反擊式開關電源

1、第十一章 緒論反擊式屬于開關電源的DC/DC變換器形式的一種，我們在研究反擊式開關電源的時候必須對開關電源有所認識。11.1 開關電源概述 11.1.1 開關電源的發(fā)展歷史通常在一般的情況下，發(fā)出電能的電源是不符合要求的，這就需要進行轉化，即把一種形態(tài)的電能轉化成另外一種形態(tài)的電能。這種電能形態(tài)的變換可以是交流電和直流電之間的變換以及其它，可以是交流電頻率、項數、幅值等的變換，也可以是電流幅值和電壓幅值之間的變換。比如變壓器、變頻器等一般我們所見的。在有些情況下，這種電能形態(tài)的轉換肯能僅僅是穩(wěn)定精度的提高或對其它性能的改進。輸入這種電源輸入也是電能，因此，許多輸入和輸出都是電源稱之為間接電源。

2、我們日?？匆姷碾娫淳褪且话汶娋W發(fā)出電能而供熱、取暖的電源，它們的發(fā)出有幾種形勢，即水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電新能源等，它們都屬于工頻交流電源。日常生活中接觸比較多的還有另外一種電源，即電化學電源。干電池、蓄電池就屬于，在人們的日常生活中雖然占的比例比較小，但是特別重要，和人們的日常生活密切相關。通過電池的充電，蓄電池和干電池獲得充電，但是它們放電的過程是由化學能直接轉變而來的，所以說它們?yōu)橹苯与娫磸膹V義上來講，開關電源就是電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)的電源。開關電源通常由5大部分組成：第一部分是輸入整流濾波電路，有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)，輸入的交流電先通過低值濾波去除不符合要求的波，再

3、通過全橋整流電路得到脈動直流電壓Vi。第二部分是功率變換電路，有電子開關和高壓變壓器等，在電子開關的傳導和高壓變壓器的變壓下，把直流電壓變換成受到控制的、符合設計要求高頻方波脈沖電壓以備后面的設計的需求。第三部分是輸出整流濾波電路，經過變換電路的高頻方波脈沖電壓經過整流濾波后變成直流電壓輸出，輸入電壓波動和輸出負載變化一起來控制了這種電壓。第四部分是控制電路，經過輸出整流濾波電路后的輸出電壓首先經過分壓、采樣后與電路的基準電壓進行比較、放大為控制信號，它調整調制脈沖寬窄還有頻率高低，最后使輸出電壓保持在一穩(wěn)定數值。第五部分是頻率震蕩發(fā)生器組成的電路，改變信號以及控制信號被它改變，以達到脈沖寬度

4、可調的目的。高頻可調導致了電源的變換，高頻可調在這里面占有重要的地位。早期的開關電源頻率只有幾千赫茲，隨著技術的不斷提高，開關頻率得以提高它最直接的讓開關電源的小型化、輕量化得以解決。隨著這些問題的產生，軟開關技術得以產生。這種技術很好的解決了電路中的一些問題，比如開關損耗和開關噪音等，使開關頻率得以大幅度的提高,使開關電源得以最好的應用。 11.1.2 開關電源分類（1） DC/DC變換器 推挽式電路、全橋式電路、半橋式電路、反激式電路、正激式電路 一般來說，反激式和正激式變換器都可以經過一系列的變換，衍生出新的變換器，可以提高輸出功率以及效率等。隨著技術的發(fā)展，DC/DC變換器的應用越來越

5、廣泛。 實現變換器的輸出是多種形式的，有一路輸出和幾路輸出。實現DC/DC變換器的多路輸出一般包含3個步驟：第一：選擇性的變換器的主題結構。隔離式DC/DC變換器由于其輸入、輸出端被變壓器隔離，因此，可以利用增加變壓器二次繞組的辦法實現多路輸出。其中，反激式和正激式變換器在日常的生活中應用特別的廣泛正是由于其工作的可靠性高、結構相對簡單。第二：確定輸入、輸出變壓器的控制變量。許多變換器多路輸出技術的核心部分正是這些控制變量，多路輸出變換器的整體穩(wěn)壓效果正是由這些控制變量的正確選擇直接決定。我們假設變換器的輸出支路個數為N，控制其中變量為M，如果假使每個輸出都能精確調整，則必須。第三：確定整個電

