反激式開關(guān)電源理工科畢業(yè)設(shè)計論文

1、 反激開關(guān)電源的設(shè)計 學院 電氣工程學院 專業(yè)班級 學生姓名 學生學號 指導教師 提交日期 2014年月日 華南理工大學廣州學院學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解華南理工大學廣州學院關(guān)于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：按照有關(guān)要求提交學位論文的印刷本和電子版本；華南

2、理工大學廣州學院圖書館有權(quán)保存學位論文的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；可以采用復印、數(shù)字化或其他復制手段保存論文；在不以贏利為目的的前提下，可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日指導教師簽名： 日期： 年 月 日作者聯(lián)系電話： 電子郵箱：摘 要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的應用越來越廣泛，它是各種電子設(shè)備不可替代的重要組成部分。它直接決定了整個系統(tǒng)的質(zhì)量、安全性等多項指標。開關(guān)電源以其特有的優(yōu)勢高穩(wěn)定性、高性價比、低損耗、高效率，已經(jīng)在市場中占據(jù)了一席之地。開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化?，F(xiàn)在，隨著單片開關(guān)電源集成電

3、路在電力電子技術(shù)上的應用，開關(guān)電源逐漸向著短、小、輕、薄的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和小型電子設(shè)備的廣泛應用，又使得小功率電源的需求逐漸增加，反激式開關(guān)電源由于其結(jié)構(gòu)和成本方面的優(yōu)勢在小功率電源領(lǐng)域扮演著相當重要的角色，是小功率供電電源的首要之選。然而，開關(guān)電源中重要一環(huán)反激變壓器的設(shè)計也是一個難題，其往往會使得電源設(shè)計的周期延長。隨著PI公司生產(chǎn)的以TOPSwitch為代表的新一代產(chǎn)品單片開關(guān)電源的誕生，很好的解決了以上諸多問題。應用TOPSwitch-HX設(shè)計出來的開關(guān)電源，不僅組成器件更少，結(jié)構(gòu)更簡單，發(fā)熱量更少，安全更可靠，采用TOPSwitch-HX系列芯片已經(jīng)成為一種高效的反

4、激式開關(guān)電源設(shè)計方案。研究開發(fā)各種通用型、精密型及特種單片開關(guān)電源模塊，能夠大幅度地提升我國開關(guān)電源的科技水平和在國內(nèi)外市場上的競爭能力，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。關(guān)鍵字：電力電子技術(shù)；開關(guān)電源；TOPSwitch-HX；高效AbstractWith the development of power electronics, switching power supplies are widely used, it is an important component of various electronic equipment cannot be replaced. It directl

5、y determines the quality, safety, and other indicators of the overall system. Switching power supply with its unique advantages-high stability, high performance, low loss, high efficiency, has claimed a seat in the market. Switching power supplies is the development direction of high frequency, high

6、 reliability, low power, low noise, interference and modulation. Now, with a single chip switch power IC applications in power electronics, switching power supply gradually toward the direction of short, small, light, thin. The rapid development of power electronics technology and widespread use of

7、small electronic devices and makes small power demand is increasing, Flyback switching power supplies due to its structure and cost advantages in the areas of low power supply plays a very important role, is the compelling choice of low-power power supply. However, the important part in switching po

8、wer supply-the design of the Flyback transformer is also a problem, its design tends to make power supply extended cycle. With PI to TOPSwitch, represented a new generation of products manufactured by the company born of single-chip switching power supply, good solves many problems. Applied TOPSwitc

9、h-HX design of switching power supplies, components not only fewer, simpler structure, net calorific value less security and more reliable, TOPSwitch-HX series of chips has become an efficient Flyback switching mode power supply design. Study on the development of a universal type, precision and spe

10、cial single-chip switching power module, can substantially improve the switching power supply in China's scientific and technological level and competitiveness in domestic and international markets, creating tremendous economic and social benefits.Keywords:Power electronic technology;switching p

11、ower supply;TOPSwitch-HX;efficiency目錄摘 要IAbstractII緒論51.1開關(guān)電源及發(fā)展現(xiàn)狀51.2課題背景和研究意義61.3本文主要工作和內(nèi)容安排6第二章反激式開關(guān)電源簡介82.1開關(guān)電源相關(guān)知識82.2開關(guān)電源的分類92.3反激式開關(guān)電源的原理9第三章 單端反激式開關(guān)電源系統(tǒng)級分析103.1電源設(shè)計指標103.2主電路拓撲103.2.1電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇要注意的問題103.2.2工作方式選取113.3控制技術(shù)設(shè)計分析113.4反激式開關(guān)電源設(shè)計的系統(tǒng)原理圖13第四章 單端反激式開關(guān)電源電路級設(shè)計154.1保護電路的設(shè)計154.2輸入整流濾波器設(shè)計154

