小功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)小功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘 要 隨著電子設(shè)備的飛躍發(fā)展，電子系統(tǒng)的心臟電源也得到了迅速的發(fā)展，并對(duì)其要求越來(lái)越高。開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它具有穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它在開(kāi)關(guān)管上較少的能量損耗，使它與線(xiàn)性電源相比具有較高的效率，最高效率可達(dá)90以上，從而使它在移動(dòng)便攜式設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，因此開(kāi)展開(kāi)關(guān)電源項(xiàng)目研究具有重要意義。目前開(kāi)關(guān)電源正向集成化、智能化的方向發(fā)展。高度集成、功能強(qiáng)大的單片開(kāi)關(guān)電源代表著當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的主流方向。本論文圍繞當(dāng)前流行的單片開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行了小功率開(kāi)關(guān)電源的研究，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的單路輸出精密通用式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，可用作半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源中的精密電壓源。該設(shè)計(jì)由五個(gè)模塊電路構(gòu)成：輸入整流濾波、功率轉(zhuǎn)換電路、高頻變換器、輸出整流濾波和控制電路。該電源共使用3片集成線(xiàn)路：TOP249Y6端單片開(kāi)關(guān)電源（IC1）、線(xiàn)性光耦合器PC817A(IC2)、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431(IC3)。本論文中對(duì)該電源的濾波、整流、反饋、啟動(dòng)及保護(hù)電路等分別作了細(xì)致的研究工作，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)取得了高頻變壓器設(shè)計(jì)寶貴經(jīng)驗(yàn)，掌握了單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)電源，脈寬調(diào)制，高頻變壓器，紋波42 The Design of Low Power Switching Power Supply AbstractWith the rapid development of electronic equipment, electronic system of the heart -the power has been rapid development and its increasingly high demand. Known as energy efficient switching power supply, it has wide voltage range, power density than large, light weight, etc., while it is switch it on less energy consumption compared with the linear power supply with high efficiency, maximum efficiency of more than 90%, making it portable devices in mobile has been widely used to carry out switching power supply projects therefore important to study. Toward the present switching power supply is integrated, intelligent direction; highly integrated, powerful single rose on the power of todays switching power supply represents the mainstream of development direction. This paper focus on the popular single-chip switching power supply chip for a small switching power supply of the study, design a practical single-output precision universal regulated switching power supply, laser diode driver can be used in the precision voltage source. The design consists of five modules circuits: input rectifier filter, power conversion circuits, high frequency converters, output rectifier filter and control circuit. The power of integrated circuits using 3: TOP249Y6 end chip switching power supply (IC1); linear opt coupler PC817A (IC2); adjustable precision shunt regulator TL431 (IC3). The power supply filtering, rectification, feedback, starting and protection circuits were made by careful research and through trial and obtained valuable experience in designing high-frequency transformer; single-chip switching power supply design mastered the core technology. Key words: single-chip switching power supply，PWM，high frequency transformer， ripple目 錄第1章 前言11.1 引言11.2 單片開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史11.3 單片開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)和新技術(shù)21.3.1 “綠色節(jié)能”型開(kāi)關(guān)電源31.3.2 模塊化的開(kāi)關(guān)電源31.3.3 高頻化的開(kāi)關(guān)電源41.3.4 智能數(shù)字化的單片開(kāi)關(guān)電源41.4 開(kāi)關(guān)電源的工作原理和電路基本分類(lèi)41.4.1 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理41.4.2 開(kāi)關(guān)電源電路的基本分類(lèi)51.5 本論文設(shè)計(jì)的意義及內(nèi)容81.5.1設(shè)計(jì)意義81.5.2 設(shè)計(jì)要求8第2章 單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理和分類(lèi)92.1 單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理92.2.1 單片開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理92.1.2 單片開(kāi)關(guān)電源的工作模式102.1.3 單片開(kāi)關(guān)電源的基本反饋電路102.2 單片開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)及主要特點(diǎn)112.3 