反激式開關(guān)電源畢業(yè)論文

1、摘 要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣泛。反激式開關(guān)電源以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小巧等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于小功率場(chǎng)合。開關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓電源有多種類型，其中單端反激式開關(guān)電源由于具有線路簡(jiǎn)單，所需要的元器件少，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于小功率電源領(lǐng)域。    傳統(tǒng)的反激式開關(guān)電源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率開關(guān)管(頻率較高時(shí)一般使用MOSFET)組成，PWM芯片控制環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜，容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，功率開關(guān)管有時(shí)需要外加驅(qū)動(dòng)

2、電路。高效率與小型化在一定程度上是互相限制的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)高效率會(huì)要求電路有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜度，大量的器件對(duì)小型化十分不利。在開關(guān)電源設(shè)計(jì)初期，采用的都是分立元件，集成度很低，大部分電路只能在PCB版上實(shí)現(xiàn)，極大的限制了小型化實(shí)現(xiàn)的可能。而且大量器件暴露在外，也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用近年來，為了實(shí)現(xiàn)更高的效率和更小的體積，開關(guān)電源的工作頻率有了很大的提高。高工作頻率能夠減小外圍電感和電容的大小，從而減少系統(tǒng)的體積。另外，反激變壓器的設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)，其往往導(dǎo)致電源設(shè)計(jì)周期延長。隨著PI公司生產(chǎn)的以TOPSwitch為代表的新一代單片開關(guān)電源的問世，以上諸多問題都得到了很好的解決。應(yīng)用TOPSwitch

3、-HX設(shè)計(jì)開關(guān)電源，不僅器件更少，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，發(fā)熱量更少，工作更可靠，采用該系列芯片已成為一種高效的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：TOPSwitch-HX 反激式變換器 高頻變壓器 開關(guān)電源.目 錄第一章 緒論 （1）一、反擊式開關(guān)電源的背景（1）二、反擊式開關(guān)電源現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)（2）三、本課題選題意義及所做工作（2）第二章 反擊式開關(guān)電源簡(jiǎn)介 （3）一、開關(guān)電源的分類（3）二、反擊式開關(guān)電源的原理 （4）第三章 高效反激式開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) （5）一、提高效率的方法（5）二、高效反激式開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖（6）三、各個(gè)子電路的分析設(shè)計(jì)（7）第四章 反激式開關(guān)電源元件選擇及其參數(shù) （8）一

4、、Topswitch-HX 系列元件簡(jiǎn)介 （8）二、提高開關(guān)電源效率元件選取方法 （10）三、主要參數(shù)的計(jì)算 （11）第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)與展望 （13）參考文獻(xiàn) （14）致謝 （15）附錄 （16）第一章 緒論一、 反激式開關(guān)電源的背景開關(guān)電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中的關(guān)鍵元件是穩(wěn)壓調(diào)整管，電源工作時(shí)檢測(cè)輸出電壓，通過反饋電路對(duì)穩(wěn)壓調(diào)整管的基極電流進(jìn)行負(fù)反饋控制。這樣，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化，或負(fù)載變化引起電源的輸出電壓變化時(shí)，就可以通過改變穩(wěn)壓調(diào)整管的管壓降來使輸出電壓穩(wěn)定。為了使穩(wěn)壓調(diào)整管可以發(fā)揮足夠的調(diào)節(jié)作用，穩(wěn)壓調(diào)整管必須工作在線性放大狀態(tài)，且保持一定的管壓降。因此

5、，這種電源被稱為線性穩(wěn)壓電源。早期的開關(guān)電源的頻率僅為幾千赫，隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進(jìn)，開關(guān)頻率才得以提高。20世紀(jì)60年代末，垂直導(dǎo)電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管(亦稱巨型晶體管、BJT、GTR)的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關(guān)電源得以問世。但當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到10KHZ左右時(shí)，變壓器、電感等磁性元件發(fā)出很刺耳的噪聲，給工作和生產(chǎn)造成了很大噪聲污染。為了減小噪聲，并進(jìn)一步減小電源體積，在20世紀(jì)70年代，新型電力電子器件的發(fā)展給開關(guān)電源的發(fā)展提供了物質(zhì)條件。開關(guān)頻率終于突破了人耳聽覺極限的20KHZ。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，工作在高頻的開關(guān)電源己經(jīng)廣泛應(yīng)用于電氣和電子設(shè)備的

