1、现代电源变换技术,主讲人： 马瑞卿2007.10,第四讲:开关电源设计举例,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计二、PWM型半桥式开关电源的设计,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,上世纪90年代美国PI（Power Integration Inc.）公司推出的TOPSwitch系列开关电源集成芯片解决了这些问题。该系列芯片将自启动电路、功率MOSFET、控制电路以及保护电路集成在一起，极大地简化了外围电路的设计，降低了成本，增强了系统的可靠性，缩短了研发周期；同时提高了电源的效率，并使电源的体积和重量大为减小。所以，该系列芯片一经推出便得到广泛的应用，展示了其良好的应用前景
2、。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,1、TOP224Y的主要性能特点和工作原理 1.1 性能特点 TOP224Y是TOPSwitch-系列中一款最常用的芯片，其封装形式是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、漏极D，其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V，可设计成40W以上仪器仪表的多路隔离式内置控制电源，TOPSwitch-系列产品具有以下显著特点：,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,1、TOP224Y的主要性能特点和工作原理 1.1 性能特点 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
3、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，并利用控制极反馈电流IC来线性调节占空比实现AC/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85V265V交流电，但输出功率峰值POM值要比前者降低40%。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,1、TOP224Y的主要性能特点和工作原理
4、 1.1 性能特点4）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100kHz，允许范围是90k110kHz，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%。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,1、TOP224Y的主要性能特点和工作原理 1.2 工作原理 TOP224Y的内部框图如下图所示，主要包括10个部分：, 控制电压源（由控制电压UC向并联调整器和门极驱动提供偏压，而控制端电流IC则能调节占空比）； 带隙基准电压源（内部提供各种基准电压）； 振荡器
5、（产生锯齿波SAW、最大占空比信号Dmax和时钟信号CLOCK）； 并联调整器/误差放大器；,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,1、TOP224Y的主要性能特点和工作原理 1.2 工作原理, 脉宽调制器（通过改变控制端电流 的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制并能滤掉开关噪声电压）； 门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功率开管MOSFET）； 过流保护电路（利用MOSFET。的漏源通态电阻RDS(ON) 来检测过电流，当漏极电流 过大时令MOSFET关断，起到过流保护作用）；,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,1、TOP224Y的主要性能特点和工作原理 1.2
6、工作原理, 过热保护及上电复位电路（当芯片结温135时关断输出级）； 关断/自动重启动电路（当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。当故障已排除，就自动重新启动电源恢复工作）； 高压电流源（提供偏流用）。,TOP224Y的基本工作原理是利用反馈电流 来调节占空比，达到稳压目的。如当输出电压VO减小时，经过光耦反馈电路使得 降低，增大， VO升高，最终使保持不变。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,设计实例 图2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+15V DC，功率为20W。,由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主
7、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、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路及反馈电路5部分。根据设计要求，按5个部分分别进行说明。,图2 TOP224Y单片电源电路图,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2 设计实例 2.1 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、电容稳压三部分。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 、 为0.1F/250V；去除共模干扰的 、 为10nF；滤波线圈 为1033mH,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
8、。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。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2 设计实例 2.1 输入整流滤波电路设计本设计中,选择800V/3A的整流桥，或选用四个IN4007作整流二极管构成整流桥。在当前的供电条件下，电容 的值可根据输出功率按照1F /W来取值，再考虑余量后，取 =22F/400V。交流电压输入范围为187V253V，即 =187v, =253v 假设整流桥中二极管导通时间为 =3ms，可由下两式可得输入直流电压最小值和最大值为：式中 系统效率，可选择80%；交流电网频率；电源输出功率。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2 设
