高频开关电源课程设计指导书.

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1、高频开关电源课程设计指导书 在现代电力电子技术中，电力变换有下列几种，AC-DC（即 AC 转换成为 DC， 其中 AC 表示交流电， 表示直流电） DC 称为整流， DC-AC 称为逆变， AC-AC 称为交流- 交流变换，DC-DC 称为直流-直流变换。高频半导体功率器件出现后， 用半导体功率器件 作为高速开关，使其在开关状态下工作，实现能量转换的电 路，称为开关变换器电路。利 用闭环反馈控制稳定变换器的输出，再加上保护 环节等，即可构成开关电源（Switching Power Supply） 。开关电源主要组成部分 是 DC-DC 变换器，它是功率转换的核心。 把 直流电压变换为低于这一

2、数值的直流电压，最简单办法是串联一个可变 电阻（功率三极管），用线性器件控制阻值的大小，实现稳定的输出，这就是线 性电源，它不涉及变频问题， 电路简单，但效率低。 用半导体功率器件作为开关，使变换器在固定频率下工作，通过调 制占空 比（PWM）控制输出，称为脉宽调制变换器，还可以固定开关导通时间，通过 改 变工作频率（PFM）控制输出，这称为频率控制变换器。另外，还有脉宽和 频率都可以改 变的变换电路。给变换电路加上整流电路和滤波电路，就构成一 个完整的 DC-DC 变换 器。 一个开关周期 Ts 内，功率开关导通时间 tON 所占整个开关周期 Ts 的比例，称 为占空比 D，即 D = tO

3、N Ts ；占空比越大，负载上电压越高。目前应用较广的是 脉宽调 制型（PWM）变换器，它包括正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥 式等多种类型。 在高频开关电源功率转换电路中，单端变换器（反激、正激）中的高频变 压器的磁芯只工 作在第一象限，即处于磁滞回线的一边。按变压器的副边开关 整流器二极管的不同连接方 式，单端变换器有两种类型：一种是单端反激式变 换器（主功率开关管与变压器副边整流 管的开通时间相反：当前者导通时后者 截止，反之当前者截止时后者导通） ，另一种是 单端正激式变换器（两者同时导 通或截止） 。 1 一、单端反激式开关稳压电源设计 单端反激式开关稳压电源设计 1.1 单端反

4、激式开关电源 由 Buck-Boost 推演并加隔离变压器后得反激变换器原理线路， 如图 1-1 示。 T1 Ip Vs Lp Tr n:1 Ls D1 C Ro Io Vo 图 1-1 单端反激变换器主回路电路图 当加到原边主功率开关管 Tr 的激励脉冲为高电平时，Tr 导通，直流输入电 压 Vs 加在 原边绕组 N P 两端，能量储存在原边绕组 N P 内，此时因副边绕组相位 是上负下正， 整流管 D1 反向偏置而截止；当驱动脉冲为低电平使 Tr 截止时， 原边绕组 N P 两端电 压极性反向，使变压器副边绕组相位变为上正下负，整流管 被正向偏置而导通，此后储存 在变压器原边绕组 N P

5、中的磁能向负载传递释放。 因单端反激变换器只是在原边开关管 导通期间储存能量，当它截止时才向负载 释放能量，故高频变压器在开关工作过程中，既 起前后级隔离作用，又是电感 储能元件。因此又称单端反激变换器为“电感储能式变换器”。 在单端反激变换器中，一般有两种工作方式：一种是完全能量转换（电感 电流不连续 方式） 。在储能周期（ ton ）中，变压器中存储的所有能量在反激周 期（ toff ）中都 转移到输出端。另一种是不完全能量转换（电感电流连续方式） 。 储存在变压器中的一 部份能量在 toff 末保留到下一个 ton 的开始。 1.2 TOPSwitch 单端反激开关电源设计 单 端反激开