12、.2.1整流濾波器分析154.2.2參數(shù)計算與元器件選型164.3鉗位保護電路設(shè)計174.4反激變壓器設(shè)計184.4.1反激變壓器分析184.4.2反激變壓器參數(shù)設(shè)置184.5輸出整流濾波電路設(shè)計194.6 TOP256MN簡介204.6.1 TOPSwitch-HX系列功能特點204.6.2 TOP256MN引腳功能以及主要參數(shù)214.7反饋電路設(shè)計224.7.1反饋電路分析234.7.2元器件選擇和參數(shù)設(shè)置23總結(jié)與展望24參考文獻25致謝26緒論1.1開關(guān)電源及發(fā)展現(xiàn)狀開關(guān)穩(wěn)壓電源簡稱為開關(guān)電源，開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用功率半導體器件作為開關(guān)，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件

13、的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源主要關(guān)鍵元件是穩(wěn)壓調(diào)整管，開關(guān)電源工作時檢測輸出電壓，經(jīng)過反饋電路對穩(wěn)壓調(diào)整管的基極電流進行負反饋控制調(diào)節(jié)。由于開關(guān)電源直接對電網(wǎng)的電壓進行整流、濾波、調(diào)節(jié)，不需要電源變壓器，工作頻率高，濾波電容小、電感小，因此開關(guān)電源的體積相對較小，而且開關(guān)電源的功耗很低，對電網(wǎng)的適用能力強，所以開關(guān)電源的應用逐漸取代了傳統(tǒng)的電源。隨著科技的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的便攜化，小型化輕型電源的發(fā)展尤為重要。開關(guān)電源的產(chǎn)生為此提供了可行可靠地途徑。開關(guān)電源的高頻率，高可靠性，低功耗，低噪聲，抗干擾和模塊化發(fā)展開關(guān)電源未來的科研方向與目標。然而輕，小，薄技術(shù)的關(guān)鍵在于開關(guān)電源的高頻率化，

14、因為在一定范圍之內(nèi)，開關(guān)電源頻率的提高，不止能夠有效地減小電容和電感以及變壓器的大小規(guī)格，還可以抑制出現(xiàn)對開關(guān)電源的干擾，改善整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，大大的降低導通損耗，電路也變得更為簡單，并使開關(guān)電源進入更廣泛的應用領(lǐng)域。在開關(guān)電源的高可靠性這方面，現(xiàn)在的開關(guān)電源生產(chǎn)技術(shù)通過減少運行電流，降低結(jié)溫等方法以降低器件的應力，使得開關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性得到很大幅度的提高。開關(guān)電源的模塊化是從集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊技術(shù)開始發(fā)展，它是當今國際電力電子技術(shù)界有待解決的新問題之一。開關(guān)電源是電力電子發(fā)展的必然產(chǎn)物，順應了時代的發(fā)展，它的出現(xiàn)已經(jīng)帶來了技術(shù)的革新。開關(guān)電源的高效節(jié)能特性可以給我們帶來巨

15、大的經(jīng)濟效益，因而得到了社會各方面的重視從而得到很大的推廣?，F(xiàn)在無論是國內(nèi)還是國外都在發(fā)展開關(guān)電源，所以其前景是美好的，開關(guān)電源在一定程度上取代傳統(tǒng)電源已經(jīng)是必然的趨勢了。TOPSwitch-HX系列芯片集PWM信號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、高性能價格比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點，能構(gòu)成高效率隔離式開關(guān)電源。本課題所使用芯片TOP256MN應具有以下特點：突出的性價比，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電路，在各種突發(fā)情況下仍能保證系統(tǒng)安全；優(yōu)秀的抗電磁

16、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。1.2課題背景和研究意義電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，處于高頻的反激開關(guān)電源在電氣和電子設(shè)備中的應用已經(jīng)越來越廣泛。反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡單，省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應用。本文設(shè)計開關(guān)電源是為了能夠經(jīng)過能量處理得到所需要的能量輸出。一般的形式是得到一個符合設(shè)計要求的輸出電壓，而這個輸出電壓的數(shù)值不能受到負載電流或是輸入電壓負載電流的干擾。開關(guān)電源由于具有最簡外電路、最佳性能指標、無工頻變壓器、能完全實現(xiàn)電氣隔離等顯著特點，倍受人們青睞

17、，是開關(guān)電源的發(fā)展方向。技術(shù)進步驅(qū)動產(chǎn)品創(chuàng)新?，F(xiàn)在，開關(guān)電源產(chǎn)品的發(fā)展向著高頻化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向。這種由于技術(shù)進步帶動的產(chǎn)品創(chuàng)新同時受到市場的認可?！熬G色”電源，模塊化電源的問世在節(jié)能、降耗、環(huán)保方面發(fā)揮了重要的作用，對于緩解我國的能源和環(huán)境問題大有裨益?；赥OP256MN而設(shè)計出來的高效反激式開關(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，特別適合小功率的電源以及各種電源適配器，具有較高的實用性。本設(shè)計就是設(shè)計一款低功耗的反激式開關(guān)電源控制Ic。1.3本文主要工作和內(nèi)容安排本論文設(shè)計的反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)主要由整流及濾波電路、DC/DC變換