單片開(kāi)關(guān)電源芯片的性能特點(diǎn)122.4 TOP249Y的工作原理與應(yīng)用132.4.1 TOP249Y的管腳功能132.4.2 TOP249Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)14第3章 方案原理與論證153.1 整流濾波電路153.2 高頻變壓器153.3 開(kāi)關(guān)電源的選用153.3.1 輸出電流的選擇163.3.2 保護(hù)電路163.4 電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)功率器件163.4.1 開(kāi)關(guān)管163.4.2 磁性元件173.4.3 磁集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用17第4章 小功率開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)194.1 輸入整流濾波電路204.2 箝位保護(hù)電路214.3 高頻變壓器224.3.1單片開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)計(jì)算224.3.2 高頻變壓器繞制設(shè)計(jì)的要點(diǎn)的注意事項(xiàng)254.4 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)264.5 反饋回路的設(shè)計(jì)26第5章 開(kāi)關(guān)電源電子設(shè)備的電磁兼容295.1 電磁干擾的來(lái)源295.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本原理305.2.1 接地設(shè)計(jì)305.2.2 濾波設(shè)計(jì)305.2.3 屏蔽設(shè)計(jì)31第6章 測(cè)試結(jié)果與分析326.1 MATLAB的簡(jiǎn)介326.2 基于Simulink的電路仿真32第7章 總結(jié)與展望367.1 總結(jié)367.2 展望36參考文獻(xiàn)37致 謝38第1章 前言1.1 引言隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善, 開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用, 以往開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問(wèn)題。美國(guó)功率集成公司( POWER Integration Inc) 開(kāi)發(fā)的TOP Switch 系列新型智能高頻開(kāi)電源集成芯片解決了這些問(wèn)題,該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)管、PWM控制電路及保護(hù)電路等集成在一起, 從而提高了電源的效率,簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),使開(kāi)關(guān)電源發(fā)展到一個(gè)新的時(shí)代。文中介紹了一種用TOP Switch 的第三代產(chǎn)品TOP249Y開(kāi)發(fā)變頻器用多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。1.2 單片開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn),在許多領(lǐng)域正日益取代線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源不僅實(shí)現(xiàn)了控制電路的集成,而且向單片開(kāi)關(guān)電源集成的方向發(fā)展。早在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的單片開(kāi)關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。開(kāi)關(guān)電源SPS被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著當(dāng)今穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。開(kāi)關(guān)電源SPS亦稱(chēng)無(wú)工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變化及電網(wǎng)隔離的。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部核心器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它所消耗的能量很低，電源效率可達(dá)8590，因此，開(kāi)關(guān)電源的效率較線(xiàn)性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開(kāi)關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。早期產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率很低，成本昂貴，僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)過(guò)晶閘管相位控制式開(kāi)關(guān)電源，70年代由分立元件制成的各種開(kāi)關(guān)電源，均因效率不高、開(kāi)關(guān)頻率低、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy等原因使之難以推廣應(yīng)用。自70年代后期以來(lái)，隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用芯片大量問(wèn)世，才使開(kāi)關(guān)電源獲得新生。目前開(kāi)關(guān)頻率已20kHz左右提高到幾百千赫茲至幾兆赫茲。與此同時(shí)，新電磁材料、新變換技術(shù)、新型電子元器件、新控制理論及新的軟件不斷的出現(xiàn)并應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源，使開(kāi)關(guān)電源具備了頻率高、效率高、功率密度高、功率因數(shù)高、可靠性高等特點(diǎn)，從而使當(dāng)今的開(kāi)關(guān)電源得到了極為迅猛的發(fā)展。單片開(kāi)關(guān)電源芯片的集成度高，外圍電路簡(jiǎn)單，通過(guò)輸入整流濾波器，適配85265V、47440Hz的交流電，可構(gòu)成世界通用的各種開(kāi)關(guān)電源或電源模塊。它在價(jià)格上完全可以和同等功率的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源相競(jìng)爭(zhēng)，而電源效率顯著提高，體積和重量大為減小。單片開(kāi)關(guān)電源自問(wèn)世以來(lái)，便顯示出強(qiáng)大的生命力，并以其優(yōu)良特性迅速發(fā)展與應(yīng)用。目前，它己成為開(kāi)發(fā)國(guó)際通用的高效率中、小功率開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)選，也為新型開(kāi)關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件。近20多年來(lái)，集成開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向有兩個(gè)：第一個(gè)方向是對(duì)開(kāi)關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977年國(guó)外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成電路，美國(guó)Motorola公司、公司等相繼推出一批PWM芯片，其典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524和UC3842。