1、1绪 论开关电源（Switched Mode Power Supply，SMPS）是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或直流直流电能的变换。其功率从零点几瓦到数十千瓦，被广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。比如：小到彩色电视机、DVD 播放机等家用电器、大到飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。脉宽调制（PWM）技术的发展，导致了 PWM 开关电源问世（PWM 开关电源的特点是用 20KHz 的载波进行脉冲宽度调制，电
2、源的效率可达 65%70%） ，大幅度节约了能源，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。高频化使开关电源装置空前的小型化，并使其进入更广泛的领域，特别是推动了高新技术产品的小型化、轻便化，在节约资源及保护环境方面具有深远的意义。随着电子技术的高速发展，电子设备的应用领域越来越广，与人们的工作、生活的关系日益密切。但是，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。并且，随着集成芯片尺寸的不断减小，处理速度越来越高，需要更加小型化、轻量化的电源（磁性元件和电容的体积、重量应随之减小） ；未来的绿色电源要求开关电源的效率更高，性能更好，可靠性更高等。这一切
3、将促进开关电源的不断发展和进步。开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已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。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。具有较强的适用性。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 TOP224Y、PC817、TL431 等
4、专用芯片以及其他的2电路元件相配合来完成。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 40W 的通用小型开关电源。31 开关电源的基本类型开关电源的分类方法有多种。 按电路的输出稳压控制方式分类可分为脉冲宽度调制（PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式和脉冲调频调宽式三种；按触发方式分类可分为自激式开关电源和它激式开关电源；按电路的输出取样方式分类可分为直接输出取样和间接输出取样；按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开
5、关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源等。下面我们介绍几种开关电源。(1) 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 1-1 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。在电路中还设有箝位线圈与二极管 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
6、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50200W 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。(2) 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 1-2 所示。当开关管 VT1 导通时，输入侧的电能以磁能的形式存储在变压器的初级线圈中，由于同名端的关系，次级侧二极图 1-1 单端正激式开关电源4管 VD1 不导通，负载没有电流流过。当功率开关晶体管 VT1 断开时，变压器次级绕组以输出电压 UO 为负载供电，并对变压器进行消磁。单端反激式开关电源电路简单，所用元件少，输出电压即可高于输入电压又可低于输入电压，一般适用在输出功率为 200W 以下的开
7、关电源中。(3) 自激式开关稳压电源 自激式开关电源的典型电路如图 1-3 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 R1
8、 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 1-2 单端反激式开关电源5(4) 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图 1-4 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
9、波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。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 1-5 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 1-3 自激式开关电源图
10、1-4 推挽式开关电源6(6) 升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图 1-6 所示。当开关管 VT1 导通时，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。(7) 反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图 1-7 所示。图 1-7 反转式开关电源图 1-5 降压式开关电源图 1-6 升压式开关电源7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
11、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。82 开关电源的原理2.1 开关电源的选择基础一般来说，功率很小的电源（1100W）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较大、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
12、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。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为 40W 的通用型小功率开关电源。单端反激式电路不仅符合功率的要求，并且具备电路简单、所用元件少、输出与输入间有电气隔离、电压输入范围宽、能方便的实现多路输出、有较好的电压调整率的特点。因此，本设计选择了单端反激式的拓扑类型。2.2 反馈电路的类型与选择单片开关电源的反馈电路有 4 种基本类型：基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配 TL431 的光耦反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路。(1) 基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型