6、关电源设计 TOPSwitch 系列芯片是美国 PI 公司新推出的第二代单片开关电源 集成电 路。芯片内含振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管 、偏 置电路、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/ （MOSFET） 2 自动重启动电路。能以最简单的方式构成无工频变压器的反激式开关电源。其 开关频率为 100KHz。它不仅设计先进，功能完善，而且外围电路简单，使用 非常灵活。是目前设计小功率（250W）开关电源的最佳选择。表 1-1 列出了各 种 TOPSwitch 的不同输出功率。表 1-1 各种 TOPSwitch 的不同输出功率 型号 TOP220 TOP201

7、TOP202 TOP203 TOP204 TOP214 Pmin(W) 0 10 15 20 30 25 Pnom(W) 6 16 23 28 40 34 Pmax(W) 12 22 30 35 50 42 Ppeak(W) 13 27 40 48 73 61 TOPSwitch 封装和内部原理图如图 1-2 和图 1-3 所示。 图 1-2 TOPSwitch 封装外形 CONTROL ZC 关断/自动复位 内部电源 +8V 可控导通 DRAIN 热关断 5.7V 振荡器 DMAX 时钟 SAW & 通电复位 S SET Q VILIMIT R CLR Q 1 & S SET Q 门极驱动

8、1 R CLR Q PWM 比较器 RE & 前沿消隐 最小导通 时间延迟 SOURCE 图 1-3 TOPSwitch 内部功能框图 电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在 RE 两端产生压 降，经 RC 滤波后，输入到 PWM 比较器的同相端，与振荡器产 3 生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动 MOSFET 管，因而可通过控 制极外接 的电容充电过程来实现电路的软启动。 当控制极电压 Vc 达到 5.7V 时， 内部高压电流 源关闭，此时由反馈控制电流向 Vc 供电。在正常工作阶段，由外 界电路构成电压负反 馈控制环，调节输出级 MOSFET 的占空比以

9、实现稳压。当 输出电压升高时，Vc 升高， 采样电阻 RE 上的误差电压亦升高。而在与锯齿波 比较后，将使输出电压的占空比减小， 从而使开关电源的电压减小。当控制极 电压低于 4.7V 时，MOSFET 管关闭，控制电路 处于小电流等待状态，内部高 压电流源重新接通并向 Vc 充电，其关断/自动复位滞回比 较器可使 Vc 保持在 4.7V5.7V 之间。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止 输出级 MOSFET 再次导通，直到八个放电充电周期完成为止。因此，在自动重启期 自 动重启动电路一直工作 间， 占空比控制在 5%左右可有效地限制芯片的功耗。 到 Vc 进 入受控状态为止。TOPS

10、witch 各引脚功能见表 1-2。 表 1-2 TOPSwitch 引脚功能介绍 引脚 漏极脚（DRAIN） 功能 接输出管 MOSFET 漏极， 在启动工作时，经过内部开关电流源提供 内部偏置电流。该脚还是内部电流监测点。控制脚 （CONTROL） 是误差放大器和反馈电流输入脚， 以控制占空比。正常工作时内 部分 流调节器接通，提供内部偏置电流。该脚也接电源旁路和自动再启动 /补偿电容器。 源极脚（SOURCE） 是输出级 MOSFET 的源极连线，接直流高压和主变压器原边电路的 公共端与参考点。 图 1-4 和图 1-5 所示为 TOPSwitch 单端反激式开关电源的设计方法流程图。

11、图 1-6 所 示为 TOPSwitch 单端反激变换器的原理图。 4 1、确定电源的输入参数 Vacmin,Vacmax,fL,Vo,Po 12、确定原边电感量 2、选择反馈电路和 VB 13、选择磁心和绕线骨架， 确定变压器 Ae,Le,AL,BW 是 3、确定直流高压输入值 Vmin,Cin 非 14、设置 Ns,L 22、Ns,L 反复核查 4、确定反射、箝位电压 VOR,VCLO 15、计算 Np,NB 5、确定最大占空比 Dmax 16、计算 Bm 6、设置电流比例因数 KRP 非 17、20000.051mm 是 9、计算 TOPSwitch 功耗 PD 20、计算 OD,DIA