6、各個(gè)領(lǐng)域。開關(guān)電源設(shè)計(jì)的目的是通過能量處理將輸入能量變化為所需要的能量輸出，通常的形式是產(chǎn)生一個(gè)符合要求的輸出電壓，這個(gè)輸出電壓的值不能受輸入電壓或者負(fù)載電流的影響。二、 反激式開關(guān)電源的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求有非常高的效率，高效率有著極為重要的意義。首先，高效率減少了能量在傳遞過程中的損失，最理想的情況就是輸入端的能量完全傳遞到了輸出端，在開關(guān)電源內(nèi)部不損失任何的能量，開關(guān)電源只是起到了能量形式轉(zhuǎn)化的作用。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)這一點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)的。如果電源內(nèi)部有較大的損失，這部分能量將轉(zhuǎn)化為熱能損耗在器件上，這就要求開關(guān)電源有散熱的設(shè)計(jì)，否則長時(shí)間的高溫工作將減少使用壽命，大大增加不穩(wěn)

7、定性。而增大散熱部件會(huì)對(duì)開關(guān)電源小型化起到巨大的阻礙作用。這一點(diǎn)在手持設(shè)備或者小型開關(guān)電源的應(yīng)用中更為明顯。其次，當(dāng)今能源日趨緊張，全世界開始意識(shí)到節(jié)約能源的重要性，對(duì)于電子設(shè)備的功耗提出了硬性的指標(biāo)規(guī)定。例如中國在2006年3月實(shí)施的節(jié)能評(píng)價(jià)值指標(biāo)為待機(jī)能耗3W，能量效率指數(shù)為1.1。2009年3月1日將實(shí)施的節(jié)能評(píng)價(jià)值為待機(jī)能耗1W，能效指數(shù)為0.75。提高開關(guān)電源的效率不再是節(jié)省使用者電費(fèi)開支的額外功能，開始成為各個(gè)產(chǎn)品必須滿足的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。其次開關(guān)電源設(shè)計(jì)要求能夠小型化。開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域中小型化，集成化的需求越來越高。比如筆記本電腦的電源系統(tǒng)，不僅需要完成充電控制，還需完成對(duì)微處理

8、器供電的降壓處理，對(duì)硬盤供電的降壓處理，以及對(duì)屏幕供電的直流轉(zhuǎn)交流變換等。所有的功能都希望在盡可能小的體積中完成。因此，小型化是開關(guān)電源的另一個(gè)發(fā)展方向。而且由于集成電路器件本身的發(fā)展，已經(jīng)有能力提供工作復(fù)雜的高頻控制集成電路芯片。然而， 隨著工作頻率的不斷上升，由于高頻造成的開關(guān)損耗逐漸成為了一個(gè)嚴(yán)重的問題。尤其是如果工作頻率不變，開關(guān)損耗不變，隨著負(fù)載的不斷減輕，系統(tǒng)的效率會(huì)隨之下降。因此，為了保持電源的效率，新一代的開關(guān)電源芯片在工作頻率上不能再一味追求高的工作頻率，而需要仔細(xì)分析和處理開關(guān)損耗問題。在輕載時(shí)，通過降低工作頻率以減少開關(guān)損耗，希望能保持高效率。這種仔細(xì)區(qū)分負(fù)載情況，在不同

9、負(fù)載下采用不同模式進(jìn)行控制的多模式技術(shù)是提高效率的一個(gè)趨勢(shì)。減少開關(guān)損耗的另一個(gè)方法就是從開關(guān)損耗的本身出發(fā)，對(duì)引起開關(guān)損耗的起因進(jìn)行改進(jìn)。開關(guān)損耗的原因是開關(guān)器件的實(shí)際曲線不是瞬間導(dǎo)通或關(guān)閉的理想圖像，在變化過程中存在著電壓與電流都不為零的交疊區(qū)。對(duì)此，開關(guān)電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，即零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。零電壓開關(guān)使開關(guān)在電壓為零時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，零電流開關(guān)使開關(guān)在電流為零的時(shí)候開關(guān)關(guān)閉。通常軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)采用準(zhǔn)諧振或者諧振等方法。三、本課題選題的意義及所作工作電子技術(shù)的迅猛發(fā)展一方面帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展，一方面也對(duì)電源產(chǎn)品提出了越來越高的要求。體積小、重量輕、高效能、高可靠性的“綠色電源”

10、已成為下一代電源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。功率密度的急劇增大導(dǎo)致電源內(nèi)部電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，因之產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)電源本身及周圍電子設(shè)備的正常工作都造成威脅。同時(shí)隨著國際電磁兼容法規(guī)的日益嚴(yán)格，產(chǎn)品的EMC性能指標(biāo)直接關(guān)系到其推向市場(chǎng)的時(shí)間。高效反激式開關(guān)電源以其電路抗干擾、高效、穩(wěn)定性好、成本低廉等許多優(yōu)點(diǎn)，特別適合小功率的電源以及各種電源適配器，具有較高的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一款低功耗的反激式開關(guān)電源控制IC。該芯片應(yīng)具有以下特點(diǎn)：突出的性價(jià)比，較少的外圍元件；能耗低，具有綠色模式功能，使系統(tǒng)在空載或輕載時(shí)工作在較低的頻率下，能夠有效減少能耗；具備各種完善的保護(hù)電路，在各種突發(fā)情況下仍能保證系統(tǒng)安全