90年代以來(lái)，國(guó)外又研制出開(kāi)關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調(diào)制)芯片，典型產(chǎn)品如UCl825、UCl864；第二個(gè)方向則是對(duì)中、小功率開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。目前，單片開(kāi)關(guān)電源已形成了幾十個(gè)系列、數(shù)百種產(chǎn)品。1994年，美國(guó)電源集成公司(Power Integrations，簡(jiǎn)稱(chēng)PI)在世界上率先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開(kāi)關(guān)電源，它屬于ACDC電源變換器，其第一代產(chǎn)品為1994年問(wèn)世的系列：第二代產(chǎn)品是1997年問(wèn)世的-II系列；第三代和第四代產(chǎn)品是在2000-2002年先后推出的FX、-GX系列單片開(kāi)關(guān)電源，這種電源最大輸出功率可達(dá)290W。此外，該公司于2006、2007年新推出了系列、-PK系列峰值功率輸出型單片開(kāi)關(guān)電源集成電路。荷蘭飛利浦(Philips)公司于2000年研制成功TEAl510、TEAl520系列單片開(kāi)關(guān)電源，其中TEAl524的最大輸出功率為50W。該公司還開(kāi)發(fā)出TEAl50l、TEAl504，TEAl562、TEAl563、TEAl564、TEAl565、TEAl566和TEAl569等型號(hào)的單片開(kāi)關(guān)電源，最大輸出功率可達(dá)125W。美國(guó)安森美半導(dǎo)體公司在19982001年期間，也相繼開(kāi)發(fā)出NCPl000、NCPl050系列單片開(kāi)關(guān)電源，最大輸出功率為40W，可廣泛用于家用電器的輔助電源、便攜式電池充電器、調(diào)制解調(diào)器和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的備用電源。1.3 單片開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)和新技術(shù)單片開(kāi)關(guān)電源自20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世以來(lái)便顯示出強(qiáng)大的生命力，它作為一項(xiàng)頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。單片開(kāi)關(guān)電源具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，現(xiàn)己成為開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源及開(kāi)關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前，單片開(kāi)關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄、節(jié)能、環(huán)保、安全的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出許多單片開(kāi)關(guān)電源的新技術(shù)和新產(chǎn)品。1.3.1 “綠色節(jié)能”型開(kāi)關(guān)電源許多電子設(shè)備，往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源。向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的綠色化是指：低功耗、節(jié)能型單片開(kāi)關(guān)電源集成電路。這意味著發(fā)電容量的節(jié)約和環(huán)境污染的減少?，F(xiàn)代電子技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電子器件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn)，現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下，由于功率器件性能的限制而使開(kāi)關(guān)電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對(duì)開(kāi)關(guān)電源性能的影響減至最小，新型的單片開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù)，可使功率開(kāi)關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開(kāi)關(guān)電源工作效率，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的集成開(kāi)關(guān)電源。1.3.2 模塊化的開(kāi)關(guān)電源模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見(jiàn)的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開(kāi)關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。由于頻率的不斷提高,致使引線(xiàn)寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺)。另外,大功率的開(kāi)關(guān)電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。為了提高設(shè)計(jì)的可靠性,有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶(hù)專(zhuān)用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線(xiàn)連接,這樣的模塊經(jīng)過(guò)嚴(yán)格、合理的熱、電、 機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類(lèi)似于微電子中的用戶(hù)專(zhuān)用集成電路。只要把控制軟件寫(xiě)入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開(kāi)關(guān)電源裝置。由此可見(jiàn),開(kāi)關(guān)電源模塊化有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）分布式供電具有節(jié)能、高效經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 （2）適用于低損耗、超高速型集成電路低電壓電源的供電要求。 （3）當(dāng)需要大功率輸出時(shí)，可用小功率模塊及控制集成電路做基本部件，組成積木式智能化大功率供電電源，其優(yōu)點(diǎn)是減輕了對(duì)大功率元器件的研制壓力。1.3.3 高頻化的開(kāi)關(guān)電源高頻化是縮小電源體積、減輕重量、提高功率密度的重要技術(shù)途徑。高頻化還可以使開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DCDC變換器的開(kāi)關(guān)頻率將由目前的200300kHz提高到1MHz以上。功率密度也將由每立方英寸50瓦提高到100瓦以上。因此功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。1.3.4 智能數(shù)字化的單片開(kāi)關(guān)電源近年來(lái)高性能的微處理器MCU(Micro Computer Unit)及數(shù)字信號(hào)處理DSP控制器的出現(xiàn)，使開(kāi)關(guān)電源的全數(shù)字智能控制成為現(xiàn)實(shí)。數(shù)字智能控制的功率因數(shù)校正電源(PFC)、不問(wèn)斷電源(UPS)、有源濾波器(APF)己研究成功。目前國(guó)內(nèi)也己經(jīng)有了不少數(shù)字化控制電源的研究成果，如通訊電源、電站直流操作電源、UPS電源的電池充放電管理等。1.4 開(kāi)關(guān)電源的工作原理和電路基本分類(lèi)1.4.1 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理開(kāi)關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。