18、器、反饋控制電路三部分組成。本課題設(shè)計主要工作： （1）在整流濾波器和變換器之間設(shè)計一個功率因數(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)，同時降低了諧波電流，從而減小諧波污染。 （2）設(shè)計反饋控制電路、保護電路、軟啟動控制電路、浪涌吸收電路； （3）分析外圍元器件參數(shù)對電路性能指標的影響。要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，可從三個方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號；第二，切斷騷擾信號的傳播途徑；第三，增強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，可以綜合利用上述三個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。 （4）性能指標的分析：對電源的轉(zhuǎn)換率，功

19、耗，兼容性等各個性能指標進行分析。對于如何提高開關(guān)電源的效率，現(xiàn)總結(jié)提高效率的理論方法如下：1、選用合適的芯片，降低空載功耗。2、調(diào)整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R為VTS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，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)整初級電感量，合理地繞線，使漏感變小的選區(qū)標準可以提高效率。7、大電流的走線加寬，可在上面露銅加錫。8、低壓大電流時，選擇同步整流。9、加大DC輸出線線徑。 1

20、0、取消或減小輸出負載電阻。本課題設(shè)計的內(nèi)容安排：第一章是緒論，介紹了開關(guān)電源和發(fā)展狀況，論文課題背景和選題研究的意義以及課題的主要工作和設(shè)計的內(nèi)容安排。第二章是反激式開關(guān)電源的簡介，講解本課題設(shè)計相關(guān)的開關(guān)電源基礎(chǔ)知識，開關(guān)電源的詳細分類以及反激式開關(guān)電源的工作原理。第三章是單端反激式開關(guān)電源系統(tǒng)級分析，收集設(shè)計電源的各項技術(shù)指標，列出本文電源的性能指標，論述開關(guān)電源的電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇要注意的一些問題，選擇本課題設(shè)計電源主拓撲結(jié)構(gòu)，對反激開關(guān)電源控制電路的調(diào)節(jié)方式進行分析以及選取，設(shè)計出反激式開關(guān)電源設(shè)計的系統(tǒng)原理圖。第四章是單端反激式開關(guān)電源電路級設(shè)計。對本設(shè)計開關(guān)電源電路級的各個電路模塊

21、進行詳細分析，計算開關(guān)電源的各個模塊的參數(shù)及進行選取，首先是輸入整流濾波電路的各個元器件選擇和參數(shù)設(shè)置，其中有輸入整流橋的選擇，輸入濾波電容的計算與選擇。跟著是鉗位保護電路設(shè)計，其中有鉗位二極管的計算與參數(shù)設(shè)置。而后對反激開關(guān)電源的變壓器進行分析、參數(shù)設(shè)置、設(shè)計。輸出整流濾波電路和反饋電路元器件各個元器件的合理選擇和參數(shù)設(shè)置。最后是說明TOPSwitch-HX的原理，分析其在電路中的重要作用。第五章是結(jié)論和展望。簡單的總結(jié)本次課題設(shè)計所做的工作以及對開關(guān)電源的展望。第二章反激式開關(guān)電源簡介2.1開關(guān)電源相關(guān)知識下列是本課題設(shè)計有關(guān)于開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識。輸出電壓保持時間：在開關(guān)電源的輸入電壓撤銷

22、后，依然保持其額定輸出電壓的時間。ESR：等效串聯(lián)電阻。它表示電解電容呈現(xiàn)的電阻值的總合。一般情況下，ESR值越低的電容，性能越好。啟動浪涌電流限制電路：它屬于保護電路。它對電源啟動時產(chǎn)生的尖峰電流起限制作用。為了防止不必要的功率損耗，在設(shè)計這一電路時，一定要保證濾波電容充滿電之前，就起到限流作用。 線性調(diào)整率：輸出電壓隨輸入線性電壓在指定范圍內(nèi)變化的百分率。條件是負載和周圍的溫度保持恒定。隔離電壓：電源電路中的任何一部分與電源基板地之間的最大電壓?；蛘吣軌蚣釉陂_關(guān)電源的輸入端與輸出端之間的最大直流電壓。負載調(diào)整率：輸出電壓隨負載在指定范圍內(nèi)變化的百分率。條件是線電壓和環(huán)境溫度保持不變。效率：

23、電源的輸出功率與輸入功率的百分比。其測量條件是滿負載，輸入交流電壓為標準值。輸出瞬態(tài)回應時間：從輸出負載電流產(chǎn)生變化開始，經(jīng)過整個電路的調(diào)節(jié)作用，到輸出電壓恢復額定值所需要的時間。隔離式開關(guān)電源：一般指高頻開關(guān)電源。它從輸入的交流電源直接進行整流和濾波，不使用低頻隔離變壓器。超載或過流保護：防止因負載過重，使電流超過原設(shè)計的額定值而造成電源損壞的電路噪音和波紋：附加在直流輸出信號上的交流電壓和高頻尖峰信號的峰值。通常是以mv度量。軟啟動：在系統(tǒng)啟動時，一種延長開關(guān)波形的工作周期的方法。工作用期是從零到它的正常工作點所用的時間。遠程檢測：電壓檢測的一種方法。為了補償電源輸出的電壓降，直接從負載上