11、；優(yōu)秀的抗電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)特性；體積小，重量輕，適用于多種便攜設(shè)備及電源適配器。高效反激式開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)主要由220V交流電壓整流及濾波電路、DC/DC變換器、反饋控制電路三大部分組成。（1）設(shè)計(jì)一個(gè)整流濾波器和DC/DC變換器之間加入了功率因數(shù)校正電路。220V交流電經(jīng)整流供給功率因數(shù)校正電路，提高電源的輸入功率因數(shù)，同時(shí)降低了諧波電流，從而減小諧波污染。（2）設(shè)計(jì)反饋控制電路、保護(hù)電路、軟啟動(dòng)控制電路、浪涌吸收電路；(3)分析外圍元器件參數(shù)對(duì)電路性能指標(biāo)的影響。要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，可從三個(gè)方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生

12、的騷擾信號(hào)；第二，切斷騷擾信號(hào)的傳播途徑；第三，增強(qiáng)受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時(shí)，可以綜合利用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。(4)性能指標(biāo)的分析：對(duì)電源的轉(zhuǎn)換率，功耗，兼容性等各個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。第二章 反激式開關(guān)電源簡(jiǎn)介一、開關(guān)電源的分類1、開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)有多種：（1）按驅(qū)動(dòng)方式分，有自勵(lì)式和他勵(lì)式；（2）按電路控制方式分，有脈寬調(diào)制式(PWM)式、脈沖頻率調(diào)制(PFM)均式和PWM與PFM混合式；（3）按電路組成分，有諧振型和非諧振型；（4）按電源是否隔離和反饋控制信號(hào)耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光藕耦合式等；（5）按變換器的工作

13、方式分，有單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式、降壓式、升壓式和升降壓式等。反激式：電路拓?fù)浜?jiǎn)單，元件數(shù)少，因此成本較低。但該電路變換器的磁芯單向磁化，利用率低，而且開關(guān)器件承受的電流峰值很大，廣泛用于數(shù)瓦一數(shù)十瓦的小功率開關(guān)電源中。由于不需要輸出濾波電感，易實(shí)現(xiàn)多路輸出。正激式：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式和反激式變換器相似，雖然磁芯也是單向磁化，卻存在著嚴(yán)格意義上的區(qū)別，變壓器僅起電氣隔離作用，而且電路變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線的第1象限，沒有得到充分的利用，因此同樣的功率，其變換器體積、重量和損耗大于半橋式、全橋式、推挽式變換電路。廣泛用于功率為數(shù)百瓦一數(shù)千瓦的開關(guān)電源中。半橋式：電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)

14、雜，但磁芯利用率高，沒有偏磁的問題，且功率開關(guān)管的耐壓要求低，不超過線路的最高峰值電壓?？朔送仆焓降娜秉c(diǎn)。適合數(shù)百瓦一數(shù)千瓦的開關(guān)電源中，高輸入電壓的場(chǎng)合。全橋式：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在所有隔離型開關(guān)電源中，采用相同電壓和電流容量的開關(guān)器件時(shí)，全橋型電路可以達(dá)到最大的功率，目前，全橋型電路多被用于數(shù)百瓦數(shù)千瓦的各種工業(yè)用開關(guān)電源中。推挽式：電路形式實(shí)際上是兩只對(duì)稱正激式變換器的組合，只是工作時(shí)相位相反。變壓器的磁芯雙向磁化，因此相同鐵芯尺寸的輸出功率是正激式的近一倍，但如果加在兩個(gè)原邊繞組上的VS積稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致鐵芯偏磁現(xiàn)象的生生，應(yīng)用時(shí)需要特別注意。適合中功率輸出。三、 反激式開關(guān)電源原理反

15、激式開關(guān)電源的典型電路如圖2-1所示。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量，通過次級(jí)繞組及VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。反激式開關(guān)電源以主開關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器一次側(cè)線圈內(nèi)不斷儲(chǔ)存能量；而開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將一次側(cè)線圈內(nèi)儲(chǔ)存的電感能量通過整流二極管給負(fù)載供電，直到下一個(gè)脈沖到來，開始新的周期。開關(guān)電源中的脈沖變壓器起著非常重要的作用：一是通過它實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)-磁場(chǎng)-電場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓；二是可以實(shí)現(xiàn)