它們的功能是：輸入電網(wǎng)濾波器：消除來(lái)自電網(wǎng)，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電器的開(kāi)關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。 輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。 變換器：是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。 輸出整流濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。 控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 保護(hù)電路：當(dāng)開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流短路時(shí)，保護(hù)電路使開(kāi)關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種。在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理如圖1.1所示。 圖1.1 調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理圖 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖1.2所示。交流電（AC）經(jīng)整流濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓通過(guò)功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)問(wèn)比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 圖1.2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖1.4.2 開(kāi)關(guān)電源電路的基本分類(lèi)根據(jù)開(kāi)關(guān)器件在電路中連接的方式，開(kāi)關(guān)電源可分為：串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、變壓器式開(kāi)關(guān)電源等三大類(lèi)。其中，變壓器式開(kāi)關(guān)電源還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種。 （1）單端正激式開(kāi)關(guān)電源所謂正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈正好有功率輸出。如圖1.3所示。 圖1.3 單端正激式開(kāi)關(guān)電源正激式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動(dòng)。但是正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源正激式開(kāi)關(guān)電源有一個(gè)最大的缺點(diǎn)，就是在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間開(kāi)關(guān)電源變壓器的初、次線(xiàn)圈繞組都會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是由流過(guò)變壓器初線(xiàn)圈繞組的勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的，極易對(duì)電路和元器件造成危害電路，另外它的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，體積也較大，因此這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。 （2）單端反激式開(kāi)關(guān)電源 所謂反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開(kāi)關(guān)電源稱(chēng)為反激式開(kāi)關(guān)電源。 如圖1.4所示。單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路簡(jiǎn)單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，可通過(guò)改變高頻變壓器的原、副邊繞組匝比使占空比保持在最佳范圍內(nèi)，且有較好的電壓調(diào)整率。其輸出功率為20100W。它也有其一定的缺點(diǎn)，如開(kāi)關(guān)管截止期問(wèn)所受反向電壓較高，導(dǎo)通期間流過(guò)開(kāi)關(guān)管的峰值電流較大。但這可以通過(guò)選用高耐壓、大電流的高速功率器件，在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決。 圖1.4 單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路（3）單激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所謂單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，是指開(kāi)關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈只被直流電壓激勵(lì)一次。一般單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，只有半個(gè)周期向負(fù)載提供功率（或電壓）輸出。如圖1.5所示。圖1.5 單激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是變壓器的體積比雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因?yàn)閱渭な介_(kāi)關(guān)電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線(xiàn)的單端，磁回路曲線(xiàn)變化的面積很小。（4）雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源所謂雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，就是指在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈分別被直流電壓正、反激勵(lì)兩次。與單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源不同，雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源一般在整個(gè)工作周期之內(nèi)，都向負(fù)載提供功率輸出。如圖1.6所示。雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出功率一般都很大，因此，雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源在一些中、大型電子設(shè)備中應(yīng)用很廣泛。這種大功率雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源最大輸出功率可以達(dá)300瓦以上，甚至可以超過(guò)1000瓦。圖1.6 雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源1.5 本論文設(shè)計(jì)的意義及內(nèi)容1.5.1設(shè)計(jì)意義隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善, 開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用, 以往開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問(wèn)題。