6、路每個輸出支路的穩(wěn)壓技術，這也是非常重要的。（2） AC/DC變換器 1）電壓控制型利用輸入電路的電壓與電路的許多重要的基準點的電壓進行比較。 2）電流控制型將從整流濾波電路后電流采樣出來與誤差放大器的輸出信號進行比較，根據比較結果來控制整個電路。 3）控制型 在電流控制整個電路的基礎上產生的。 11.1.3 開關電源的發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)的電子變壓器一般都是在普通鐵氧體鐵芯上纏繞銅線繞組，體積比較大，轉換效率不高。隨著電子技術和信息技術的飛速發(fā)展，各種電子設備、信息設備、實用電氣等的外觀和比重都在不同程度的縮減。近年來，許多移動通信和筆記本電腦為主的各種容易攜式裝置的需求量都在成倍增加，更加要求電

7、子系統(tǒng)體積小、重量輕，它們能夠迅速的從一個地方快速的移動到另外一個地方以及可以快速的集成模塊化。在上述所說的這些設備中，電源部分是最重要的，體積和重量很多時候都是由電源部分決定的。其中就是因為磁性元件存在于電源的內部，包括電感器、變壓器和電容器。因為大多數情況下必須滿足一定功率容量的要求，不可能像電阻、電容那樣大幅度減少體積和重量。但是，電源作為供能的部分，開關電源技術也在不斷發(fā)展，磁性元件的外觀體積的大大縮小正是由于開關電源在工作下的頻率的很大程度的提高，這種情況可以實現電感器、變壓器、電容器的小型化。近年來，微型變壓器、電容器、電感器在計算機、航空航天、航海等如雨后春筍般的出現。目前，世界

8、各地相繼的已經出現了結構為平面變壓器、集成程度很高的集成變壓器和大幅度采用微制造工藝的芯片形式的微型變壓器。 為了使開關電源的外觀體積減小、重量變輕，其中的一個手段就是提高開關電源的功率密度是人們不斷努力追求的目標。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。 開發(fā)和應用軟開關技術的重要的一個目的是為了提高開關電源的工作效率。此外開關電源還有許多用途，比如發(fā)展新能源、節(jié)約許多一次和二次資源及為環(huán)境的綠色化等方面都具有重要的意義。11.2 本設計的研究意義 變壓器在一些器件上的插入而形成了反激式變換器。隨著電力電氣的發(fā)展，電力電子的技術的不斷更新，開關電源的效率的提高、體積的減小、低成本越來越受

9、到人們的關注。本次設計采用的TOPSwitch-系列中的基于TOP224Y控制的雙端輸出反激式開關電源。11.3 本設計主要內容 1）先介紹開關電源的入門：反激式開關電源。 2）介紹了TOP224Y，包括設計原理圖、輸入整流濾波電路、變壓器、輸出濾波整流電路、反饋電路（TL431加光耦合）的設計。 3）各設計包括先計算相應的參數，再通過計算參數選擇器件的型號及最后確定參數。 4）電路的組建及對數據的分析。第十二章 簡單介紹反激式開關電源的工作原理12.1 反激式開關電源工作原理 圖2-1-1 TOPSwitch-構成的開關電源框圖 如圖所示，一般的電路包括：輸入濾波整流電路、把功率擴大或縮減電

10、路、輸出濾波整流電路、反饋電路、控制電路。 工作流程：輸入端輸入交流電壓U1經過輸入濾波整流電路后輸入到高頻率變壓器原邊，經過里面一系列的工作后，電壓能夠得到反激，副邊上的高頻電壓流過濾波整流電路后從輸出端獲得輸出電壓U2。鉗位保護電路是用來吸收高頻變壓器漏感產生的峰值電壓，繼而保護了TOPSwitch-中功率管免受峰值電壓所害。穩(wěn)壓管和光耦合組成反饋電路。末尾輸出U2的原理：出現緊急情況使U2下降，則光耦合中發(fā)光二極管電流下降，經過光耦合后，使得光耦合中的接受電流也降低，使得TOPSwitch-控制端電流降低，經過TOPSwitch-內部控制后使控制脈寬占空比升高，導致U2上升，達到穩(wěn)定電壓