16、變壓器功能，通過脈沖變壓器的初級(jí)繞組和多個(gè)次級(jí)繞組可以輸出多路不同的直流電壓值，為不同的電路單元提供直流電量；三是可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電源變壓器的電隔離作用，將熱地與冷地隔離，避免觸電事故，保證用戶端的安全。圖2-11、反激式拓?fù)溟_關(guān)電源有兩種工作方式：(1) 完全能量轉(zhuǎn)換，也叫做非連續(xù)導(dǎo)通模式。該模式的特點(diǎn)是，變壓器在儲(chǔ)能周期中儲(chǔ)存的所有能量在反激周期都轉(zhuǎn)移到輸出端。(2) 不完全能量轉(zhuǎn)換，也叫做連續(xù)導(dǎo)通模式。存儲(chǔ)在變壓器中的一部份能量保留到下一個(gè)儲(chǔ)存周期開始。2、結(jié)合圖2-1以非連續(xù)導(dǎo)通模式為例分析反激式開關(guān)電源的工作原理。該模式反激式拓?fù)溟_關(guān)電源的一個(gè)工作周期中有勵(lì)磁、去磁、非連續(xù)導(dǎo)通三個(gè)階段。

17、(1) 勵(lì)磁階段：當(dāng)開關(guān)VT1導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感中的電流從零開始上升。由于次級(jí)邊的二極管具有單向?qū)ㄐ?，此時(shí)二極管反偏，在次級(jí)不導(dǎo)通電流，輸出濾波電容C向負(fù)載供電。由于此階段的作用是向初級(jí)勵(lì)磁電感補(bǔ)充能量，以為在下一個(gè)階段向次級(jí)繞組轉(zhuǎn)移能量做準(zhǔn)備，因此這個(gè)階段被稱為勵(lì)磁階段。(2) 去磁階段：當(dāng)勵(lì)磁階段結(jié)束后，VT1停止導(dǎo)通。由于電感電流不能突變，勵(lì)磁電感電流開始在初級(jí)電感上續(xù)流，能量通過變壓器轉(zhuǎn)移到輸出端，在次級(jí)邊上，二極管正向?qū)ǎ敵龆说玫侥芰?。此時(shí)，勵(lì)磁電感上的電壓反向，勵(lì)磁電流開始下降，因此該階段被稱為去磁階段。(3) 非連續(xù)導(dǎo)通階段：當(dāng)勵(lì)磁電感的電流下降到零時(shí)，變壓器初級(jí)邊

18、的能量己經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到次級(jí)邊，次級(jí)邊上二極管不再導(dǎo)通。此時(shí)反激式拓?fù)渲械某跫?jí)和次級(jí)繞組都不導(dǎo)通電流，等待著下一個(gè)周期的到來。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，不存在這個(gè)階段。本課題設(shè)計(jì)的高效反激式開關(guān)電源控制器始終控制電源工作在非連續(xù)導(dǎo)通的情況下，所需的輸出電壓對(duì)應(yīng)的占空比和工作頻率可以通過公式計(jì)算得到。但是由于器件的寄生參數(shù)以及環(huán)境變化，在開關(guān)電源中一般采用閉環(huán)控制取代開環(huán)控制。而閉環(huán)控制中的電流控制模式在脈沖調(diào)制開關(guān)電源中可以大大減少回路上所遇到的各種問題，尤其對(duì)于完全能量轉(zhuǎn)換的情況，因此本文的設(shè)計(jì)將采用電流模式進(jìn)行閉環(huán)控制。第三章 高效反激式開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、提高效率的理論方法：1、選用合適的芯片，降

19、低空載功耗。2、調(diào)整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R為TVS管。 3、根據(jù)輸出二極管兩端的峰峰電壓選用低耐壓的整流管，最好選用品牌肖特基。4、調(diào)整輸出二極管的LC吸收回路。5、合理選用輸入端的熱敏電阻，保證在正常工作時(shí)，阻值最小。6、合理選用變壓器，按照使銅損與鐵損減到最小，增大變壓器磁芯規(guī)格，增加線徑，選擇低功耗磁芯，調(diào)整初級(jí)電感量，合理地繞線，使漏感變小的選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)可以提高效率。7、大電流的走線加寬，可在上面露銅加錫。8、低壓大電流時(shí)，選擇同步整流.。9、加大DC輸出線線徑。 10、取消或減小輸出負(fù)載電阻。二、高效反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖圖3-1該電源簡(jiǎn)要工作原理如下：交流電Ui經(jīng)