美國(guó)功率集成公司( POWER Integration Inc) 開(kāi)發(fā)的TOP Switch 系列新型智能高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片解決了這些問(wèn)題,該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)管、PWM控制電路及保護(hù)電路等集成在一起, 從而提高了電源的效率,簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),使開(kāi)關(guān)電源發(fā)展到一個(gè)新的時(shí)代。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾、模塊化、輕量和高效率等特點(diǎn)被譽(yù)為高效節(jié)能電源，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源正向著集成化、智能化的方向發(fā)展。本論文主要圍繞當(dāng)前流行的單片集成開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行了小功率開(kāi)關(guān)電源特性的研究。主要采用六端單片開(kāi)關(guān)電源芯片TOP249Y作為核心為前級(jí)穩(wěn)壓器，以最大程度提高電源電源效率，設(shè)計(jì)了一種單路輸出通用型精密開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。該電源可用作半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源中的精密電壓源等。1.5.2 設(shè)計(jì)要求 (1) 范圍：Uo=19V； (2) 最大輸出電流=4A； (3) 額定輸出功率Po=70W； (4) 負(fù)載調(diào)整率S=4%； (5) 輸出紋波電壓峰-峰值120mV； (6)電源的效率T85%（=85V時(shí)，T=85%，=230時(shí)，T90%）。第2章 單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理和分類(lèi)2.1 單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理2.2.1 單片開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理目前生產(chǎn)的單片開(kāi)關(guān)電源主要有、ii、tny256、mc33370和ex六大系列；此外，還有l(wèi)4960系列、l4970/l4970a系列單片開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，共八大系列，80 余種型號(hào)根據(jù)引出端的數(shù)量，可劃分成三端、四端、五端、多端4種類(lèi)型。下面以美國(guó)PI公司生產(chǎn)的系列的產(chǎn)品為例，介紹單片開(kāi)關(guān)電源的基本原理和典型應(yīng)用。系列單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖2.1所示。高頻變壓器在電路中具各能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換3大功能。由圖可見(jiàn)，高頻變壓器初級(jí)繞組的極性（同名端用黑點(diǎn)表示），恰好與次級(jí)繞組、反饋繞組的極性相反。這表明在導(dǎo)通時(shí)，電能就以磁場(chǎng)能量形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中，此 時(shí)VD2截止。當(dāng)截止時(shí)，VD2導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)，此即反激式開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)。圖中，BR為 整流橋,CIN為輸人端濾波電容。交流電壓u經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流高壓UI，經(jīng)過(guò)初級(jí)繞組加至的漏極上。鑒于在關(guān)斷時(shí)刻，由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì)疊加在直流高壓UI 和感應(yīng)電壓UOR上，可使功率開(kāi)關(guān)管的漏極電壓超過(guò)700v而損壞芯片，為此在初級(jí)繞組兩端必須增加漏極鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管（VDZ1）、阻尼二極管（VD1）組成，VD1宜采用超快恢復(fù)二極管（SRD）。VD2為次級(jí)整流管，COUT是輸出端濾波電容。圖2.1 單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用電路該電源的穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下：反饋繞組電壓經(jīng)過(guò)、整流濾波后獲得反饋電壓知，經(jīng)光耦和器中的光敏三極管給的控制端提供偏壓。是控制端C的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為，限流電阻兩端的壓降為，光耦和器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為，輸出電壓可表示為：=+。當(dāng)由于某種原因(如交流電壓升高或負(fù)載變輕)致使升高時(shí)，因不變，故就隨之升高，使LED的工作電流后增大，再通過(guò)光耦合器使的控制端電流增大。但因TOP的輸出占空比D與成反比，故D減小，這就迫使降低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之，D 同樣起到穩(wěn)壓作用。由此可見(jiàn)，反饋電路正是通過(guò)調(diào)節(jié)的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。2.1.2 單片開(kāi)關(guān)電源的工作模式開(kāi)關(guān)以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)接通時(shí)，輸入電源通過(guò)開(kāi)關(guān)和濾波電路提供給負(fù)載，在整個(gè)開(kāi)關(guān)接通期間，電源向負(fù)載提供能量；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，輸入電源便中斷了能量的提供。按時(shí)間比率控制原理，單片開(kāi)關(guān)電源可分三種工作方式： （1）脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation,縮寫(xiě)為PWM）：開(kāi)關(guān)的周期是恒定，只是通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變占空比。 （2）脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation,縮寫(xiě)為PFM）：開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通脈沖寬度為恒定值，改變開(kāi)關(guān)工作頻率使占空比變化。 （3）脈寬頻率混合調(diào)制：脈沖寬度和開(kāi)關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變，它是以上1、2二種方式的混合。2.1.3 單片開(kāi)關(guān)電源的基本反饋電路單片開(kāi)關(guān)電源的基本反饋電路有四種：（1）基本反饋電路；(2)改進(jìn)型基本反饋電路；(3)配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路；(4)配TL431的精密光耦反饋電路。它們的簡(jiǎn)化電路如圖2.2所示。(1)基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低廉、適于制作小功率、經(jīng)濟(jì)型開(kāi)關(guān)電源；其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率=152；負(fù)載調(diào)整率S=5。