整率：S
35、v1%,开关频率100KHz。3.2设计思路 采用TOP224Y研制一款双路输出单端反激式开关电源,给出设计原理电路图。把开关电源外部电路划分为输入整流滤波、 变压器、钳压、输出整流滤波和反馈5部分，并对各部分电路功能进行了分析和工程设计，针对样机实测波形，提出了改进电路设计和性能的方法。 3.3设计内容随着PWM技术的不断发展与完善，开关电源以其极高的性价比获得了广泛的应用。开关电源的设计通常使用控制电路与功率MOSFET相分立的拓扑结构（UC3842+MOSFET），这种方案开发周期长，成本高，系统可靠性低。TOPSwitch-系列智能开关电源集成芯片解决了这些问题,该芯片把自启动电路、功
36、率MOSFET、PWM控制电路以及保护电路集成在一起，提高了电源的效率，简化了外围电路的设计，降低了成本，增强了系统的可靠性。图3-1是使用该系列芯片构建单端反激式开关电源的原理图。单路 220V交流（15%）输入，双路输出电压17.5V/1A, 8V/1A,估算总输出功率28W。对应电路如图3-2所示.由于TOPSwitch-集成度高，设计工作主要针对外围电路进行。外围电路可分为输入整流滤波电路、钳位保护电路， 变压器、 输出整流滤波电路及反馈电路5部分。设供电条件为AC（15%）工 频，若不加说明， 以下设计均以此条件为前提。根据各路输出的功率之和，取2倍裕度选择TOP224Y芯片，可得到
37、该型号芯片的各项参数。 图3-1 使用TOPSwitch-构建开关电源原理图图3-2 设计原理图3.3.1 输入整流滤波电路设计 整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压三部分。交流滤波可使用技术成熟的型滤波电路,具体参数推荐如下：去除差模干扰的C10和C11为0.1-0.2uF；去除共模干扰的C12、C13为 2.2-33nF; L1为5-15mH,采取双线并绕。整流电路选择导通时间尽可能短,满足电流阈值的整流桥。在当前供电条件下，电容 C1的电容值可根据输出功率，每瓦特对应 1uF.假设整流桥中二极管导通时间为tc=3ms,由式（3-1）可得出电容耐压值： （3-1）式中 系统效率，可
38、选择80% fL交流电网频率3.3.2 变压器设计 （1）磁芯类型 为满足TOPswitch-芯片100KHz的工作频率选用锰锌铁氧体。磁芯的形状（如EI、EE等）， 应尽可能选择圆形磁芯以减小漏感。（2）最大占空（DMAX）由公式 (3-2) 给出最大占空比： (3-2)式中VOR次级反射到初级的反射电压，可选135VVDSTOPswitch的通态电压，可选5 至10V（3）变压器初级自感Lp 可以由式（3-3）得到： (3-3) 式中 P0输出总功率fTOPSwitch-的开关频率, f=100KHz （4）导线截面积 由流过各绕组的平均电流（IAVG）峰值电流（IP）均方根电流（IRMS
39、）纹波电流（IR）确定电源工作在连续模式或不连续模式下。 （5）每匝电压值 工作在反激状态下，绕组输出电压与每匝电压值成正比，确定各绕组匝数N前需确定每匝电压值。（6）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。对于输入电压为交流 220V（15%） 电路，次级选择0.6N/V能满足要求。根据变比， 再确定初级匝数。3.3.3 输出整流滤波电路设计输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一，是影响开关电源效率的主要因素，包括：正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此具有更低的正向导通损耗。此外，肖
40、特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，选用肖特基二极管作为整流二极管。参照最大反向峰值电压选取肖特基二极管，次级各绕组的最大反向峰值电压由(4)获得： (3-4)式中 VXM、VX、NX路输出的最大反向峰值电压、输出电压、绕组匝数 Np初级匝数 VMAX变压器初级输入最大电压， 对输出滤波电容，ESR（等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端小于35V时，ESR 只与电容的体积有关。在保证控制环路的带宽足够的前提下，应选择耐压值高和容值低的滤波电容。纹波电流的计算公式为： （3-5）式中ISRMS各绕组输出的均方根电流 Io各绕
41、组输出的额定电流 若滤波效果不理想，可以在下级再串联一个 LC滤波环节。根据经验， L取2.2-10uH电容推荐选择120uF/35V低ESR电容。3.3.4 钳位稳压管(VR1)和阻断二极管(VD1)的选择 每个开关周期内，TOPSwitch-的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。VR1和VD1构成的钳位电路防止了此电压对TOPSwitch-的损坏， VR1和VD1的选择由反射电压VOR决定 。推荐值135V，VR1钳位电压VCLO可由经验公式VCLO=1.5VOR得出，VD1的耐压值应大于VMAX并选择快恢复二极管。3.3.5 反馈电路设计 反馈回路的形式依据输出电压精度而决定，本方案使用的
42、光耦 +TL431”可以把输出电压精度控制在1%。电压反馈信号经分压网络(R4、R5)引入TL431的Ref端,转化为电流反馈信号，经过光耦隔离后输入TOPSwitch-的控制端。 光耦工作在线性状态， 起隔离作用。如果所选光耦的CRT（电流放大率） 上限超过 200%,容易造成TOP224Y过压保护。 相 反，若CRT下限小于40%， 占空比D将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此，应选择CRT范围接近 100%的光耦。本方案选择Siemens的CNY172（CTR为63%-125%），也可以选择Siemens的SFH610A-2. 4结果与分析根据以上设计原则，使用TOP224Y
43、 芯片设计出了17.5V/1A,8V/1A双路开关电源，并对它进行了测试。图4-1至 图 4-4给出了波形。图4-1 空载时漏源极两端电压波形图4-2 空载时输出端纹波电压波形图4-3满载时漏源极两端电压波形图4-4 满载时输出端纹波电压波形由图可见，满载时，电源工作在最大占空比37%。输出纹波由变压器漏感导致的尖峰电压以及输出整流二极管关断时所产生。这些可通过使用反向恢复时间更短的整流二极管、提高变压器制造工艺以及优化 PCB布线等方法加以抑制。结束语采用TOP224Y研制了一款双路输出单端反激式开关电源并给出了设计方法。论文把开关电源外部电路划分为输入整流滤波、变压器、钳压、输出整流滤波和
44、反馈5部分，并对各部分电路功能进行了分析和工程设计，针对样机实测波形，提出了改进电路设计和性能的方法。该电源在空调控制器中得到了应用，实际工作中性能稳定，工作可靠。开关电源的设计涉及到电力电子技术多方面的知识,是电力电子技术的一个重要研究方向.本设计是用了一种新型的电流控制型芯片。该芯片具有高集成度、高性能价格比、高频率、最简外围电路。所以，本设计的电源体积比较小频率也较高。因此，在考虑采用同步整流器以减小功率管的开关损耗方面还需要进一步研究；其次，本电源只两路输出电源，其实还可以设计多路电压输出，在将来的工作中可做进一步研究；目前关于开关电源的功率变压器的绕组泄漏电感对系统影响问题还没有进行深入研究，因此研究漏感对系统的数学模型及输出电压纹波的影响将是开关电源的一个重要方向。 参考文献