20、輸入整流濾波電路后輸入到高頻變壓器一次側(cè)，電壓經(jīng)反激后，二次側(cè)上的高頻電壓經(jīng)過輸出整流濾波電路整流濾波后，獲得輸出電壓Uo。鉗位電路是用來吸收高頻變壓器的漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，從而保護(hù)了TOPSwitch-HX中功率管不被尖峰電壓燒毀。穩(wěn)壓管和光耦合器組成反饋電路。輸出電壓Uo的穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)由于某種原因致使Uo上升，則光耦中發(fā)光二極管的電流升高，經(jīng)過光耦后，使光耦中的接收管電流也升高，使得TOPSwitch-HX控制端電流升高，經(jīng)TOPSwitch-HX內(nèi)部控制后，使控制脈寬占空比降低，導(dǎo)致Uo下降，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的；反之，當(dāng)Uo下降時(shí)也一樣穩(wěn)定。電流型控制技術(shù)是針對(duì)電壓型的缺點(diǎn)發(fā)展起來的一

21、種新穎的控制思想，它以獨(dú)特的優(yōu)越性替代電壓型控制被廣泛應(yīng)用于正激、反激及推挽式等DC/DC功率變換器的控制電路中。電流型控制方法可分為三種形式，即峰值電流控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制。由于電流滯環(huán)控制方法存在負(fù)載的大小對(duì)開關(guān)頻率影響甚大的問題，而平均電流型控制電路實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，所以本設(shè)計(jì)是采用峰值電流控制方法。三、各個(gè)子電路的分析設(shè)計(jì)1、輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流、電容濾波三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中X1為安規(guī)電容，是為了去除差模干擾；L1為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閾值的整流橋。輸

22、入濾波電容C的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對(duì)于寬范圍輸入的開關(guān)電源，C的容量可按比例系數(shù)來選取；固定輸入時(shí)，比例系數(shù)變成。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。2、 鉗位保護(hù)電路設(shè)計(jì)每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，TOPSwitch-HX的關(guān)斷將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓。鉗位保護(hù)電路由VR1和D5構(gòu)成。其中，VR1為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過電壓保護(hù)器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時(shí)，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子元器件不受損壞。D5稱為阻塞二極管，一般選用快恢復(fù)二極管。VR1和D5的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135V。VR1

23、的鉗位電壓V 由經(jīng)驗(yàn)公式V=1.5VOR得出；D5的耐壓值應(yīng)大于整流后的最大電壓值。3、 高頻變壓器設(shè)計(jì)在反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器既是儲(chǔ)能元件又是傳遞能量的主體，它具有能量存儲(chǔ)、原副邊隔離和電壓轉(zhuǎn)換三種作用。設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括初級(jí)電感量LP，變壓器變比N，初、次級(jí)繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù)NF 以及各繞組導(dǎo)線線徑等。PI公司設(shè)計(jì)開發(fā)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件是一種交互式軟件，可以針對(duì)相關(guān)的硬件芯片、按照使用者提出的電源規(guī)范產(chǎn)生具體能量轉(zhuǎn)換方案。其中包括三個(gè)設(shè)計(jì)軟件分別是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer。根據(jù)輸入的電壓、輸出功

24、率及芯片型號(hào)，PI Expert軟件可完成電路設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)。但是，在利用這類芯片設(shè)計(jì)高頻變壓器之前，必須對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)過程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設(shè)計(jì)出高效率高性能的變壓器。4、 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容、電感構(gòu)成，輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一，是影響開關(guān)電源效率的主要因素。肖特基二極管是近年來問世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件，由于其反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流可達(dá)到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無法比擬的。因此適合作為開關(guān)電源中的低壓整流管，且具有提高效率的功

25、能。5、 反饋電路設(shè)計(jì)開關(guān)電源的反饋回路有4種基本形式：基本反饋電路；改進(jìn)型反饋電路；帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路和帶TL431的光耦反饋電路。反饋回路的形式依據(jù)輸出電壓精度而決定，本方案使用的“光耦TL431”。電壓反饋信號(hào)經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的參考端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號(hào)，然后經(jīng)過光耦隔離后輸入TOPSwitch-HX的控制端。TL431稱為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.5V36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。其工作原理是當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使發(fā)光二極管的工作電流產(chǎn)生相應(yīng)變化，再通

26、過光耦去改變控制端電流Ic的大小，調(diào)節(jié)TOPSwitch-HX的輸出占空比，使Uo不變，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。根據(jù)TL431的工作原理，兩個(gè)分壓電阻的選取要求比較嚴(yán)格，因此可把上面的一個(gè)分壓電阻設(shè)計(jì)成一個(gè)固定阻值電阻和一的精度。6、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為使單片開關(guān)電源能夠長期穩(wěn)定、安全可靠的工作，必須精心設(shè)計(jì)保護(hù)電路，避免因電路出現(xiàn)故障、使用不當(dāng)或環(huán)境條件發(fā)生變化而損壞開關(guān)電源。反激式開關(guān)電源的保護(hù)電路可分成兩大類。一是芯片內(nèi)部的保護(hù)電路，例如TOPSwitch-HX系列中的過流保護(hù)電路、過熱保護(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，主要包括過流保護(hù)裝置(保險(xiǎn)管、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、熔斷