(2)改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一支穩(wěn)壓管和電阻，即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到2。的穩(wěn)定電壓一般為22V，需相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓，滿(mǎn)足電路的需要。(3)配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，由提供參考電壓，當(dāng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對(duì)進(jìn)行調(diào)整。(4)配TL431的精密光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來(lái)代替穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對(duì)作精細(xì)調(diào)整。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開(kāi)關(guān)電源，本論文采用配TL431的精密光耦反饋電路設(shè)計(jì)單片開(kāi)關(guān)電源電路。圖2.2 開(kāi)關(guān)電源的基本反饋電路2.2 單片開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)及主要特點(diǎn)目前生產(chǎn)的單片開(kāi)關(guān)電源主要有、II、TNY256、MC33370,top249y幾大系列。據(jù)引出端的數(shù)量，單片開(kāi)關(guān)電源可劃分成三端、四端、五端、多端共4種。 （1）TOPSwitch屬于三端單片開(kāi)關(guān)電源的第一代產(chǎn)品，它首PI公司次將PWM控制系統(tǒng)的全部功能集成在芯片中，三個(gè)弓l出端分別為控制端c、源極S、漏極D。能構(gòu)成60W以下無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源。TOP SwitchII是三端單片開(kāi)關(guān)電源的第二代產(chǎn)品，內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管的耐壓值均提高到700V。適宜構(gòu)成(1997年)150W以下的普通型和精密型開(kāi)關(guān)電源及電源。（2）TinySwitch屬于四端小功率、低成本單片開(kāi)關(guān)電源，比PI公司TOP Switch增加了使能端EN,利用此端可從外部關(guān)斷功率MOSFET，并以跳過(guò)時(shí)鐘周期的方式來(lái)調(diào)節(jié)煎載兩端的電壓，達(dá)到穩(wěn)壓目的。它用開(kāi)、關(guān)控制器來(lái)代替PWM調(diào)制器，并可等效為脈沖頻率調(diào)制器PFM。其外圍電路簡(jiǎn)單，適宜構(gòu)成10W以下的電池充電器、電源適配器和待機(jī)電源。（3）TOPSwitchFX屬于五端單片開(kāi)關(guān)電源，具有多功能、使用靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)。與II相比，主要增加了下述功能：從外部可設(shè)定極限電流值，線(xiàn)路欠壓檢測(cè)，過(guò)壓保護(hù)，頻率抖動(dòng)，半頻選擇遙控開(kāi)關(guān)。其性能優(yōu)于MC33370系列。適配晶體管和光耦和器對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行遙控。在構(gòu)成彩色噴墨打印機(jī)、撒光打印機(jī)、機(jī)頁(yè)盒電源時(shí)，能用微控制器來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的通、斷。2.3 單片開(kāi)關(guān)電源芯片的性能特點(diǎn)單片開(kāi)關(guān)電源芯片是美國(guó)PI公司于上世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片，它是三端離線(xiàn)式PWM開(kāi)關(guān)（Three Terminal 0ffLine PWM Switch）的縮寫(xiě)，被譽(yù)為“頂級(jí)開(kāi)關(guān)電源”。其特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的PWM控制器和 M0SFET功率開(kāi)關(guān)管集成在同一芯片上，這一產(chǎn)品問(wèn)世后，便顯示出了強(qiáng)大的生命力，被廣泛應(yīng)用于儀表測(cè)量器、顯示器、手機(jī)充電器、精密試驗(yàn)用電開(kāi)關(guān)等各種領(lǐng)域，形成了一種小功率、高效、輕巧、低成本開(kāi)關(guān)電源模式。同時(shí)因?yàn)槠浜?jiǎn)易的設(shè)計(jì)方法，使得芯片在應(yīng)用中更顯出超前的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用該芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源，具有效率高、體積小以及外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，應(yīng)用系列芯片所設(shè)計(jì)的單片開(kāi)關(guān)電源必將在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。本節(jié)以TOP227Y芯片為例，說(shuō)明單片開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)： （1）將脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離、反激式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化。（2）屬于漏極開(kāi)路輸出并利用電源來(lái)線(xiàn)性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)ACDC變換，電流控制型開(kāi)關(guān)電源。（3）輸入交流電壓和頻率的范圍很寬。（4）只有3個(gè)引出端。能以最簡(jiǎn)單方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開(kāi)關(guān)電源，其控制端屬于多功能引出端，可完成多種控制、偏置及保護(hù)功能，具有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式，反饋電路有4種基本類(lèi)型，能構(gòu)成各種普通型和精密型開(kāi)關(guān)電源。（5）開(kāi)關(guān)頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1767。（6）外圍電路簡(jiǎn)單，僅須接整流濾波器、高頻變壓器、漏極嵌位保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。（7）因芯片本身功耗很低，電源效率高，可達(dá)80左右，最高可達(dá)90。（8）若將它配以低壓差線(xiàn)性集成穩(wěn)壓器，則可構(gòu)成一種新型復(fù)合式開(kāi)關(guān)電源，既保留了開(kāi)關(guān)電源體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有線(xiàn)性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性好、紋波電壓低等優(yōu)良特性。（9）采用這種芯片能降低開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾。（10）其工作溫度范圍是070，芯片最高結(jié)溫Tom=135。2.4 TOP249Y的工作原理與應(yīng)用2.4.1 TOP249Y的管腳功能TOP249Y采用TO-220-7C封裝形式, 其外形如圖2.3所示。它有六個(gè)管腳,依次為控制端C、線(xiàn)路檢測(cè)端L、極限電源設(shè)定端X、源極S、開(kāi)關(guān)頻率選擇端F 和漏極D。