13、化、经济型开关电源，其缺点是稳压性能较差。(2) 配 TL431 的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳，适于构成精密开关电源。(3) 配稳压管的光耦反馈电路，该电路相当于给 TOP Switch 增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对输出电压进行调整。(4) 改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管 VDZ 和电阻 R1，即可使负载调整率达到 -2%+2% 。VDZ 的稳定电压一般为 22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压，满足电路的需要。 由于本设计是旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作的，需要有较好的稳压性能。并且，考虑到光耦所具有的电气隔离的
14、优点，所以选择了配 TL431 的光耦反馈电路。92.3 开关电源的内部结构图及工作原理2.3.1 开关电源的内部结构图开关稳压电源的电路原理框图如图 2-1 所示。它主要由输入整流滤波电路、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、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。2.3.2 开关电源的基本工作原理首先，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
15、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。图 2-1 开关电源的原理图102.3.3 脉宽调制式开关电源的基本工作原理开关电源按控制方式分为调宽式和调频式以及两者混合式。其中，前两者的区别在于：前者通过改变占空比来实现稳压，开关器件导通的周期并不变。而后者恰恰相反。在目前开发和使用的开关电源
16、电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型,全称脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，PWM ）技术，本设计亦采用调宽式控制方法。它通过对脉冲宽度进行调制来获得所需波形（含形状和幅值） 。其基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载发生变化的情况下，根据反馈的结果，调节开关器件的脉冲宽度（输出电压的高或低而使占空比相应小或大）使输出电压稳定。 PWM 开关电源的控制原理如图 2-2 所示。当 T 不变时，直流平均电压 将与脉冲宽度 T1 成正比。这样，只要设法使脉冲宽度即占空比（在一个周期内 T 内,开关导通的时间 Ton 所占整个周期 T 的比例,称为占空比 D,D
17、=Ton/T） ，就可达到稳定电压的目的。113 小型开关稳压电源的设计3.1 开关电源的设计流程图图 3-1 开关电源的设计流程图图 2-2 PWM 开关电源控制原理及波形图开 始选 用 何 种 拓 扑 结 构 ?输 出 滤 波 器 和 整 流 器变 压 器 设 计黑 箱 计 算功 率 开 关 和 驱 动 电 路 设 计 测 试 与 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 电 路 设 计实 验 电 路 和 结 构 设 计优 化 设 计EMI测 试12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
18、、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本设计依据要求，采用了较新的电路结构，设计出小功率通用开关电源。它应具备小功率通用开关电源纹波小、电压低、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
19、%；空载功率损耗：低于 0.5W（230V 时） ；输出纹波电压：低于120mV。3.3 TOP224Y 的主要性能特点和元件选择3.3.1 性能特点TOP224Y 是 TOP Switch -系列中一种最常用的芯片,其封装形式是 TOP220,自带小散热片, 是典型的三端集成器件,TOP 芯片的引脚图如图 3-2，三个管脚分别为控制端 C、源极 S、漏极 D ,其内部功率 MOSFET 器件的耐压值高达 700 V , 可设计成 40 W 以上仪器仪表的多路隔离式内置控制电源, TOP Switch - 系列产品具有以下显著特点：(1) 将脉宽调制 (PWM) 控制系统的全部功能集成到三端芯
20、片中, 内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOS2FET) 、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, 并利用控制极反馈电流 Ic 来线性调节占空比实现13AC/ DC 变换的 , 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。作固定电压输入时, 可选 110V/ 115V/ 230V 交流电 , 允许变化 15 %。在宽电压范围输入时 , 适配 85265V 交流电, 但输出功率峰值 POM 要比前者降低 40 %。(4)
21、它只有三个引出端, 能以最简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 100 kHz , 允许范围是 90 k110 kHz , 占空比调节范围是 117 %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 %。TOP 224Y 芯片的引脚功能简介如下：(1) DRAIN：内部功率 MOSFET 漏极接入端。该端同时还是内部电流的检测端，该端内接高压电流源，在其启动过程中，向内部功能电路提供偏置电流。(2) CONTROL：占空比控制端。该端内接分流调节器，在正常工作状态下提供偏置电流，该端同时
22、还是旁路电容，自动重启电路和补偿电容的接入端。(3) SOURCE：内部功率 MOSFET 源极接入端，是一次侧电路的公共端，功率的返回端和参考点。3.3.2 线性光耦合器 PC817光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器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。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED） ，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了“电-光-电”的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用