24、檢測輸出電壓的方法。占空比：開關(guān)電源的開關(guān)元件的導通時間和變換器的工作周期之比。2.2開關(guān)電源的分類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)有多種：1、按驅(qū)動方式分，有自勵式和他勵式；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。2.3反激式開關(guān)電源的原理反激式開關(guān)電源的典型電路如圖2-1所示。開關(guān)電源中的反激，是指當開關(guān)管VT1導通時，變壓

25、器初級繞組T的感應電壓為上正下負，整流二極管處于截止狀態(tài)，初級繞組中儲蓄能量。當開關(guān)管VT1截止時，變壓器T初級繞組中儲蓄的能量，通過變壓器次級繞組及整流二極管整流和電容C濾波后向負載輸出。VT1的周期性導通和關(guān)斷為反激式開關(guān)電源的主要特點。當VT1導通的時候，開關(guān)電源變壓器繞組的一次側(cè)線圈內(nèi)持續(xù)的儲蓄能量；而VT1截止的時候，開關(guān)電源的變壓器會把一次側(cè)線圈內(nèi)儲蓄的能量經(jīng)整流二極管給負載端輸出。開關(guān)電源中的脈沖變壓器起著非常重要的作用：一是通過它實現(xiàn)電場-磁場-電場能量的轉(zhuǎn)換，為負載提供穩(wěn)定的直流電壓；二是可以實現(xiàn)變壓器功能，通過脈沖變壓器的初級繞組和多個次級繞組可以輸出多路不同的直流電壓值，

26、為不同的電路單元提供直流電量；三是可以實現(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2-1 反激式開關(guān)電源拓撲第三章 單端反激式開關(guān)電源系統(tǒng)級分析3.1電源設(shè)計指標 在設(shè)計電源時，要充分收集設(shè)計電源的各項技術(shù)指標，以便所設(shè)計的電源能符合用戶的需求。根據(jù)設(shè)計具體需要，下面列出本文電源的性能指標。1、輸入電壓：市電220V/50Hz2、輸入電壓范圍：22020V3、輸出電壓/電流：5V/4A4、輸入頻率：50Hz5、輸出電壓準確度：1%6、工作溫度：-35+807、電壓調(diào)整率：3%8、負載調(diào)整率：3%9、效率：75%10、紋波系數(shù)：1%11、輸出紋波：50mV

27、3.2主電路拓撲3.2.1電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇要注意的問題1、升壓或降壓：如果輸入電壓不始終是比輸出電壓高或低就不能選擇buck變換器或boost變換器。2、占空比：輸入電壓和輸出電壓是否相差5倍以上，如果是，就可能要用變壓器。計算合適的占空比，不要使占空比太小或太大。3、輸出電壓組數(shù)需求：如果多于一組，除非再后接電壓調(diào)節(jié)器，否則就可能需要變壓器，輸出電壓組數(shù)很多時，可以選用多個變換器，這樣做的結(jié)果比較理想。4、隔離：考慮電壓的高低，如果需要隔離就需要變壓器。5、EMI的要求：不要輸入電流不連續(xù)的那些拓撲，如buck變換器，boost變換器，最好讓變換器工作于電流連續(xù)模式。6、成本高低：對離線式電

28、源來說，也可以用IGBT，否則就考慮MOSTET。7、電源是否需要空載工作：如果電源需要空載工作，變換器就要工作于電流斷續(xù)模式，除非是同步整流狀態(tài)。8、同步整流：同步整流不管負載大小如何，都可以是變換器工作于電流連續(xù)模式。9、輸出電流的大?。喝绻敵鲭娏骱艽?，選用電壓模式要比電流模式控制好。3.2.2工作方式選取反激式拓撲開關(guān)電源有兩種工作方式：(1)完全能量轉(zhuǎn)換，又稱為非連續(xù)導通模式，簡稱CCM。這種模式的特點就是，變壓器處于儲能周期的時候，所儲蓄的能量在反激周期完全轉(zhuǎn)移到負載輸出端。(2)不完全能量轉(zhuǎn)換，又稱為連續(xù)導通模式，簡稱DDM。變壓器儲蓄的其中一部份能量保留到下一個儲存周期開始。非

29、連續(xù)導通模式的工作原理：當PWM脈沖激勵開關(guān)管導通，原邊繞組將有電壓V，原邊繞組的電感儲蓄能量，在下一個脈沖還未來到的時候，變壓器中儲蓄的能量并沒有完全釋放，變壓器次級繞組的電流沒能降到0就開始了下一個周期。連續(xù)導通模式的工作原理和非連續(xù)導通模式之間的不同之處就是下一次脈沖電壓還未來到時，變壓器中儲蓄的能量完全釋放，變壓器次級繞組的電流將到為0，下一個周期的變壓器初級繞組的電流將又會從0開始逐漸增加。所以非連續(xù)導通模式的特點就是反激開關(guān)電源的變壓器在每個開關(guān)周期，開始于非0的能量儲蓄狀態(tài)。連續(xù)導通模式的特點是儲存在反激開關(guān)電源的變壓器中的能量在每一個開關(guān)周期內(nèi)都要釋放完全。綜上，這兩種模式下峰