各管腳的具體功能如下:控制端C: 誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí), 利用控制電流IC 的大小可調(diào)節(jié)占空比, 并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),利用該端可激發(fā)輸入電流,同時(shí)該端也是旁路、自動(dòng)重啟和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。線(xiàn)路檢測(cè)端L : 輸入電壓的欠壓與過(guò)壓檢測(cè)端,同時(shí)具有遠(yuǎn)程遙控功能。TOP249Y的欠壓電流為50A ,過(guò)壓電流為225A。若L 端與輸入端接入的電阻R1 為1M ,則欠壓保護(hù)值為50VDC ,過(guò)壓保護(hù)值為225VDC。極限電流設(shè)定端X:外部電流設(shè)定調(diào)整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻, 則開(kāi)關(guān)電流可限定在不同的數(shù)值,隨著接入電阻阻值的增大,開(kāi)關(guān)允許流過(guò)的電流將變小。源極S: 連接內(nèi)部MOSFET的源極, 是初級(jí)電路的公共點(diǎn)和電源回流基準(zhǔn)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)頻率選擇端F: 當(dāng)F 端接到源極時(shí),其開(kāi)關(guān)頻率為132kHz , 而當(dāng)F 端接到控制端時(shí), 其開(kāi)關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半,即66kHz。漏極D: 連接內(nèi)部MOSFET的漏極,在啟動(dòng)時(shí)可通過(guò)內(nèi)部高壓開(kāi)關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流。圖2.3 TOP249Y外形及管腳圖2.4.2 TOP249Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TOP249Y的內(nèi)部工作原理框圖如圖2.4 所示, 該電路主要由控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/ 誤差放大器、脈寬調(diào)制器( PWM) 、門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、關(guān)斷/自動(dòng)重起動(dòng)電路及高壓電流源等部分組成。圖2.4 TOP249Y 內(nèi)部功能框圖第3章 方案原理與論證3.1 整流濾波電路目前常用的整流電路有半波整流電路，全波整流電路和橋式整流電路。橋式整流電路如圖3.1。優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，整流管所承受的最大反向電壓較低，效率較高。輸出濾波電路采用大電容濾波。因此本設(shè)計(jì)電路采用橋式整流電路。圖3.1 橋式整流電路3.2 高頻變壓器脈沖變壓器也可稱(chēng)作開(kāi)關(guān)變壓器，或簡(jiǎn)單地稱(chēng)作高頻變壓器。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化、高頻化和大功率化已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究使用高頻率的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積、提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。隨著應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，但制作開(kāi)關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費(fèi)的精力就是制作開(kāi)關(guān)變壓器的部件。開(kāi)關(guān)高頻變壓器與普通變壓器的區(qū)別大致有以下幾點(diǎn)：（1）電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級(jí)繞組中電流都是非正弦波。（2）變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時(shí)必須考慮能滿(mǎn)足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。（3）繞組線(xiàn)路比較復(fù)雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級(jí)繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯窗口中的分布關(guān)系發(fā)生變化。本設(shè)計(jì)采用高頻變壓器設(shè)計(jì)電路。3.3 開(kāi)關(guān)電源的選用單片開(kāi)關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過(guò)，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線(xiàn)性電源相比具有較大的優(yōu)勢(shì)。單片開(kāi)關(guān)電源作為一種精密的電子集成器件，在選用中應(yīng)注意各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。3.3.1 輸出電流的選擇開(kāi)單片關(guān)電源的效率一般可達(dá)到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的單片開(kāi)關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為： = （式3.1） 式中：開(kāi)關(guān)電源的額定輸出電流； 用電設(shè)備的最大吸收電流； 裕量系數(shù)，一般取1.41.6。3.3.2 保護(hù)電路開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路的實(shí)質(zhì)是：當(dāng)外界發(fā)生各種破壞性因素，如負(fù)載打火，短路等現(xiàn)象時(shí)，保護(hù)電源本身不受損壞。另外，當(dāng)內(nèi)部電路由于個(gè)別器件性能變壞、或者控制失常而造成開(kāi)關(guān)電源不能正常工作時(shí)，如橋路中開(kāi)關(guān)管發(fā)生兩管共同導(dǎo)通時(shí)，能迅速的使開(kāi)關(guān)電路停止工作，以免引起整個(gè)電源災(zāi)難性的損壞。因此在單片關(guān)電源設(shè)計(jì)中必須具有短路、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)電路，應(yīng)使其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開(kāi)關(guān)電源。單片開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)電路可分成兩大類(lèi)。一是芯片內(nèi)部的保護(hù)電路，例如TOP249y系列中的過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、關(guān)斷自動(dòng)重啟動(dòng)電路、前沿閉鎖電路。二是外部保護(hù)電路，主要包括過(guò)流保護(hù)裝置(保險(xiǎn)管、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、熔斷電阻器)、啟動(dòng)限流保護(hù)電路、漏極鉗位保護(hù)電路、輸出過(guò)壓保護(hù)電路、輸入欠壓保護(hù)電路、軟啟動(dòng)電路等。3.4 電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)功率器件3.4.1 開(kāi)關(guān)管功率金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET) 是當(dāng)今電源中廣泛使用的開(kāi)關(guān)器件。