開關電源畢業設計---基于top225y開關電源的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電，這一電流使電感L 中的儲能增加。當開關管 VT1 截止時，電感 L 感應出左負右正的電壓，經負載 RL 和續流二極管 VD1 釋放電感 L 中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電 路輸出直流電壓的高低由加在 VT1 基極上的脈沖寬度確定。 圖 25 降壓式開關電源 升壓式開關電源的穩壓電路如圖 26 所示。當開關管 VT1 導通時，電感 L 儲存能量。當開關管 VT1 截止時，電感 L 感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經二極管 VD1 向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。 畢業設計（論文） 10 圖 26 升壓式開關電源 反轉式開關電源的典型電路如圖 27 所示 。 這種電路又稱為升降壓式開關電源 ， 無論開關管 VT1 之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端 的穩定電壓，電路均能正常工作。當開關管 VT1 導通時，電感 L 儲存能量，二極管 VD1 截止，負載 RL 靠電容 C 上次的充電電荷供電。當開關管 VT1 截止時，電感 L 中的電流繼續流通 ， 并感應出上負下正的電壓 ， 經二極管VD1 向負載供電 ， 同時給電容 C 充電。降壓式 、 升壓式 、 反轉式開關電源的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒有絕緣隔離，統稱為斬波型直流變換器。 圖 27 反轉式開關電源 開關電源的基本組成和原理 畢業設計（論文） 11 流濾波電路、功率轉換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及控制電路部分組成。其中， 控制電路 又包括 取樣器、 基準電壓、 比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路 組成 。 開關穩壓電源的電路原理框圖如圖 28 所示 ： 圖 28 開關電源 的 原理 框圖 首先， 交流電經 輸入部分 整流電路 和 濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電 。然后， 該 直流 電 又 通過功率轉換電路進人高頻變壓 器被轉換成所需 的 電壓值 ， 最后再將這個電壓經 輸出部分 整流濾波 電路的整流、濾波后 變為所需要的直流電 供給用電設備。這中間，電源的穩壓是靠 反饋控制電路 （ 控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例，以達 到電壓 的 穩定輸出 ）來實現的。即 :輸出電流經 取樣器 送至 比較器 ，使之與基準電壓電路中的電流相比較，然后由 脈寬調制 電路根據比較結果來進行脈寬調制，從而控制功率轉換電路中相應功率輸出的大小，最后實現輸出電壓的穩定。目前， 這部分電路目前己集成化，制成了各種開關電源 的專用集成電路。 PWM 的基本工作原理 開關電源有兩種基本形式：一種是脈沖寬度調制（ PWM）其特點是固輸入整流濾波 功率轉換電路 高頻變壓器 輸出整流濾波 取樣器 比較器 脈寬調 制 振蕩器 基準電壓 DC AC 畢業設計（論文） 12 定開關的頻率。通過改變脈沖寬度來調節占空比（ D）；另一種是脈沖頻率調制 PFM，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關頻率的方法來調節占空比。二者的電路不同單 作用效果相同，均可達到穩壓之目的，都屬于時間比率控制方式 TRC。 脈寬調制式開關電源的工作原理 : 交流 220V 輸入電壓經過整流濾波電路變成直流電壓，在由開關功率管斬波和高頻電壓器降壓，得到高頻矩形波電壓，經整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓，脈寬調制器是這類開關電源的核心，它能產生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動符號，控制開關功率管的通斷狀態，來調節輸出電壓的高低達到穩壓目的，鋸齒波發生器用于提供穩定的時鐘頻率信號。利用誤差放大器和 PWM 比較器形成閉環調壓系統，加入由于某種原因是Vo 升高時脈寬調制器就改變驅動信 號的脈沖寬度，亦即改變占空比（ D），使斬波后的平均值電壓下降，導致 Vo 降低，反之亦然。 脈沖頻率調制式開關電源則是用固定脈寬發生電路代替 PWM 中的鋸齒波發生器，并且利用壓控振蕩器來完成 v/f 轉換。其穩壓原理是：當 Vo升高時，遙控制器輸出驅動信號的脈沖寬度入變窄而周期變短，使得占空比 D 下降。 Vo 降低，反之亦然。 見圖 29： 畢業設計（論文） 13 圖 29 脈寬調制式開關電源的工作原理 TOP SwitchⅡ系列及其工作原理 美國功率集成公司（ PI 公司 ） 在 1994 年推出第一代 TOP Switch 芯片，1997 年，美國功率集成公司又推出了 TOP SwitchⅡ系列器件。 TOP SwitchⅡ系列器件和 TOP Switch 系列器件相比，內電路作了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。與 TOP Switch 系列 器件相比， TOP SwitchⅡ系列器件在輸入電壓為 100V、 115V 或 230VAC 時，系統功率從（ 0～ 100）W 提高到（ 0～ 150） W，在三種電壓下均可工作時，系統的功率從（ 0～50） W 提高到（ 0～ 90） W，從而使得 TOP SwitchⅡ器件可在如電視、監視器以及音頻放大器等許多新的應用范圍內使用。 