11、的作用。12.2常見反激式變換器的工作原理 圖2-1-2 反激式變換器拓撲電路原理 開關Q打開時，Np能夠迅速的儲存電能，然而當開關Q合上時，Np立即向Ns釋放能量，這就是靠變壓器T1來完成的，它起著隔離能量、儲存和傳遞能量的作用。電感器Lo和兩Co電容的并聯一起組成一個低通濾波器，它們都在整個電路的輸出端，Cr、Rr和Dr組成的RCD漏電感尖峰電壓吸收電路，這些都是在變壓器的初級。一個整流二極管D1必須在輸出回路里面設置一個。由于其變壓器的磁芯里面存在間隙，所以在銅上面的能量損耗較大，變壓器的溫度相對其他來說較高。并且其輸出端輸出的電壓比較大。電路結構相對簡單是該反激式變換器的優(yōu)點之一，適用

12、于200W以下的電源應用且多路輸出交調特性都比其它的好。 反激式變換器輸出端輸出電壓大，有大幅度調整電壓的能力。為了要提高該電路性能指標，可以增加濾波電容和輔助LC濾波器，但同時增加了成本和體積的大小，將原來的優(yōu)點削弱了。這些決定了它的適用范圍。12.3 TOP224Y參數與結構 圖2-1-3 TOP224Y參數與結構如圖：從外觀上來看，該器件外部只有3個控制管腳：D（漏極）主電源能從其直接輸入，C（控制端）可以讓控制信號從這兒輸入，S（源級）作為開關電源公共端同時也是控制電路基本的測點之一。上圖為其外觀引腳。該芯片的引腳功能如下：DRAIN腳：作為輸出管MOSFET的漏C級。在啟動時，通過一

13、個內部開關控制的高壓電流源提供內部偏置電流以及內部感應點。CONTROL腳：它作為占空比控制時，是反饋電流和誤差放大器的輸入端。正常工作時，它是分流調整器，向其提供內部偏置電流。也可以用做內部電路和自動重啟動以及補償電容連接點。SOURCE腳：G型和P封裝時，是原邊控制電流的公共參考點。SOURCE(HV RTN)腳和G封裝）：輸出管MOSFET的源級，作為高壓電源的回路。Y型封裝時，是輸出MOSFET的源級，作為高壓電源回路。它的原邊控制電流的公共參考點。第十三章 基于TOP224Y芯片的反激式開關電源設計 13.1 設計目標 輸入220V交流，輸入頻率50HZ，雙路輸出電壓15V、電流1A

14、和電壓5V、電流3A。輸出總電能功率能夠達到30W。調整電壓的效率：Sv=1%+1%，開關電源的開關頻率100kz。13.2 設計思路 采用TOP224Y設計雙路輸出反激式開關電源，給出設計原理圖。開關電源外部電路分為輸入濾波整流電路、變壓器和鉗壓、輸出濾波整流和反饋電路等。并對各個部分進行精確的計算和看結果分析，提出可行的改進辦法。13.3 設計內容 隨著電力電子中PWM技術的發(fā)展，開關電源因為其高性價比獲得了廣泛的應用。由于開關電源的設計通常采用控制電路與功率MOSFET相分立的拓撲結構，這種設計方案開發(fā)周期長、系統(tǒng)可考慮低、成本低。采用TOPSwitch-系列智能開關電源集成芯片就能夠較

15、好的處理和解決這些問題。 圖3-1-1 設計原理圖13.3.1 輸入濾波整流電路設計此電路包括交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓3部分。一般情況下，查技術參數可得：除差模干擾的C1為0.1uF,C1根據輸出功率大約為68uF，L1為33mH，采用雙線并繞。整流橋的參數計算：計算輸入整流橋的電壓和電流是必須計算的。因為輸入整流橋的最高電壓為220V時，其峰值電壓為,考慮到整流橋需要承受較高的輸入浪涌電壓，可以選取該電壓的1.52倍以上的等級電壓，實際可以選取500700電壓的整流橋。輸入整流橋承受的最大電流出現在輸入電壓最低時，估算輸出功率為60W時，效率為90%，則輸入功率為66.7W，當輸入電壓為22

16、0V時，輸入電流有效值為，考慮到余量，所以選擇整流橋電流容量12A。13.3.2 變壓器設計 傳輸和變換各種信號（單頻、多頻）和功率是功率變壓器的主要用途，是現代電氣設備、電子設備的重要組成部分。本設計主要介紹功率變壓器的一些常見理論和初步設計方法并結合當前發(fā)展狀況，以反激式開關電源用變壓器為例，詳細介紹變壓器的具體設計、制作成產品的過程，最后對樣品進行測試和對比其它的進行分析，為更深一步的測試分析方法提供理論基礎和進一步的研究和設計提供重要參考。 3.3.2.1 磁芯選擇 變壓器的輸出功率變壓器的計算功率W 效率為80%設計輸出能力根據標準鐵芯的規(guī)則： 表 3-2-1 標準鐵芯規(guī)則NUMBE