23、。由于光耦合器输入图 3-2 TOP224Y 的引脚图14输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性PC817 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 3-3 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，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，
24、从而实现了“电-光-电”的转换。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。3.4 可调式精密并联稳压器 TL431TL431 是由美国德州仪器（TI ）和摩托罗拉公司生产的 2.536V 可调式精密并联稳压器。其性能优良，价格低廉，该器件的典型动态阻抗为 0.2，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。此外，TL431 还能构成电压比较器、电源电压器、延时电路、精密恒流源等。TL431 的电路图
25、形符号和基本接线如图 3-4 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 UREF Uref（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 UREF Uref，使比较器再次翻转，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 3-3 PC817 内部框图15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
26、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。3.5 开关电源的电路设计3.5.1 TOP224Y 芯片原理图 3-5 是用 TOP224Y 芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。输入为 220V AC（15%） ，输出为+15VDC，功率为 40W。由于 TOP Switch 芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路基本分为输入整流滤波电路、钳位保护电
27、路、高频变压器、输出整流滤波电路及反馈电路 5 部分。图 3-4 TL431 的基本接线和电路符号16图 3-5 TOP224Y 芯片原理173.5.2 输入整流滤波电路设计输入整流滤波电路包括交流滤波、整流部分和整流滤波电容。交流滤波采用技术成熟的型滤波电路，具体参数如下：去除差模干扰的 8C、 9为 0.1F/250V；去除共模干扰的 10C、 为 10nF；滤波线圈 1L为 10 33Mh，采取双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于 400V，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的 710 倍。还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。本设计中,选
28、用四个 IN4007 整流二极管构成整流桥。在当前的供电条件下，电容 1C的值可根据输出功率按照 3F /W 来取值，再考虑余量后，取=150F/400V。交流电压输入范围为 187V253V，即minAV=187V, maxAC=253V。假设整流桥中二极管导通时间为 Ct=3ms，可由式 (2-1) 和(2-2) 式可得输入直流电压最小值和最大值为：52minin)(tfPVCLOAC (2-1)axaxAC (2-2)式中 系统效率，可选择 80%；Lf交流电网频率；OP电源输出功率。3.5.3 箝位保护电路设计当 TOP224Y 的功率 MOSFET 管由导通变为截止时 , 在高频变压
29、器 T 的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压, 其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成, 它与直流高压和反射电压叠加后很容易损坏 MOSFET 管。为此, 必须设计箝位保护电路, 对尖峰电压进行箝位和吸收。图 3-5 中 VD1 和 VD2 构成的箝位电路可18防止高压对 TOP224Y 的损坏, VD1 与 VD2 的选择由反射电压 V OR 决定。V OR 一般取 135 V , VD1 箝位电压 V CLO 可由经验公式 V CLO =115V OR 得出, VD2 的耐压值应大于最大直流输入电压 V max 。本设计中 VD1 采用反向击穿电压为200V 的 TVS (瞬态电压抑制
30、器) P6KE200 , VD2 采用反向耐压为 600V 的超快恢复二极管 BYV26C。3.5.4 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 1/6 多，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖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，所以选用肖特基二极管作为整流二极管。选取的原则是根据最大反向峰值电压。次级绕组的反向峰值电压 SMV为：SMV= + maxACNs/Np (2-3)式中 S次级绕组输出电压；maxAC输入交流电压最大值。对输出滤波电容，
31、ESR （等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端电压小于 35V 时，ESR 只与电容的体积有关 ,本设计选择细高型120F/35V低 ESR 电容。输出滤波电感采用 3.3H的穿心电感，它是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠电感。其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小，一般为 01.5.。它能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容，见图 3-5 中的 7C。3.5.5 反馈回路的设计本设计采用可调式精密并联稳压器 TL431 加线形光耦 PC817A 构成反馈回路，可使电压调整率达到0.1%。电路利用输出电压与
32、TL431 构成的误差比较器，通过光耦 PC817A 线性关系的电流变化控制 TOP Switch 的 CI,从而改变 PWM 宽度，达到稳定输出电压的目的。流入 TOP Switch 控制脚 C 的电流 与占空比 D 成反比关19系，如图 3-6 所示。图 3-6 TOP Switch 占空比与控制电流的关系为使 PWM 线性调节，控制脚电流 CI应在 26mA 之间，而 CI是受光耦二极管电流 fI控制的，由于 PC817A 是线性光耦，二极管正向电流 f在 3mA 左右时，三极管的集射电流 ceI在 4mA 左右，而且集射电压在很宽的范围内线性变化，因此一般选 PC817A 二极管正向电