9、计实例 2.2 变压器设计 1）选磁芯 为满足TOP224Y芯片100kHz的工作频率，选用锰锌铁氧体材料的磁芯。通常，输出功率和磁芯截面积有下面的经验公式：式中 变压器磁芯的有效截面积（cm2）；电源的输出功率（w）；变压器的效率，一般取85%。根据经验公式的计算，选择EI-28铁氧体磁芯，其有效截面积大于 的计算值。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2）计算最大占空比,式中:,一次级反射到初级的反射电压，取135V；,MOSFET的漏源极通态电压，取10V。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,3）计算变压器的初级自感,式中:,开关频率，取100 kHz；,电源效率
10、，可取80%。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,4）计算初、次级绕组匝数 对于AC220V固定输入，次级绕组应取0.6匝/V，输出电压 =15V，故求得次级绕组匝数为： 匝（取整后） 初级绕组匝数为： 匝（取整后） 反馈绕组匝数为： 匝（取整后）,初级反射电压；取135V；,反馈电压，取为10.4V。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,5）计算气隙长度,式中：,气隙长度(mm),常数，410-7H/m,磁芯截面积(mm2),这里应注意：如果在中心柱开气隙，则高度为Lg；为了达到同样效果且简单易行，在两个外柱上应各垫1/2Lg高度的绝缘垫片。,一、一种基于TOP224Y
11、的单片开关电源设计,6）确定导线线径在100kHz开关频率下，铜导线的穿透深度是0.21mm，故所选导线的直径要小于0.42mm。通过计算各绕组的平均电流（IAVG）、峰值电流（IP）、均方根电流（IRMS）可确定出所用导线的线径。本设计中初级绕组和反馈绕组用线径0.31mm的导线单股绕，次级绕组用线径为0.35mm的导线双股并绕。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2.3 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MO
12、SFET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2中VD1和VD2构成的箝位电路可防止高压对TOP224Y的损坏，VD1与VD2的选择由反射电压决定 。一般 取135V，VD1箝位电压可由经验公式 得出，VD2的耐压值应大于最大直流输入电压。 本设计中VD1采用反向击穿电压为200V的TVS(瞬态电压抑制器) P6KE200，VD2采用反向耐压为600V的超快恢复二极管BYV26C。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2.4 输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。选用肖特基二极管作为整流二极管可以降低正向导通损耗,此外，在降低反向恢
13、复损耗以及消除输出电压中的纹波方面也有明显的性能优势。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 为 :式中: 次级绕组输出电压；输入交流电压最大值,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,本设计中整流二极管选用MUR420,其反向电压值VR=200V,工作电流ID=4A，满足设计要求。 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。当电容两端电压小于35V时，ESR只与电容的体积有关,本设计选择细高型的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
14、而过，其直流电阻非常小，一般为。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,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2.5反馈回路的设计本设计采用外部误差放大器TL431加精密光耦PC817A构成反馈回路，可使电压调整率达到0.2%左右。电路利用输出电压与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TOPSwitch的,从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。流入TOPSwitch控制脚C的电流与占空比D成反比关系，如图所示,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,为使PWM线性调节，控制脚电流 应在26mA
15、之间，而 是受光耦二极管电流 控制的，由于PC817A是线性光耦，二极管正向电流 在3mA左右时，三极管的集射电流 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二极管正向电流 为3mA。 从TL431的技术参数可知，阴极工作电压 的允许范围为2.537V，阴极工作电流 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。,2.5反馈回路的设计,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,2.5反馈回路的设计 对于图2所示电路中的反馈部分，主要是确定R2、R3、R4和R5的值。根据TL431的特性知，VO、VREF、R4和R5之间存在以下
16、关系:,式中: TL431参考端电压，为2.5V； 输出电压 先取R5=10K,由上式得R4=50K由图电路知,为光耦二极管正向压降，由PC817手册知，典型值为1.2V。 取R2 470，由上式得R3 153 设计的实际取值为： R2 470， R3 150， R4 50K， R5 10K。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,3 实验结果及分析 按照以上分析得到的参数设计了一款基于TOP224Y的反激式开关电源，电路原理图如图2，图4为整流滤波后电压为290V时输出电压VO的实测波形。实验结果表明，该电源在满载状态时，最大占空比为0.39, 电源效率为87%。,一、一种基于TOP224Y的单片开关电源设计,4 结束语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、设计周期长的弊端，有力地促进了开关电源的高效化、模块化、小型化和轻量化。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，并且产品作为辅助电源应用于某项目中，取得了很好的效果,