17、R TYPEMATERIAL a*b*cAp()Ae()Aw()14EE2329SPC4023*147*6 0.436835.80 122.015EE2519PC4025.4*9.46*6.290.312840 78.2016EE25.4 PC4025.4*9.66*6.350.3173 40.30 78.73選擇大于計算值的鐵芯EE25.4，相關參數： 高頻變壓器采用EE25.4型氧化體鐵芯，其有效磁通面積，次級繞組有2種繞制方法：一種是分離式繞法，另外一種是堆積式繞法。 表 3-2-2 繞制方法對比繞制方法 優(yōu)點 缺點分離式繞法 排列很有靈活性，能將輸出電流較大的某一路輸出靠近一側，能把損

18、耗減至最小因漏感較大，在輸出濾電容上會產生峰值沖電效應分離式繞法 能加強磁耦合，能改善輕載時的穩(wěn)定性能，骨架的引腳很少，制造費用比較低 電壓最低的繞組必須靠近初級，為降低大電流靈活性 該表列出了2者的優(yōu)缺點，可供參考。分離式的每個繞組上僅傳輸與該電路特定負載特性有關的電流，因為次級上的3個繞組之間關系不大是相互獨立的，所以在各繞組的制作上，排列上有一定的靈活性?，F在考慮到5V（3A）輸出絕大部分的功率，因此可將這一繞組靠近初級。最佳排列的順序是先繞5V輸出繞組，再繞15V輸出繞組，使次級各繞組之間耦合最好，損耗最小以及性能最好。反之，若將15V輸出繞組緊靠原邊，由于5V輸出的漏感引起的損耗較大

19、，會大幅度降低電源效率，并且增加干擾。堆積式繞法是變壓器生產廠家經常采用的方法，其特點是有5V繞組給15V繞組提供一部分匝數及來接地的一部分，各繞組的線徑組合必須滿足該路輸出電流流過它上面的電流總和不大于允許的最大電流密度的要求。堆積式繞法采用的技術先進，有許多優(yōu)點，導線能夠節(jié)約下來，繞組體積能夠減少以及成本能夠降低，繞組之間的互感量也能夠降低，耦合程度也能夠加強。舉例說明，當5繞組輸出滿載是，而15V繞組輸出輕載時，由于5V繞組作15V繞組的一部分，因此能減少這些繞組的漏感，可以避免因漏感使15V輸出電路中的濾波電容被峰尖電壓充電到最大值（也稱為峰值）而引起輸出端輸出電壓不穩(wěn)定。堆積式繞法的

20、缺點是在確定哪個次級繞組最靠近原邊時，靈活性不好?，F將5V繞組作為次副邊組的始端。在為變壓器繞組時，特別原理采用將多股導線并聯后平行繞在骨架上。這樣，能保證良好的覆蓋性、減少相對的體積，增強原邊與副邊的耦合程度，加強了原邊和副邊的連系。 13.3.2.2 計算并確定繞組匝數 首先確定變壓器變比n：根據輸出電壓關系式：=，得，式中為輸入端整流器輸出的直流電壓，取電路一般的導通電壓：135v計算初級線圈中的電流：已經輸出直流電壓=15V和5V,負載電流為1A,3A,則輸出功率,開關電源效率一般為60%90%，本設計取初級的平均電流假定變壓器原邊線圈的初始電流為零，那么，在開關電源開關管導通時間里，

21、原邊線圈中電流從零開始線性增長到峰值。 .計算原邊繞組圈數：原邊繞組最小電感：= 取整得=84T,實際用時選擇90T 計算次級電感： 實際取15V輸出選10T,5V輸出選4T反饋繞組的計算與確定：要求既能保證開關元件的飽和導通又不至于造成過大損耗，根據： 實際取10T13.3.3 輸出整流濾波電路設計 輸出濾波整流電路由濾波電容和輸出整流二極管構成。 表3-2-3 整流管的型號選擇 輸出電壓規(guī)定指標整流管型號與參數輸出電流最低耐壓型號5V3A 30V MBR745 7.8A45V15V 1A 70VMUR4204A 200V 根據經驗，L取2.210uH電容推薦選擇120uF/35V低ESR電