30、值電流和紋波電流之間關(guān)系的不同。連續(xù)導通模式的開關(guān)電流從一定幅度開始，沿著斜坡逐漸增加為峰值，跟著又迅速降為0。連續(xù)導通模式的開關(guān)電流則是從0開始逐漸增加為峰值，再迅速歸0。圖3-1本課題設(shè)計的高效反激式開關(guān)電源控制器始終控制電源工作在非連續(xù)導通的情況下，所需的輸出電壓對應的占空比和工作頻率可以通過公式計算得到。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。3.3控制技術(shù)設(shè)計分析開關(guān)電源的控制技術(shù)主要有三種：脈沖寬度調(diào)制(PWM)；脈沖頻率調(diào)制(PFM)；調(diào)寬調(diào)頻混合電路(PWM-PFM)。1、PWM：脈沖寬度調(diào)制。脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制

31、電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖3-22、PFM：脈沖頻率調(diào)制。調(diào)制信號的頻率的變化隨著輸入信號幅值的變化而變化，占空比保持穩(wěn)定。因為調(diào)制信號一般稱為頻率變化的方波信號，所以PFM也稱為方波FM。圖3-3其中，PWM是目前應用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點是噪音低、滿負載時效率高且能工作在連續(xù)導電模式。PFM相比較PWM主要優(yōu)點在于效率：（1）對于外圍電路一樣的PFM和PWM而言，其峰值效率PFM與PWM相當，但在峰值效率以前，PFM的效率遠遠高于PWM的效率，這是PFM的主要優(yōu)勢。（2）PWM由于誤差放大器的影響，回路增益及回應

32、速度受到限制，PFM具有較快的回應速度。PFM相比較PWM主要缺點在于濾波困難：（1）濾波困難（諧波頻譜太寬）。（2）峰值效率以前，PFM的頻率低于PWM的頻率，會造成輸出紋波比PWM偏大。（3）PFM控制相比PWM控制IC價格要貴。PFM之所以應用沒有PWM多最主要的一個原因：控制方法實現(xiàn)起來容易，PFM控制方法實現(xiàn)起來不太容易。3、PWM-PFM：調(diào)寬調(diào)頻混合電路。PWM-PFM脈寬脈頻綜合調(diào)制方式就是控制芯片根據(jù)輸入電壓的變化，開關(guān)周期和脈沖寬度都不固定，均可調(diào)節(jié)。PWM-PFM調(diào)制方式是同時改變周期T和導通時間Ton兩個參數(shù)來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。它包含了PWM控制器和PFM控制器，兼有

33、PWM和PFM的優(yōu)點。圖3-4 PWM 調(diào)制方式可分為電流控制方式和電壓控制方式兩種 電流型三角波是通過初級線圈電流產(chǎn)生，而電壓型三角波的產(chǎn)生是通過三角波發(fā)生器。電壓型為一個電壓閉環(huán)反饋，而電流型為雙閉環(huán)反饋（內(nèi)環(huán)為電流型，外環(huán)為電壓型）。電流型每一個開關(guān)周期都對變壓器初級電流進行監(jiān)控，其安全可靠性比電壓型高，由于增加了電流內(nèi)環(huán)，所以電流型的動態(tài)反應快，線性調(diào)整率好。由于在閉環(huán)控制時，脈沖調(diào)制開關(guān)電源中使用電流控制模式將很大的降低在回路上所碰到的各種問題，特別是對于完全能量轉(zhuǎn)換的狀態(tài)下，所以本課題將使用電流模式來進行閉環(huán)控制。綜上，本課題設(shè)計采用PWM調(diào)制方式和電流型控制方式。3.4反激式開關(guān)

34、電源設(shè)計的系統(tǒng)原理圖 整流濾波反激變換電路模塊控制電路模塊220v交流5V直流輸出反饋環(huán)路模塊EMI模塊圖 3-5本開關(guān)電源系統(tǒng)由整流濾波電路、功率變換電路、控制模塊和反饋環(huán)路構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3-5。 本文設(shè)計的反激電源功率為20W，控制電路主要采用PC817A、TL431、Topswitch-HX等專用芯片，通過外圍電路的設(shè)計從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能。為了減少輸入電源的電磁噪聲及雜波信號對電源的干擾，在輸入端設(shè)計了EMI抑制電路；為了防止開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當引起輸出過流或短路現(xiàn)象，損壞后級用電設(shè)備，設(shè)計了輸出過流保護和短路保護功能。具體設(shè)計電路見圖3-6所示。 本反

35、激式開關(guān)電源系統(tǒng)采用全控型電力電子器件作為開關(guān)，利用控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等特點。該電源簡要工作原理如下：交流電Ui經(jīng)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

36、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，導致Uo下降，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓目的；反之，當Uo下降時也一樣穩(wěn)定。電流型控制技術(shù)是針對電壓型的缺點發(fā)展起來的一種新穎的控制思想，它以獨特的優(yōu)越性替代電壓型控制被廣泛應用于正激、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)控制方法存在負載的大小對開關(guān)頻率影響甚大的問題，而平均電流型控制電路實現(xiàn)較復雜，所以本設(shè)計是采用峰值電流控制方法。圖3-6第四章 單端反激式開關(guān)電源電路級設(shè)計4.1保護電路的設(shè)計為限制通電瞬間的尖峰電流，使得反激開關(guān)電源