畢業設計（論文） 14 TOP Switch 主要用于 AC/DC 轉換器，具有體積小，重量輕，寬輸入范圍（ 85V265V），提供了 PI Expert 專家系統設計軟件，便于用戶更快地設計出自已的產品。 采用 TOP Switch 器件的 開關電源與采用分立的 MOSFET 功率開關及PWM 集成控制器的開關電源相比，具有以下特點： 成本低廉。使用 TOP Switch 器件，比用其他開關電源節省很多個 元器件，從而使產品的大小和重量減少； TOP Switch 因采用了源極調節板和可控的 MOSFET 通態驅動，故電磁干擾 (EMI)和 EMI 濾波器的成本可明顯降低； 系統效率高。 TOP Switch 系采用 CMOS 工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電 流傳感電阻和初始起動偏壓電流的電路均可除去，系統效率大大提高。特別是 TOP Switch 器件專門針對反激式功率變換電路進行了優化，使最大值占空比可達 70%， TOP100～ TOP104， TOP200～ TOP204/TOP214 的效率可達 90%，TOP209/TOP210 的效率也可超過 80%；電源設計簡化。 TOP Switch 芯片是一個自偏置、自保護的電流 占空比線性控制轉換器。通常在控制極和源極之間，緊靠其管腳，并聯一個外部旁路電容。 電源 啟動時，連接在漏極和源極之間的內部高壓電流源向控制極充電，在 RE兩端產生壓降，經 RC 濾波后，輸入到 PWM 比較器的同相端，與振蕩器產生的鋸齒波電壓相比較，產生脈寬調制信號并驅動 MOSFET 管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現 電路 的軟啟動。當控制極電壓 Uc達到 時，內部高壓電流源關閉，此時由反饋控制電流向 Uc 供電。在正常工作階段，由外界 電路 構成電壓負反饋控制環，調節輸出級 MOSFET的占空比以實現穩壓。當輸出電壓升高時， Uc 升高，采樣電阻 RE 上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關電源的電壓減小。當控制極電壓低于 時， MOSFET 管關閉，控制 電路 處于小電流等待狀態，內部高壓電流源重新接通并向 Uc 充電，其關斷 /自動復位滯回比較器可使 Uc 保持在 ~ 之間。自動重啟 電路 具有一個八分頻計數器，可以阻止輸出級 MOSFET 再次導通，直到八個畢業設計（論文） 15 放電 充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控制在５ %左右可有效地限制芯片的功耗。自動重啟動 電路 一直工作到 Uc 進入受控狀態為止 。 該電源的穩壓原理簡述如下：高頻變壓器初級繞組 NP 的極性與次級繞組 NS、反饋繞組 NF 的極性相反。在 TOPSwitch 導通時，次級整流管VD2 截止，此時電能以磁能量形式存儲在初級繞組中；當 TOPSwitch 截止時， VD2 導通，能量傳輸給次級。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲、隔離輸出和電壓變換這三大功能。圖中， BR 為整流橋， CIN 為輸入端濾波電容， COUT 是輸出端濾波電容。交流電壓經過整流濾波后得到直流高壓，經初級繞組加至 TOPSwitch 的漏極上。在功率 MOSFET 關斷瞬間，高頻變壓器漏感會產生尖峰電壓，另外在 初級繞組上還會產生感應電壓 (即反向電動勢 )UOR，兩者疊加至內部功率開關管 MOSFET 的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護電路。鉗位電路由瞬態電壓抑制器或穩壓管 VDZ1 和超快恢復二極管 VD1 組成 。 當 MOSFET 導通時，變壓器的初級極性上端為正，下端為負，從而導致 VD1 截止，因而鉗位電路不起作用。在 MOSFET截止瞬間，初級極性則變為上負下正，此時尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。 反饋繞組電壓經過 VD CF 整流濾波后獲得反饋電壓 UF， 經光耦合器中的光敏三極管給 TOPSwitch 的控制端提供偏壓。 CI 是控制端 C 的 旁路電容。輸出電壓 Uo 通過電阻 R R2 分壓，與 TL431 中的 基準電壓進行比較后輸出誤差電壓 ， 然后通過光耦去改變控制端電流 。 TOPSwitch的占空比 D 與 IC（控制電流） 成反比， 是通過調節 D 來穩定輸出電壓的。比如： 當某種原因使 Uo 減小， 將 導致 UF 減小， Ic 減小，進而 D 增大 ，又使 Uo 增大， 最終使輸出電壓趨于穩定 ， 反之 亦然。 由此可見 ， 反饋電路正是通過調節 TOPSwitch 的占空比 實現穩壓的 。 畢業設計（論文） 16 第 3 章 基于 TOP225Y 開關電源的設計 設計流程圖 開始 生產準備 設計指標 根據常規的設計要求選擇一種拓撲結構 設計變壓器導線規格 確定半導體器件的型號 設計輸出電壓選擇整流器與濾波電容 設計驅動電路 選擇控制方式和控制 IC 設計基本功能 設計電壓反饋和交叉調整電路 設計啟動電路和 Vcc 電路 根據要求設計過電壓過電流和緊急保護電路 設計接口電路和功能 設計需要的散熱器和熱轉移方面的考慮 考慮 PCB 布置和結構 測試所有功能 對設計進行修改 在測試室進行測試 選用何種拓撲結構？ 黑箱計算 變壓器設計 輸出濾波器和整流器 功率開關和驅動電路設計 控制器設計 輸出反饋設計 啟動電路設計 保護電路設計 高層功能設計 熱分析和設計 實驗電路和結構設計 測試與設計結果區別 優化設計 EMI/RMI 測試 畢業設計（論文） 17 在本設計中，由于采用了 TOP Switch 智能芯片，其本身集成了 保護電路、關斷 電路、 自動重 啟 電路等 。所以，在設計時可以省去上面的幾個環節，只需對其進行好選型。 技術指標和性能要求