33、流 fI为 3mA。从 TL431 的技术参数可知，阴极工作电压 KAU的允许范围为 2.537V，阴极工作电流 KAI在 1100mA 内变化，一般选20mA 即可，不但可稳定工作，又能提供一部分死负载。对于图 3-5 所示电路中的反馈部分，主要是确定 2R、 3、 4和 5R的值。根据 TL431 的特性知， OV、 REF、 4和 5之间存在以下关系,已知 Vo=15V.：= (1+ 4/ 5) REFV (2-4)式中 REFTL431 参考端电压，为 2.5V；OVTL431 输出电压。先取 510K，则由式 (2-4) 算得 450K。再确定 2和 3，由图 2-5 电路可知32)
34、(RIVIRfKAff (2-5)式中 fV光耦二极管的正向压降，由 PC817 技术手册知，典型值为 1.2V。先取 2R300，则由式 (2-5)，可得 352。设计的实际取值为： 2300， 352， 4R50K， 510K 。DmaxDmin 2mA 6mAIC再再再再再IC(A)再再再再再 PWM再再再再再D再再再203.5.6 其他外围电路的设计(1) 为保证开关电源的正常工作，在输入端串联一熔断丝，防止整个电路被烧毁。另外，在输入端并联一压敏电阻。正常工作时，压敏电阻的阻值极大，相当于断路，不起作用。当遭遇雷击时，它的阻值瞬间降至极小，造成短路来保护电路。(2) 由于交流电压经整
35、流滤波后得到直流高压，加在 TOP Switch 的漏极上。而功率管在关断瞬间，又产生尖峰电压和反向感应电动势叠加在漏极上，故在初级绕组并联一稳压管和阻塞二极管，以吸收尖峰高压。(3) 在次级绕组产生的电压或电流尖峰用串联电容吸收，使输出的电压电流效果更好。3.6 开关电源电磁干扰的产生机理开关电源产生的干扰, 按噪声干扰源种类来分, 可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分, 可分为传导干扰和辐射干扰两种。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过, 在其受反偏电压而转向截止时, 由于PN 结中有较多的载流子积累, 因而在载流子消失之前的一段时间里, 电流会反向流动, 致
36、使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt )。开关管工作时产生的谐波干扰。功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波, 其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时, 这种谐波干扰将会很小。另外, 功率开关管在截止期间 , 高频变压器绕组漏感引起的电流突变 , 也会产生尖峰干扰。交流输入回路产生的干扰。无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量, 通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰; 而谐波和寄生振荡的
37、能量, 通过输入输出线传播时, 都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。3.6.1 目前抑制干扰的几种措施21形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而, 抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源, 直接消除干扰原因； 其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射, 切断电磁干扰的传播途径； 第三是提高受扰设备的抗扰能力, 减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道,它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如, 功率开关管和输出二
38、极管通常有较大的功率损耗, 为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘, 这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容, 开关电源的底板是交流电源的地线, 因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰, 解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上, 割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射, 电磁干扰对其他电子设备的影响, 可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩, 然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体, 就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑
39、制干扰的作用。例如, 静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰; 电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地, 但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应, 所以仍以接地为好, 这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此, 系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后, 最终都与大地相连。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则, 如果形成多点接地, 会出现闭合的接地环路, 当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声, 实际上很难实现“一点接地” 。因此, 为降低接地阻抗, 消除分布电容的影响而采取平面式或多点接
40、地, 利用一个导电平面( 底板或多层印制板电路的导电平面层等) 作为参考地, 需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降, 可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中, 应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后, 再连接到公共参考点上。滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。22例如, 在电源输入端接上滤波器 , 可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰 , 也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中, 还采用很多专用的滤波元件, 如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环, 它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器, 并正确地安装和