37、長期安全可靠、穩(wěn)定的工作，保護電路必須要仔細精確地設(shè)計，應該避免由于電路出現(xiàn)的故障、開關(guān)電源不正確使用或是因為環(huán)境條件突然改變，這些情況都會損傷到開關(guān)電源。該保護電路可在輸入端接入具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻(VSR 5)實現(xiàn)。選擇該電阻時應使之工作在熱狀態(tài)(即低阻態(tài))，以減小電源電路中的熱損耗。其阻值就會隨著電阻體發(fā)熱而迅速下降。同時，熱敏電阻有一個規(guī)定的零功率電阻值，在完成抑制浪涌電流作用后，由于通過電流的持續(xù)作用，其阻值將下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不計，不會對正常的工作電流造成影響。保險管主要是防止浪涌電流過大或是溫度電阻的損壞，導致電流過大，為了保護后級電路增加的。4.2輸入

38、整流濾波器設(shè)計4.2.1整流濾波器分析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。1、整流橋的導通時間與選通特性。50Hz交流電壓經(jīng)過全波整流后變成脈動直流電壓u1，再通過輸入濾波電容得到直流高壓U1。在理想情況下，整流橋的導通角本應為180°(導通范圍是從0°180°)，但由于濾波電容器C的作用，僅在接近交流峰值電壓處的很短時間內(nèi)，才有輸入電流流經(jīng)過整流橋?qū)充電。50Hz交流電的半周期為10ms，整流橋的導通時間tC3ms，其導通角僅為54°(導通范圍是36°90°)。因此，整流橋?qū)嶋H通過的是窄脈沖電流。橋式整流濾波電

39、路的原理如圖1(a)所示，整流濾波電壓及整流電流的波形分別如圖l(b)和(c)所示。圖4-1總結(jié)幾點：(1)整流橋的上述特性可等效成對應于輸入電壓頻率的占空比大概是30。(2)整流二極管的一次導通的過程，看作為“選通脈沖”，它的脈沖重復頻率等于交流電網(wǎng)的頻率(50Hz)。(3)為了減少電源中500kHz以下的傳導噪聲，偶爾會使用兩個普通硅整流管(例如1N4007)與兩個快恢復二極管(如FR106)構(gòu)成一個整流橋，F(xiàn)Rl06的反向恢復時間trr250ns。隔離式開關(guān)電源一般采用由整流管構(gòu)成的整流橋，也可以采用成品整流橋，完成橋式整流。全波橋式整流器簡稱為硅整流橋，它是由四個硅整流管構(gòu)成為橋路形式

40、，而后用塑膠封裝的半導體器件。它具有體積小、使用方便、各整流管的參數(shù)一致性好等優(yōu)點，可廣泛用于開關(guān)電源的整流電路。硅整流橋有4個引出端，其中交流輸入端、直流輸出端各兩個。硅整流橋的最大整流電流平均值分0540A等多種規(guī)格，最高反向工作電壓有501000V等多種規(guī)格。小功率硅整流橋可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流橋則要用螺釘固定，并且需安裝合適的散熱器。2、交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)分析電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導噪聲的頻譜大致為10kHz30MHz，最高可150MHz。電源噪聲，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時間短、電壓振幅度高、隨機性強，對微機和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴重干擾

41、。開關(guān)電源屬于強干擾源，其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此，抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時提高其對電磁干擾的抗擾性，在設(shè)計和開發(fā)過程中需要特別的關(guān)注。針對以上問題，應在交流輸入端設(shè)計電磁干擾濾波器(EMI)。該濾波器由L1和X1用于構(gòu)成，其中，X1能濾除輸入端脈動電壓所產(chǎn)生的串模干擾，L1則可抑制初級線圈中的共模干擾。4.2.2參數(shù)計算與元器件選型1、輸入整流橋(BR)的選擇整流電路選用滿足電流閾值和電壓的二極管構(gòu)成。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)的標稱電源電流IN應大于在輸入電壓為最

42、小值(Umin)時的初級有效電流，功率因數(shù)應取0.60.8之間，其具體數(shù)值取決于輸入電壓和輸入阻抗，本設(shè)計選用四個二極管IN5819。肖特基二極管IN5819參數(shù)如下：封裝：DO-41正向平均電流：1A反向峰值電壓：40V反向漏電流：1mA正向壓降：0.6V正向不重復峰值電流（浪涌電流）：30A結(jié)（極間）電容:55PF對比設(shè)計參數(shù)，可見滿足本電路系統(tǒng)的要求。2、電磁干擾濾波器(EMI)X1能濾除輸入端脈動電壓所產(chǎn)生的串模干擾，X1為安規(guī)電容，其容值不需要很大，一般取0.01-0.47uF，這里我們?nèi)?.01uF。L1為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾，共模扼流圈與輸入電流大小有關(guān)，一

43、般取8-10mH，這里選用10mH的扼流圈。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾。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。輸入濾波電容C1的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對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，通常輸入電壓Ui增加時，每瓦輸出功率所對應的電容量可減小。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。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。二極管導通時間為4ms ，則C1值可由下式?jīng)Q定：C1=2Pin(Tline-tdon)2Vacmin(1-k2min)47F式中：Tline