27、電阻器)、啟動(dòng)限流保護(hù)電路、漏極鉗位保護(hù)電路、輸出過壓保護(hù)電路、輸入欠壓保護(hù)電路、軟啟動(dòng)電路等。第四章 高效反激式開關(guān)電源的器件選擇原理及其參數(shù)計(jì)算一TOPSwitch-HX系列器件簡(jiǎn)介TOPSwitch 系列芯片集PWM信號(hào)控制電路和功率開關(guān)器件MOSFET于一體。該系列開關(guān)電源集成電路有高集成度、高性能價(jià)格比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。鑒于電流控制型有電壓控制型無與倫比的優(yōu)點(diǎn)。1、TOPSwitch-HX 內(nèi)部功能TOPSwitch-HX除了像三端TOPSwitch一樣，具有高壓?jiǎn)?dòng)、逐周期電流限制、環(huán)路補(bǔ)償電路、自動(dòng)重啟動(dòng)、熱關(guān)斷等特性外

28、，還綜合了多項(xiàng)能降低系統(tǒng)成本、提高電源性能和設(shè)計(jì)靈活性的附加功能。此外，TOPSwitch-HX采用了專利高壓CMOS技術(shù)，能以高性價(jià)比將高壓功率MOSFET和所有低壓控制電路集成到一片集成電路中。TOPSwitch-HX使用了頻率、電壓監(jiān)測(cè)和外部流限（僅限Y和E封裝）三個(gè)引腳、電壓監(jiān)測(cè)和外部流限（僅限M封裝）兩個(gè)引腳或一個(gè)多功能引腳（P和G封裝），以實(shí)現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時(shí)， TOPSwitch-HX以類似TOPSwitch的三端模式工作。然而， 在此種模式下，TOPSwitch-HX仍能實(shí)現(xiàn)如下多項(xiàng)功能而無需其他外圍元件：（1）完全集成的17 m軟啟動(dòng)，通過從低到高掃描

29、限流點(diǎn)和頻率以限制啟動(dòng)時(shí)的峰值電流和電壓，可以顯著降低或消除大多數(shù)應(yīng)用中的輸出過沖。（2）最大占空比(DCmax)可達(dá)78%，允許使用更小的輸入存儲(chǔ)電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力。（3）采用多模式工作，可以優(yōu)化和提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的電源效率，同時(shí)保持多路輸出電源中良好的交叉穩(wěn)壓精度。（4）采用132 kHz的開關(guān)頻率，可減少變壓器尺寸，并對(duì)EMI沒有顯著影響。（5）頻率調(diào)制降低了高負(fù)載條件下全頻模式下的EMI。（6）遲滯過熱關(guān)斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。滯后時(shí)間較長可防止電路板過熱。TOPSwitch-HX的內(nèi)部框圖4-1所示：圖4-12、 TOPY256MN參數(shù)由參考

30、文獻(xiàn)可知，在寬電壓范圍內(nèi)，由芯片TOP256MN構(gòu)成的反激式電源的輸出功率可達(dá)45W，符合設(shè)計(jì)要求。芯片TOP256MN 的主要參數(shù)為：工作頻率f = 100 kHz ；最大占空比Dmax = 67 %；最大允許電流Ilimit = 1.5 A ；內(nèi)部MOSFET開關(guān)管的最大阻斷電壓Vbdss = 700 V。3、引腳功能描述（1）漏極(D)引腳：高壓功率MOSFET漏極引腳，通過內(nèi)部的開關(guān)高壓電流源提供啟動(dòng)偏置電流。漏極電流的內(nèi)部流限檢測(cè)點(diǎn)。 (2)控制(C)引腳：誤差放大器及反饋電流的輸入腳，用于占空比控制.與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器相連接，提供正常工作時(shí)的內(nèi)部偏置電流。也用作電源旁路和自動(dòng)重啟/補(bǔ)

31、償電容的連接點(diǎn)。 (3)外部流限(X)引腳：外部流限調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程開/關(guān)控制的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。 (4)電壓監(jiān)測(cè)(V)引腳：是過壓(OV)，欠壓(UV)，降低DCMAX的線電壓前饋，輸出過壓保護(hù)(OVP)，遠(yuǎn)程開/關(guān)和器件復(fù)位的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。（5）源極(S)引腳：這個(gè)引腳是輸出功率MOSFET的源極連接點(diǎn)，它也是初級(jí)控制電路的公共點(diǎn)及參考點(diǎn)。二提高反激式開關(guān)電源效率元件選擇的方法1、輸入整流橋(BR)的選擇選擇具有較大容量的整流橋并使之工作在較小的電流下，可減小整流橋的壓降和功率損耗，提高電源效率。由二極管構(gòu)成的整流橋(BR)的標(biāo)稱電

