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1、目 录1 前言12 开关电源的发展23.开关电源的模块设计33.1开关电源基本原理33.2 开关电源的特点33.3 提高开关电源效率的方法43.4 开关电源的工作方式54 总体模块设计74.1方案一74.2 方案二74.3 方案比较85 单元模块设计95.1 脉宽调制及脉冲变压器外围电路95.2前级共模电感电路105.3整流滤波电路105.4误差取样及反馈调节电路115.5 输出端电路126 调试与性能分析137 设计要点148 设计总结159 参考文献16附录一：电路原理图17附录二：PCB图181 前言目前，开关电源以体积小、质量轻和效率高的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备
2、、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行的小功率开关稳压电源的设计与制作。该开关电源共选用3片主要的集成电路TOP246Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431。利用TOP246Y型6端单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源（Switched M
3、ode Power Supply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。开关电源因其高效率在电子产品中得以广泛应用，目
4、前，觉大多数电子设备均采用了开关电源技术，其优点是，设备质量轻、体积小和高效率，大大多数效率高于70%，从效率上讲，这是线性直流稳压器无法比拟的。2 开关电源的发展 随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量
5、轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz
6、的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有30%40%。因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。1）小型化、薄型化、轻
7、量化、高频化2） 高可靠性3）低噪声4）采用计算机辅助设计和控制是开关电源的技术追求和发展趋势。3.开关电源的模块设计3.1开关电源基本原理开关电源的典型电路如图2-1所示。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，
8、开始新的周期。开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。图3.1 开关电源原理3.2 开关电源的特点开关电源具有输出纹波电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。采用了较新的电路结构，采取一系列措施来降低输出纹波，能在输出过压、过流、过热和电路工作异常时进行保护。具有一定创新性和先进性。线性稳压电源的输出电压稳定度很高，纹
9、波电压很小，其缺点是电源效率低，需使用笨重的工频变压器。而单片开关电源的效率很高，体积小，能省去工频变压器，输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大，可与其他相应的稳压器构成理想的高效、精密稳压电源。-GX适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器（adapter）。本设计的交流输入电压范围是85V265V，这属于全世界通用的电压范围，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。因此，该开关稳压电源的设计主要采用TOP246Y型6端弹片开关电源、线性光耦合器PC817与可调式精密并联稳压器TL431等集成芯片进行设计。3.3 提高开关
10、电源效率的方法提高开关电源效率的方法：1、选用合适的芯片，降低空载功耗。2、调整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R为TVS管。3、根据输出二极管两端的峰峰电压选用低耐压的整流管，最好选用品牌肖特基。4、调整输出二极管的LC吸收回路。5、合理选用输入端的热敏电阻，保证在正常工作时，阻值最小。6、合理选用变压器，按照使铜损与铁损减到最小，增大变压器磁芯规格，增加线径，选择低功耗磁芯，调整初级电感量，合理地绕线，使漏感变小的选区标准可以提高效率。7、大电流的走线加宽，可在上面露铜加锡。8、低压大电流时，选择同步整流.。9、加大DC输出线线径。10、取消或减小输出负载电阻。3.4 开关电源的工作方式
11、开关电源有两种工作方式：(1) 完全能量转换，也叫做非连续导通模式。该模式的特点是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。(2) 不完全能量转换，也叫做连续导通模式。存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。图3.2 开关电源工作方式在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始增大的，上升到峰值再迅速回零。其开关电流波形成梯形。这表明，因为在连续模式下，储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，所以下一开管周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流IP和有效值电流IRMS，降低芯片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量LF，这会导致高频变压器的
12、体积增大。综上所述，连续模式适用于选输出功率较小的和尺寸较大的高频变压器。非连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再降至零的。这意味着储存在高频变压器中的能量必须在每形个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。非连续模式下的IP，IRMS值较大，但所需要的IP较小。因此，它适合采用输出功率较大的，配尺寸较小的高频变压器。结合图3.1以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。(1) 励磁阶段：当开关VT1导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次
13、级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。(2) 去磁阶段：当励磁阶段结束后，VT1停止导通。由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。(3) 非连续导通阶段：当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。在连续导通
14、模式下，不存在这个阶段。本课题设计的高效反激式开关电源控制器始终控制电源工作在非连续导通的情况下，所需的输出电压对应的占空比和工作频率可以通过公式计算得到。但是由于器件的寄生参数以及环境变化，在开关电源中一般采用闭环控制取代开环控制。而闭环控制中的电流控制模式在脉冲调制开关电源中可以大大减少回路上所遇到的各种问题，尤其对于完全能量转换的情况，因此本文的设计将采用电流模式进行闭环控制。4 总体模块设计4.1方案一从输出端输出信号到整流电路以整流电路、脉宽调制电路、稳压电路及脉冲变压器电路组成，其结构框图如下图4.1.1所示：整流电路输入端脉宽调制电路脉冲变压器电路稳压电路输出端图 4.1 方案一
15、原理框图4.2 方案二考虑到让系统更加稳定，我们通过脉宽调制器来控制开关管，并且加入误差取样电路通过光耦的反馈调节，使得输出更加符合设计要求。其接口框图如图4.1.2所示：220V/50HZ输入整流滤波开关管脉宽调制比较放大误差取样基准电压形成电路直流电压输出直流变换器图4.2方案二原理框图4.3 方案比较方案一只是简单的进行了一下系统化的设计，没有考虑到具体的反馈调节，由于在现在电源使用中，很多场合都是要求高精度、且稳定性好、并要易于控制的。所以方案二更适合于应用的电路中。要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；第二，切断骚扰信号的传播途径；第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。