22、容。 輸出直流15V，1A的用3根直徑為0.25mm（AWG#31)的線并繞 輸出直流5V，3AD 用4根直徑為0.25mm（AWG#31）的線并繞13.3.4 阻斷二極管VD1和VD2的選擇 在每個開關周期內，TOPSwitch-的關斷將導致變壓器漏感產生峰值電壓。VD1和VD2構成的鉗位電路有效的防止了該電壓對TOPSwitch-的損壞。它們的選擇由反射電壓決定。推薦值135V，它們的耐壓值應大于,并選擇快恢復二極管。13.3.5 反饋電路設計 首先確定反饋電路 開關電源多路輸出的反饋電路有4種類型：基本反饋電路、改進后基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦合反饋電路以及配TL431的光耦合電路。

23、（1）基本反饋電路是利用反饋后來繞組從輸出端獲得輸出電壓的變化信號的，因此不是很需要光耦合器。該方案的電路最為簡潔明了，但開關電源的線性穩(wěn)定性不高，不能把負載調整率降到以下。如果僅僅為改善輕載時的負載調整率，可在輸出端并聯一只符合要求的的穩(wěn)壓管，使其穩(wěn)定電壓，此時。 （2）改進型（也稱增強型）通常所用反饋電路的特點是在反饋電路中并聯一只22V的穩(wěn)壓管，再并聯一只0.1uF電容器。 （3）配穩(wěn)壓管的光耦合反饋電路電路是利用一只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓作為次級參考電壓。包括了穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓（）、光耦合器中LED的正向壓降和利用控制環(huán)路增益的串聯電阻上的壓降這3者之和來決定輸出端輸出電壓值。當的偏差值不不

24、大于2%時，能快速將住輸出的調整負載的頻率控制在2%以內，該電路的不足之處是參考電壓穩(wěn)定性很低，并且只能對單一電路進行負反饋即對主電路進行反饋，其他各路輸出各路輔助輸出就不能有效的進行反饋，因此輔助輸出的電壓穩(wěn)定性較差。 （4）配TL431的多路輸出光耦合反饋電路的特點是利用TL431型可調式精密并聯穩(wěn)壓器構成副邊誤差電流放大器，各種信號再通過光耦合電容器對主輸出進行精確的調整。 因此除主輸出作為主要的反饋信號輸出之外，其他各路的輔助輸出也按照一定比例反饋到TL431的2.5V基準端。在本例中就是利用TL431和光耦合構成反饋電路，基準電壓和反饋電路采用通常的3端穩(wěn)壓器TL431來完成，在反饋

25、電路的應用中運用采樣電壓通過TL431限制電壓，由于TL431具有體積小基準電壓精密可調，輸出電流大等特點，所以用TL431可以制作多種穩(wěn)壓器。其性能是輸出電壓連續(xù)可調達到36V，工作范圍達到0.1100mA，動態(tài)電阻典型值為0.22歐，輸出的雜波比較低。其最大輸入電壓為37V，最大工作電流為150mA，內基準電壓為2.5V輸出電壓范圍為2.530V.這對全面提高多路輸出式開關電源的各種性能具有重要指導意義，同時也是開關電源的一項新技術。 圖3-1-2 反饋電路如圖所示，如果開關電源從5V主輸出引出反饋信號，15V未加反饋電路，這樣，當5V輸出的負載電流發(fā)生變化時，會影響15V輸出的穩(wěn)定性解決

26、方案：給15V也增加反饋電路 在15V輸出端與TL431的基準端并上電阻,并將的阻值增大，由于15V輸出也提供一部分反饋電流和電壓，因此能夠改善該輸出以及整個電路的穩(wěn)定性的波動。 15V輸出的反饋量由的阻值來決定。假定要求15V輸出與5V輸出的反饋量相等，各占總反饋量的50%，即反饋量比例系數K=50%，此時通過和和的電流相等，即。TL431的基準電壓值，改進前全部的反饋電流通過，所以，改進后50%電流從上流過，即,的阻值由以下式確定： 由于已從250uA減到125vA,因此必須按下式調整的阻值：,考慮到接上之后5V輸出的穩(wěn)定度會略有所下降，應稍微增大的阻值已進行補償，實際取,最后說明一點：%時