32、源電流IN應(yīng)大于在輸入電壓為最小值(Umin)時(shí)的初級(jí)有效電流，功率因數(shù)應(yīng)取0.60.8之間，其具體數(shù)值取決于輸入電壓和輸入阻抗。2、鉗位二級(jí)管(VR1)的選擇鉗位電路主要用來限制高頻變壓器漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓并減小漏極產(chǎn)生的振鈴電壓。在圖1所示的單片開關(guān)電源模塊電路中，輸入鉗位保護(hù)電路由VR1和D5構(gòu)成。為降低其損耗，D5可選用FR106型瞬變電壓抑制二極管；VR1則選用P6KE200A型快恢復(fù)二極管。3、輸入濾波電容(C1)輸入濾波電容C1用于濾除輸入端引入的高頻干擾，C1的選擇主要是正確估算其電容量。通常輸入電壓Ui增加時(shí)，每瓦輸出功率所對(duì)應(yīng)的電容量可減小。4、交流輸入端電磁干擾濾波器(

33、EMI)圖3-1中的和C用于構(gòu)成交流輸入端的電磁干擾濾波器(EMI)。C能濾除輸入端脈動(dòng)電壓所產(chǎn)生的串模干擾，L則可抑制初級(jí)線圈中的共模干擾。5、限流保護(hù)電路為限制通電瞬間的尖峰電流，可在輸入端接入具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時(shí)應(yīng)使之工作在熱狀態(tài)(即低阻態(tài))，以減小電源電路中的熱損耗。6、輸出整流管(VD)正確選擇輸出整流管VD可以降低電路損耗，提高電源效率。其方法一是選用肖特基整流管，原因是其正向傳輸損耗低，且不存在快恢復(fù)整流管的反向恢復(fù)損耗；二是將開關(guān)電源設(shè)計(jì)成連續(xù)工作模式，以減小次級(jí)的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標(biāo)稱電流應(yīng)為輸出直流電流額定值的3倍以上。7、輸出濾

34、波電容(C8)電源工作時(shí)，輸出濾波電容(C8)上的脈動(dòng)電流通常很大。一般在固定負(fù)載情況下，通過C8的交流標(biāo)稱值IC2曉必須滿足下列條件：I*C8=(1.52) I*RL式中，IR1是輸出濾波電容C8上的脈動(dòng)電流。設(shè)輸出端負(fù)載為純電阻性RL，那么，RL*C8愈大，則C8放電愈慢，輸出波形愈平坦。也就是說，在RL一定的情況下，C5愈大，輸出直流電壓愈平滑。三、主要參數(shù)計(jì)算本設(shè)計(jì)要求：輸入工頻交流電壓85265 V；輸出一路隔離的5V直流電壓；輸出功率20W。其具體電路圖如圖3-1 所示。1、輸入濾波電容C1電容C1 用于保持整流后的直流電壓平穩(wěn)，假設(shè)系統(tǒng)允許20%的脈動(dòng)。二極管導(dǎo)通時(shí)間為4ms ，

35、則C1值可由下式?jīng)Q定：C1 =2 Pin ( Tline - t don)2 V ac min (1 - k2min)47F 式中：Tline為輸入交流電壓的周期；t don為每周期內(nèi)整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間；Vacmin為系統(tǒng)的最低輸入電壓；kmin為電容兩端的最小電壓與最大電壓之比。通常情況下，C1 取23 倍的Pin (單位為F)。今取C1為47F。2、反激式變壓器來分析一下一個(gè)工作周期，當(dāng)開關(guān)管開通的時(shí)候，原邊相當(dāng)于一個(gè)電感，電感兩端加上電壓，其電流值不會(huì)突變，而線性的上升，有公式上升了的I=Vs*ton/L，這三項(xiàng)分別是原邊輸入電壓，開關(guān)開通時(shí)間，和原邊電感量。在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，原邊電