44、為輸入交流電壓的周期；tdon為每周期內(nèi)整流二極管的導通時間；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。4.3鉗位保護電路設(shè)計每個開關(guān)周期當TOPSwitch-HX關(guān)斷，由于變壓器漏感，反激式開關(guān)電源在變壓器的原邊將引起尖峰電壓和感應電壓。反激式開關(guān)電源高頻變壓器存在漏感(即漏磁產(chǎn)生的自感)就會產(chǎn)生尖峰電壓，與直流高壓及感應電壓疊加在MOS管的漏極上，使得MOS管很容易受到損傷。因此，必須在MOS管漏極增加鉗位保護電路，對尖峰電壓進行鉗位。鉗位電路主要用來限制反激開關(guān)電源中的高頻變壓器漏感所產(chǎn)生

45、的尖峰電壓并減小漏極產(chǎn)生的振鈴電壓。單片開關(guān)電源模塊電路中，鉗位保護電路由TVS和D5構(gòu)成。其中，TVS為瞬態(tài)電壓抑制器，它是一種新型的過電壓保護器件，在承受瞬態(tài)高能量電壓時，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，一般選用快恢復二極管。TVS和D5的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135V。TVS的鉗位電壓V由經(jīng)驗公式V=1.5VOR得出；D5的耐壓值應大于整流后的最大電壓值。穩(wěn)壓管TVS的反向擊穿電壓應取為1.5倍的Vor，今選用P6KE200，P6KE200是TVS二極管，具體參數(shù)：功率：600W工作電壓：20

46、0V嵌位電壓：344V最大電流：1.7A封裝：DO-15主要作用：保護線路中的重要器件，主要是防靜電。為降低其損耗，D5可選用FR106型瞬變電壓抑制二極管。對比設(shè)計參數(shù)，可見滿足本電路系統(tǒng)的要求。4.4反激變壓器設(shè)計 在反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，它具有能量存儲、原副邊隔離和電壓轉(zhuǎn)換三種作用。設(shè)計的主要參數(shù)包括最大占空比Dmax，初級電感量Lp，變壓器變比N，初、次級繞組匝數(shù)Np、Ns等。 PI公司設(shè)計開發(fā)的開關(guān)電源設(shè)計軟件是一種交互式軟件，可以針對相關(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。其中包括三個設(shè)計軟件分別是：PI Expert、P

47、I Transformers Designer、PI XLs Designer。根據(jù)輸入的電壓、輸出功率及芯片型號，PIExpert軟件可完成電路設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)。但是，在利用這類芯片設(shè)計高頻變壓器之前，必須對變壓器的設(shè)計過程及有關(guān)的一些名詞要有所了解，這樣才能設(shè)計出高效率高性能的變壓器。4.4.1反激變壓器分析 當開關(guān)管開通的時候，原邊相當于一個電感，在電感兩端施加電壓，其電流線性上升，電流增加量I=Vin*ton/L，這三項分別是原邊輸入電壓，開關(guān)開通時間，和原邊電感量。在開關(guān)管關(guān)斷的時候，原邊電感放電，電感電流又會下降，此時電流減小量=Vor*toff/L，這三項分別是原邊感應電壓，即放電

48、電壓，開關(guān)管關(guān)斷時間，和電感量。當電路工作在穩(wěn)態(tài)，一個周期中原邊電感電流的增加量等于減小量，所以有Vin*Ton/L=Vor*Toff/L。上式中可以用D來代替Ton，用(1-D)來代替Toff，得到D=Vor/（Vor+Vin），通過公式計算出最大占空比。4.4.2反激變壓器參數(shù)設(shè)置 根據(jù)本課題設(shè)計，電壓值和電流值分別為5V、4A，可以計算出輸出功率為 根據(jù)前面設(shè)定的效率值和輸出功率，計算出輸入功率為 輸入交流電經(jīng)過整流橋后，它最小輸入直流電壓為 其最大輸入直流電壓為根據(jù)上面所算的最大輸入直流電壓和最小輸入直流電壓，推算出最大輸入直流電流和最小輸入直流電流。由前面分析，D=Vor/（Vor+

49、Vin），由于TOP256MN的最大關(guān)斷電壓是700V，故Vor應小于145V。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=135V。所以Dmax=Vor /（Vor+Vin）=135V/（135V+248.9V）=0.35 由于本電路采用單端反激式的電路結(jié)構(gòu)，變壓器磁芯工作在第一象限，所以選擇磁芯材料時要考慮飽和磁密Bs盡量要大，剩磁Bt盡量要小，以保證B=Bs-Bt足夠大，這樣可以減小變壓器原邊繞組匝數(shù)。磁芯的居里溫度盡量要大，以確保在長期高溫滿負荷工作時變壓器磁導率隨溫度變化不大，從而保證變壓器正常工作。磁芯損耗Pc盡量要小，提高