41、使用滤波器, 是抗干扰技术的重要组成部分。3.7 基于 TOP224Y 的开关电源原理图及工作原理3.7.1 基于 TOP224Y 的开关电源原理图利用 Protel99SE 软件绘制出基于 TOP224Y 的开关电源原理图，如附录所示。3.7.2 基于 TOP224Y 的开关电源工作原理的分析该电路主要包括输入整流滤波、TOP224Y 脉宽调制、高频变压器、电压反馈整流滤波、输出整流滤波等部分组成。该电源共使用 4 片集成电路：TOP224Y 单片开关电源（IC1） ；线性光耦合器 PC817A（IC2） ；可调式精密并联稳压器TL431（IC3、 IC4） 。(1) 输入整流滤波电路部分：
42、由熔断丝、压敏电阻、两级复合式 EMI 滤波器、单相整流桥组成。CN1 接 220V 交流电，CN2 为控制开关。熔断丝 FU1 和压敏电阻RV1 对整个电路起保护作用。正常工作时 RV1 阻值很大，可以认为是断路对电路无影响；当遇高压时，阻值瞬间变小，造成短路，保护后面电路。两级复合式 EMI滤波器含共模扼流圈 L1、L2,滤除电网中的共模干扰；滤波电容 CX1、CX3 滤除电网中的差模干扰，称为“X 电容” ；滤波电容 CY1CY4 同样滤除电网中的共模干扰，将其减至最小，称为“Y 电容” 。之后电流由单相整流桥整流，由正弦交流变为直流。(2) 输出整流滤波电路部分：主要由整流二极管、滤波
43、电路、稳压电路组成。首先二极管 D8D12 对次级线圈电流整流，当电流为正时，电流通过D8、D9、D12 并输至滤波电路部分，在 D10、D11 处截止） ，当电流为负时刚好相反，原因是 D10、D11 两路输出负电压。滤波电路主要采用了 LC- 型复式滤波器，使输出电压电流平滑。在 D11 一路，R8 限流、滤波，经 ZD1 稳压和 CE15 滤波后输出。其中，在 3.6V 一路，电流在经 LC- 型滤波器后有加一个有 TL431 组成的局23部反馈电路。即输出电压经 R6、R7 分压后与 TL431 的基准电压比较，得到的误差电压通过影响 Q1 的导通程度来改变输出电压，最终使其稳定。 R
44、5 为 Q1 提供偏压。(3) 反馈部分：反馈回路采用“光耦 PC817TL431” 。当负载变化时，L6 会产生相应的压降，此压降作为反馈信号通过光耦反馈至 TOP224Y。之所以选择这一路作为反馈回路，主要是它输出的电压低、电流大，反馈后稳压效果更好。L6 产生的压降通过电阻 R11、R12 分压后，与 TL431 中的 2.5V 基准电压进行比较输出误差电压，然后通过光耦去改变 TOP224Y 的控制端电流，进而使占空比发生变化，最终使输出电压保持稳定。光耦起着传送误差信号和电气隔离的作用，反馈绕组电压经 D7 整流和 C1 滤波后对光耦的三极管提供偏压。 R9 为取样电阻，C2、CE3
45、 、R10 使取样及误差电压稳定。24结 论设计此类高性价比的开关电源，不仅要掌握各种 TOP Switch 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、热力学等多方面的知识。所以需要查阅大量资料，进行知识的分解与融合，在设计过程当中还需反复修正。开关电源的设计需要对电子技术有较熟练的掌握。对于开关电源所实现的功能或者目的，需要将其分解为若干个模块，分别弄清它们的原理和功能以及怎么去使用。然后，再将它们连接成为一个系统。在设计时，重点对基本概念和原理知识作了分析，采取了由部分到整体的设计思路，对涉及的电路单元作了详细分解和原理介绍。先后设计出该开
46、关电源的滤波、整流、反馈等电路及外围电路。通过反复思考有了一定的收获，并取得了开关电源设计的宝贵经验。但是，对于开关电源的元器件计算及选型没有深入涉及。总之，通过此次设计，熟悉和掌握了 PROTEL 绘图软件。另外对电子技术有了新的更高的认识，尤其是对它的实际运用有了较全面的认识。同时，通过翻阅大量的资料，提高了自己的自学能力和解决实际问题的能力。对开关电源这一设计过程有了充分的认识，进行了很好的锻炼。但是，作为一门相对独立的学科，运用的知识较多，自己现有的水平还需要进一步提高。25致 谢论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢老师，因为论文是在刘老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知
47、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，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响甚深。在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一小步都是在刘老师的悉心指导下完成的。刘老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。需要特别指出的是，我还要感谢四年来所有那些在学习和生活中曾经帮助过我的老师！他们的传道、授业、解惑给了我宝贵的专业知识和技能，对待学习、生活的态度以及做人的道理。有幸遇到这么多学识渊博；治学严谨；诲人不倦；和蔼可亲；品德
48、高尚；充满魅力的老师，将是我明天最大的荣耀和不懈奋斗的动力！在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!明天，将是我人生新的开始，感谢那些有着同窗之谊和手足之情的同学和朋友们！感谢我美好的大学！感谢所有领导、老师、同学、和朋友们！由于水平有限，难免有不足之处，望能得到批评和指正。最后，谨向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加论文答辩的各位师长表示感谢！今天终于可以顺利的完成论文的谢词，求学期间的点点滴滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝，大学四年的努力与付出，随着论文的完成，终于让大学的生活得意划下完美的句号。26参考文献1 童诗白，华成英 .模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2001.
49、2 张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，2001.3 刘胜利.现代高频开关电源实用技术北京：电子工业出版社，2001.4 薛永义，王淑英，何希才.新型电源电路应用实例. 北京：电子工业出版社，2000.5 刘贤兴，李众 .新型智能开关电源技术.北京：机械工业出版社，2003.6 杨恒.开关电源典型设计实例精选.北京：中国电力出版社，2007.7 赵书红，晨曦 .一种基于 Top switch-GX 的变频器专用开关电源 .电源技术应用，2007.8 沙占友，王彦朋 .单片开关电源最新应用技术. 北京：机械工业出版社，2006.9 姜培刚，郑巍 .Protel99SE 原理图与 PCB 及仿真 . 北京：机械工业出版社，2004.10 张立.现代电力电子技术.北京：科学出版社，2001.11 周志敏，等 .开关电源实用技术.北京：人民邮电出版社，2005.12 李朝青 .单片机原理及接口技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006: 17-2