功率 MOSFET 的工作頻率不斷提高，以減小器件尺寸和提高功率密度。這樣就會(huì)增加電流變化率 ()，增強(qiáng)了寄生電感的負(fù)面作用，導(dǎo)致功率 MOSFET 源極和漏極之間產(chǎn)生很高的電壓尖峰。這種尖峰電壓在器件上電時(shí)更為嚴(yán)重，因?yàn)樵谏想娝查g變壓器的初級(jí)電感幾乎達(dá)到漏感的水平，同時(shí)器件的體電容還未完成充電且電感較小。幸好功率 MOSFET 具有一定的抗過(guò)壓能力，因此無(wú)需外加成本高昂的保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)中的核心芯片top249y的內(nèi)部電路就是采用MOSFET關(guān)斷的。3.4.2 磁性元件磁性元件是開(kāi)關(guān)電源中的必備元件，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們逐漸認(rèn)識(shí)到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時(shí)其體積、重量、損耗在整機(jī)中也占相當(dāng)比例。但磁性元件自身的復(fù)雜性使得不能象一般的電子元器件那樣，在市面上直接可以選到成品，需要設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)和選材。這里所說(shuō)的磁性元件指繞組和磁心。繞組可以是一個(gè)或多個(gè)繞組。它是功率傳輸、電壓變換和絕緣隔離的元件，常作為變壓器或電感器使用。因此為減小磁化電流，最好是變壓器原邊繞組多些，電感量大些。3.4.3 磁集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用磁集成技術(shù)，就是將變換器中的兩個(gè)或多個(gè)分立磁件繞制在一副磁心上，從結(jié)構(gòu)上集中在一起。集中后的磁件被稱(chēng)為集成磁件。通過(guò)一定的耦合方式、合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，該技術(shù)能有效減小磁件體積和損耗，在一定的應(yīng)用場(chǎng)合還可減小電源輸出紋波、提高輸出動(dòng)態(tài)性能。另外，磁集成技術(shù)能減少連接端，可有效減少大電流場(chǎng)合連接端子的損耗。 由磁集成技術(shù)的概念可以看出，它并非像電力電子技術(shù)需要建立在功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)之上，而是基于對(duì)磁性元件的了解和應(yīng)用。事實(shí)上，磁集成技術(shù)的應(yīng)用已有70多年的歷史，比電力電子技術(shù)本身的發(fā)展歷史還長(zhǎng)。 1928年提出采用耦合電感濾波電路的專(zhuān)利申請(qǐng)，這就是最早的IM應(yīng)用電路。隨著對(duì)耦合電感研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到耦合電感可被用于多種變換器來(lái)減小電流脈動(dòng)。從20世紀(jì)的70年代到80年代中期，磁集成技術(shù)得到了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，出現(xiàn)了較多的磁集成技術(shù)的專(zhuān)利，其中以Slobodan、及Gordon Bloom等人的貢獻(xiàn)較為突出。在70年代末，Slobodan、將磁集成技術(shù)成功地應(yīng)用在變換器，引起人們對(duì)磁集成技術(shù)的關(guān)注。80年代后，Gordon Bloom較系統(tǒng)的總結(jié)和介紹磁集成技術(shù)的意義、發(fā)展及分析方法，明確指出用磁集成技術(shù)抑制電流紋波可應(yīng)用于多種變換器，并導(dǎo)出多種IM正激變換器和隔離的IM-Boost變換器。 20世紀(jì)80年代中，磁集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)雖然得到認(rèn)可，但除了被用于多路輸出電源外，在其他電源產(chǎn)品上的應(yīng)用非常有限，主要有以下幾個(gè)原因限制其應(yīng)用：設(shè)計(jì)比較復(fù)雜：與DM相比，IM的設(shè)計(jì)是多磁路設(shè)計(jì)，難度略大；IM的繞組結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作相對(duì)困難。用傳統(tǒng)的繞制方法，不僅會(huì)降低生產(chǎn)效率，而且不易保證磁件寄生參數(shù)的一致性，降低了IM的實(shí)用價(jià)值。 20世紀(jì)90年代以后，隨著扁平磁件應(yīng)用的推廣，磁件生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，IM的應(yīng)用變得相對(duì)容易；同時(shí)，電源的不斷發(fā)展也對(duì)其體積、輸出動(dòng)態(tài)性能、效率等提出了較高的要求，尤其是微處理器的飛速發(fā)展對(duì)新一代高功率密度電源提出了更大的挑戰(zhàn)，這些都促進(jìn)了磁集成技術(shù)的研究與應(yīng)用。1997年陳為將倍流整流電路(Current Double Rectifier, CDR)的兩個(gè)濾波電感和變壓器進(jìn)行集成，使IM在大電流輸出的場(chǎng)合具有了很好的應(yīng)用價(jià)值。這一研究使磁集成技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)。這段時(shí)期內(nèi)，磁集成的研究?jī)?nèi)容從具體電路中的應(yīng)用拓寬到IM的新的分析方法、仿真模型的研究。磁集成技術(shù)被應(yīng)用在多種場(chǎng)合，如電壓調(diào)整模塊(Voltage Regulation Module，VRM)、功率因數(shù)校正變換器、諧振變換器等，以減小磁件體積、電流紋波和鐵心損耗。 目前，磁集成技術(shù)的研究?jī)?nèi)容可分為兩大類(lèi)： 磁件等效電路建模方法。磁件等效電路建模方法為研究集成磁件對(duì)電路性能的影響提供分析工具。 具體應(yīng)用。主要解決如何結(jié)合具體電路發(fā)揮磁集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。第4章 小功率開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)利用TOP249Y設(shè)計(jì)了一種通用型單路輸出精密開(kāi)關(guān)電源, 其輸出為19V、3.6A（70W）。外圍電路可分為輸入整流濾波電路、箝位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出濾波電路及反饋電路五部分組成。如圖4.1所示。圖4.1 小功率開(kāi)關(guān)電源主電路主電路采用單端反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能，其主要技術(shù)指標(biāo)為： 額定輸出功率=70W；負(fù)載調(diào)整率為;電源效率（當(dāng)電源輸入U(xiǎn)=195V時(shí)，滿(mǎn)載效率可達(dá)85%；當(dāng)U=250V時(shí)，電源效率高達(dá)90%）；U=230V時(shí)的空載功率損耗；輸出波紋電壓（峰-峰值）。開(kāi)關(guān)電源的基本參數(shù)為：交流輸入電壓最小值：;交流輸入電壓最大值：；電網(wǎng)頻率:=50Hz;開(kāi)關(guān)頻率: =132kHz。4.1 輸入整流濾波電路 輸人整流濾波電路（如圖4.2）主要包括輸人交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。圖4.2 輸入整流濾波電路交流濾波主要是濾除交流輸人端的共模干擾和差模干擾,其中為安規(guī)電容是為了去除差模干擾, 為共模電感, 采取雙線(xiàn)并繞, 是為了去除共模干擾。本電路為2A、820。整流電路一般選用滿(mǎn)足電流閩值的整流橋。輸人濾波電容的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對(duì)于寬范圍輸人的開(kāi)關(guān)電源, 的容量可按比例系數(shù)科來(lái)選取固定輸人時(shí), 比例系數(shù)變成拌。此外, 輸人濾波電