50、效率并且保證變壓器工作時溫升小于50。磁芯的工作頻率要大于TOPSwitch-HX芯片的工作頻率，并留有足夠的裕量。 根據(jù)經(jīng)驗，當MOSFET開關(guān)管截止時，加在MOSFET開關(guān)管漏源極的最大尖峰電壓Vdsmax為Vinmax+1.4×1.5Vor+Vd1(Vd1時二極管D1的瞬間正向?qū)妷?，設(shè)為20V)。根據(jù)相關(guān)資料可知，對TOP256MN器件來說，在176264Vac或230Vac輸入時，取Ns取0. 6匝/V，所以次級繞組匝數(shù)Ns=0.6*Vo=0.6*5V=3。根據(jù)Vor可以計算得出變壓器的匝比：N=Vor/Vo=135V/5V=27式中Vo是系統(tǒng)的輸出電壓。初級繞組匝數(shù)Np

51、=Ns*Vor/Vo=3*135V/5V=81。隨著原邊電感Lp的增加，系統(tǒng)工作在連續(xù)模式下的電壓范圍會加寬，TOP256MN的最大電流會減小、系統(tǒng)的最大占空比穩(wěn)定。然而，變壓器電感量越大，變壓器電感體積越大，反激開關(guān)電源變壓器的磁芯越容易飽和?？紤]到MOSFET開關(guān)管的最大電流裕量，取Lp=600uH。 4.5輸出整流濾波電路設(shè)計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。肖特基二極管是低功耗、大電流、超高速的半導體器件，由于其反向恢復時間超短，正向?qū)▔航荡蠹s為0.4V，而整流電流可達到幾千安培。因

52、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能。1、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，且不存在快恢復整流管的反向恢復損耗；二是將開關(guān)電源設(shè)計成連續(xù)工作模式，以減小次級的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標稱電流應為輸出直流電流額定值的3倍以上。本課題設(shè)計采用方法一。設(shè)計中選擇肖特基整流二極管應考慮以下幾點：（1）正向壓降小，以減小損耗，提高效率，尤其是大電流、低電壓輸出的電路；（2）反向恢復電流峰值IRM要小，與之相關(guān)的反向恢復時間trr應小，尤其是二極管以很高的di/dt從正向?qū)顟B(tài)直接反向時

53、更為重要；（3）正向恢復電壓VFRM要小，尤其是用反向額定電壓（PIV）值高的整流管及用超快恢復二極管時；（4）反向電流IR小，尤其是高電壓和高結(jié)溫應用的場合。根據(jù)以下四點要求可知，普通的PN結(jié)二極管是不能滿足此次設(shè)計要求的。此次設(shè)計中所用二極管是型號為肖特基整流二極管STPS30L。普通二極管利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，而肖特基二極管則利用金屬和半導體面接觸產(chǎn)生的墊壘（barrier）整流作用，這個接觸面稱為“金屬半導體結(jié)”。肖特基二極管的特點是：正向壓降比PN結(jié)二極管的VDF低，約為后者的1/2-1/3；trr約為10ns數(shù)量級；適用于低電壓（<50V）的電力電子電路中。此外，肖特基二極

54、管是根據(jù)漂移現(xiàn)象產(chǎn)生電流的，不會積累，也就無需移去多余的截流子，國此不存在正向或反向恢復現(xiàn)象。這是肖特基二極管trr相當小的原故。查閱了STPS30L的PDF資料后可知，該型號二極管能在高溫高頻環(huán)境下高效穩(wěn)定的工作。其正向壓降VDF=0.58V，反向恢復電流峰值Irm在25時為0.55mA，在125時也僅為7mA，PIV值為100V。以上參數(shù)都能滿足本次設(shè)計要求，所以D7應選用肖特基整流二極管STPS30L，2、輸出濾波電容輸出電壓光靠整流功率二極管還不能減小紋波到設(shè)計要求范圍內(nèi)，還需要在后面加上濾波電容，一般而言，濾波電容越大，濾波效果越好。所以在實際的電路設(shè)計中，一般選取電容值較大來減小紋

55、波等雜波對輸出電壓的影響，電源工作時，輸出濾波電容C8上的脈動電流通常很大。一般在固定負載情況下，通過C8的交流標稱值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上的脈動電流。設(shè)輸出端負載為純電阻性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，C8取1000uF。電容C6/C7應選等效串連電阻(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。4.6 TOP256MN簡介4.6.1 TOPSwitch-HX系列功能特點 TOPSwitch 系列芯片集PW

56、M信號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、高性能價格比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。TOPSwitch-HX除了像三端TOPSwitch一樣，具有高壓啟動、逐周期電流限制、環(huán)路補償電路、自動重啟動、熱關(guān)斷等特性外，還綜合了多項能降低系統(tǒng)成本、提高電源性能和設(shè)計靈活性的附加功能。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)測和外部流限（僅限Y和E封裝）三個引腳、電壓監(jiān)測和外部流限（僅限M封裝）兩個引腳或一個多功能引腳（P和G封裝），以實現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時，TOPSwitch-HX以類似TOPSwitch的三端模式工作。然而， 在此種模式下，TOPSwitch-HX仍能實現(xiàn)如下多項功能而無需其他外圍元件：（1）完全集成的17 m軟啟動，通過從低到