36、感放電，電感電流又會(huì)下降，同樣要尊守上面的公式定律，此時(shí)有下降了的=Vor*toff/L，這三項(xiàng)分別是原邊感應(yīng)電壓，即放電電壓，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，和電感量。在經(jīng)過一個(gè)周期后，原邊電感電流的值會(huì)回到原來，不可能會(huì)變，所以，有VS*Ton/L=Vor*Toff/L，上升了的，等于下降了的。上式中可以用來代替Ton，用來代替off，移項(xiàng)可得，D=Vor/（Vor+VS）。此即是最大占空比了。根據(jù)經(jīng)驗(yàn), 當(dāng)MOSFET 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，加在MOSFET開關(guān)管漏源極的最大尖峰電壓Vdsmax為V inmax + 1. 4×1.5 Vor + Vd1 ( Vd1為二極管D1的瞬間正向?qū)妷?，設(shè)為2

37、0V)。由于TOP256MN的最大關(guān)斷電壓為700V，故Vor應(yīng)小于145V。由圖3-1可知，Vor愈大，Ip愈小，最大占空比Dmax愈大?？紤]到TOP256MN的最大占空比與最大電流，取Vor =135 V。根據(jù)Vor可計(jì)算出變壓器的匝比：K = Vor/ Vo = 135 V/ 15 V = 9 式中：Vo為系統(tǒng)的輸出電壓.原邊電感Lp的變化曲線，由圖3-1可知，隨著Lp 的增大，系統(tǒng)工作于連續(xù)模式的電壓范圍有所加寬(這是所希望的，因?yàn)檫B續(xù)模式下系統(tǒng)的效率更高)；流過TOP256MN的最大電流有所減小，系統(tǒng)的最大占空比保持不變(僅當(dāng)系統(tǒng)完全工作于斷續(xù)模式時(shí)才發(fā)生變化)。然而，電感量愈大，電

38、感體積愈大，磁芯愈容易飽和?？紤]到流過MOSFET開關(guān)管的最大電流裕量，取Lp = 600uH。3、VR1 和D5根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)壓管VR1的反向擊穿電壓應(yīng)取為1.5倍的Vor，今選用P6KE200。二極管D5應(yīng)選用快恢復(fù)二極管，如FR106。4、輸出整流電路D7，C6，C7，C8D7應(yīng)選用快恢復(fù)二極管，其最大允許直流電流應(yīng)不小于1.5 Po/Vo = 4 A。由于流過該二極管的電流較大，故應(yīng)注意其散熱。電容C6/C7 應(yīng)選等效串連電阻( ESR) 較小的電解電容，其電容值與輸出要求有關(guān)，今選3300uF的電解電容.5 、U2電阻R7上的電壓降，光耦U2光電二極管的導(dǎo)通壓降和穩(wěn)壓管U3的反向擊穿電

39、，壓決定了輸出電壓的大小，忽略R7的壓降，設(shè)光電二極管的導(dǎo)通壓降為0. 7 V，則穩(wěn)壓管U3的反向擊穿電壓應(yīng)為15 V 0. 7 V = 14. 3 V。今選擊穿電壓為15 V的穩(wěn)壓管（TL431) 。7 、光耦其他參數(shù)TL431的Vref的偏置以及R7，R8的取值計(jì)算。R7，R8在靜態(tài)偏置方面，主要是提供對(duì)輸出電壓的采樣。為了保證TL431的能正常工作，Iref的最小值，根據(jù)資料上分析的經(jīng)驗(yàn)最好能不小于200uA。為了方便后面的小信號(hào)的計(jì)算，這里R8選取2 k±1% 的電阻。因?yàn)橐话鉚L431的Vref是2.495V，并且為了保證電壓在大電流的時(shí)候，不因?yàn)镻CB的銅箔阻抗下降到離5

40、V太遠(yuǎn)，所以R8會(huì)比R7稍微大些。這里的R7選擇91±1%和2k±1%的兩個(gè)電阻串聯(lián)。如若輸出電壓脈動(dòng)過大，可考慮加上由L4和C8組成的濾波電路。D7的選取只需考慮反向耐壓即可。C10按廠家推薦取47F的瓷片電容。反饋電壓Vo的接法基本上有2種。從最終輸出段子接；在輸出的LC濾波前接。采用接法可以直接反應(yīng)輸出電壓，但是卻在整個(gè)系統(tǒng)中引入了一個(gè)LC的二階系統(tǒng)，不利于反饋調(diào)節(jié)，而且也會(huì)減緩對(duì)輸出負(fù)載變換的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用接法B，避開了這個(gè)LC的二階系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)。而通過L之后，電壓降一般都很小，所以通常采用的方法是把Vo接在輸出的LC濾波器前面。第五章 總結(jié)與展望在信息和數(shù)字時(shí)代，所有電子設(shè)備都需要有一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源來提供能量。因此開關(guān)電源的發(fā)展對(duì)于國家的發(fā)展與建設(shè)有及其重要的作用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，開關(guān)電源方面的技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展。為了小型化，高效率可靠的開關(guān)電源，全世界的工程師做出了不懈