12、,CMA 是 10、PD 过高时 非 非 11、Ip=0.9ILIMIT 是 24、计算 PIVs,PIVB 21、200CMA500 是 23、计算 Isp,ISRMS,IRIPPLE,DIAs,ODs 非 单端反激式开关电源的设计方法流程图（ 图 1-4 TOPSwitch 单端反激式开关电源的设计 方法流程图（一） 5 25、选择箝位齐纳管和阻 断二极管 31、选择偏置电容 26、选择输出整流二极管 32、选择控制脚电容器和 串联电阻 27、选择输出电容 33、根据参考设计选择反 馈电路结构 28、开关脉动过高 非 是 29、选择输出后续滤波器 L,C 34、选择桥式整流器 35、完成设

13、计 30、选择偏置整流二极管 端反激式开关电源的设计方法流程图（二） 图 1-5 TOPSwitch 单端反激式开关电源的设 计方法流程图 图 1-6 TOPSwitch 单端反激变换器原理图单端反激变换器中的变压器，既是作为变压器，又是作为储能电感，它的 设计方法与单端 正激变换器变压器大不相同，与其他类型的变换器也不同。其 设计参数主要有三项： 1先求出原边绕组电感量 LP ； 6 2选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯； 3再计算原边绕组匝数 N P 。 下面给出计 算公式： Lp = 2 ton E 2 RL t V2 E 2TD 2 ，由于 D = on ， Po = o ，则 L p

14、 = 2Vo2T T RL 2 Po 因为单端反激变换器的功率通常较小，一般选用铁氧体磁芯作为变压器， 其功率容量 （Ap）计算式如下： Ap = Ae AQ = PT 106 2 f s Bm K m K c 式中 Ae 是磁芯截面积（cm2） Q 是磁芯窗口面积（cm2） T 是变压器的标称 ，A ，P ，B ， 输出功率（W） m 是磁芯工作的磁感应强度（G） 是线圈导线的电流密度， 通常取 23（A/mm2） 是变压器的效率，通常取它的值为 0.80.9，Km 是窗 ， 口的 填充系数，一般取 0.20.4，Kc 是磁芯的填充系数，对于铁氧体 KC=1。根 据计算出的 值，选取余量稍大

15、些的磁芯即可。表 1-3 列出了 EE 型磁芯参数。 变压器原边匝数为： Np = Lp d = Lp I p 2 Ae ( Bm Br ) 108 通常在铁氧体磁芯中加进气隙， 它能使变压器铁芯承受较大的励磁安匝数， 防止铁芯饱 和。通过调节气隙也可得到所需的绕组电感量，并使电感量在整个 工作范围内变化较小。 磁芯参数 表 1-3 EE 型磁芯参数 型号 EE10 EE11 EE16 EE19 EE20 EE22 EE25 EE55 C1(mm-1) 2.46 2.21 1.805 1.741 1.208 2.19 1.078 0.34 Ae(mm2) 10.6 12.3 19.6 22.8

16、 39.0 24.6 44.5 354 7 le(mm) 26.1 27.2 35.4 39.6 47.1 53.9 47.9 120 Ve(mm3) 276 334 693 903 1840 1320 2130 42500 EE65 EE70 EE85A EE85B EE110 0.279 0.344 0.264 0.22 0.191 500 461 714 859 1280 139 159 188 189 244 69700 73200 134500 162000 312000 常用漆包线规格参数（ 表 1-4 常用漆包线规格参数（一） 铜芯导线标称直径(mm) 铜芯导线标称直径 0.28 0.31 0.33 0.40 0.45 0.53 0.60 0.63 0.75 0.95 漆包线测量绝缘外径(mm) 漆包线测量绝缘外径 0.33 0.36 0.39 0.46 0.51 0.60 0.67 0.70 0.84 1.04 铜芯截面积(mm2) 铜芯截面积 0.0616 0.0755 0.0855 0.