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1、1绪 论开关电源（Switched Mode Power Supply，SMPS）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的变换。其功率从零点几瓦到数十千瓦，被广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。比如：小到彩色电视机、DVD 播放机等家用电器、大到飞机、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。脉宽调制（PWM）技术的发展，导致了 PWM 开关电源问世（PWM 开关电源的特点是用 20KHz 的载波进行脉冲宽度调制，电
2、源的效率可达 65%70%） ，大幅度节约了能源，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。高频化使开关电源装置空前的小型化，并使其进入更广泛的领域，特别是推动了高新技术产品的小型化、轻便化，在节约资源及保护环境方面具有深远的意义。随着电子技术的高速发展，电子设备的应用领域越来越广，与人们的工作、生活的关系日益密切。但是，任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。并且，随着集成芯片尺寸的不断减小，处理速度越来越高，需要更加小型化、轻量化的电源（磁性元件和电容的体积、重量应随之减小） ；未来的绿色电源要求开关电源的效率更高，性能更好，可靠性更高等。这一切
3、将促进开关电源的不断发展和进步。开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行小功率开关型稳压电源特性的研究。本文采用 TOP224Y 研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了理论的可行性。具有较强的适用性。本设计的交流输入电压范围是 AC140V240V，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护等功能。主要采用 TOP224Y、PC817、TL431 等
4、专用芯片以及其他的2电路元件相配合来完成。本主要内容如下：根据开关型稳压电源采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等新型电源特点，设计并制作出一种额定输出功率为 40W 的通用小型开关电源。31 开关电源的基本类型开关电源的分类方法有多种。 按电路的输出稳压控制方式分类可分为脉冲宽度调制（PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式和脉冲调频调宽式三种；按触发方式分类可分为自激式开关电源和它激式开关电源；按电路的输出取样方式分类可分为直接输出取样和间接输出取样；按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开
5、关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源等。下面我们介绍几种开关电源。(1) 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图 1-1 所示。它与单端反激式电路在形式上相似，但工作情形不同。当开关管 VT1 导通时, VD2 也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感 L 储存能量；当开关管 VT1 截止时，电感 L 通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。在电路中还设有箝位线圈与二极管 VD1，它可以将开关管 VT1 的最高电压限制在两倍电源电压之间。电路中脉冲的占空比不能大于 50%。由于这种电路在开关管 VT1 导通
6、时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200W 的功率。但变压器结构复杂，体积也较大。因此，实际应用并不多。(2) 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图 1-2 所示。当开关管 VT1 导通时，输入侧的电能以磁能的形式存储在变压器的初级线圈中，由于同名端的关系，次级侧二极图 1-1 单端正激式开关电源4管 VD1 不导通，负载没有电流流过。当功率开关晶体管 VT1 断开时，变压器次级绕组以输出电压 UO 为负载供电，并对变压器进行消磁。单端反激式开关电源电路简单，所用元件少，输出电压即可高于输入电压又可低于输入电压，一般适用在输出功率为 200W 以下的开
7、关电源中。(3) 自激式开关稳压电源 自激式开关电源的典型电路如图 1-3 所示。接入电源后 R1 给开关管 VT1 提供启动电流，使 VT1 导通，其集电极电流 Ic 在 L1 中线性增长，在 L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使 VT1 很快饱和。同时，感应电压给C1 充电。随着 C1 充电电压的增高，VT1 基极电位逐渐变低并退出饱和区，Ic 减小，在 L2 中感应出使 VT1 基极为负、发射极为正的电压，使 VT1 迅速截止，这时二极管 VD1 导通，高频变压器 T 初级绕组中的储能释放给负载。在 VT1 截止时，L2 中没有感应电压，直流供电输入电压又经 R1
8、 给 C1 反向充电，逐渐提高 VT1 基极电位，使其重新导通，再次达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。像单端反激式开关电源那样，由变压器 T 的次级绕组向负载输出所需的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。图 1-2 单端反激式开关电源5(4) 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图 1-4 所示。它属于双端式变换电路，使用两个开关管 VT1 和 VT2，在外激励方波信号的控制下交替导通与截止，在变压器 T 次级绕组得到方
9、波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在 100500W 范围内。 (5) 降压式开关电源 降压式开关电源的典型电路如图 1-5 所示。当开关管 VT1 导通时，二极管 VD1截止，输入的整流电压经 VT1 和 L 向 C 充电，这一电流使电感 L 中的储能增加。当开关管 VT1 截止时，电感 L 感应出左负右正的电压，经负载 RL 和续流二极管VD1 释放电感 L 中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在 VT1 基极上的脉冲宽度确定。图 1-3 自激式开关电源图
10、1-4 推挽式开关电源6(6) 升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图 1-6 所示。当开关管 VT1 导通时，电感 L 储存能量。当开关管 VT1 截止时，电感 L 感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 VD1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。(7) 反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图 1-7 所示。图 1-7 反转式开关电源图 1-5 降压式开关电源图 1-6 升压式开关电源7这种电路又称为升降压式开关电源，无论开关管 VT1 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管 VT1 导通时，电感 L 储存能
11、量，二极管 VD1 截止，负载 RL 靠电容 C 上次的充电电荷供电。当开关管VT1 截止时，电感 L 中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1 向负载供电，同时给电容 C 充电。降压式、升压式、反转式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。82 开关电源的原理2.1 开关电源的选择基础一般来说，功率很小的电源（1100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在 100W 以上且工作环境干扰较大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于 500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理。如果对
12、成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路。推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为 40W 的通用型小功率开关电源。单端反激式电路不仅符合功率的要求，并且具备电路简单、所用元件少、输出与输入间有电气隔离、电压输入范围宽、能方便的实现多路输出、有较好的电压调整率的特点。因此，本设计选择了单端反激式的拓扑类型。2.2 反馈电路的类型与选择单片开关电源的反馈电路有 4 种基本类型：基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配 TL431 的光耦反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路。(1) 基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型
13、化、经济型开关电源，其缺点是稳压性能较差。(2) 配 TL431 的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳，适于构成精密开关电源。(3) 配稳压管的光耦反馈电路，该电路相当于给 TOP Switch 增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对输出电压进行调整。(4) 改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管 VDZ 和电阻 R1，即可使负载调整率达到 -2%+2% 。VDZ 的稳定电压一般为 22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压，满足电路的需要。 由于本设计是旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作的，需要有较好的稳压性能。并且，考虑到光耦所具有的电气隔离的
14、优点，所以选择了配 TL431 的光耦反馈电路。92.3 开关电源的内部结构图及工作原理2.3.1 开关电源的内部结构图开关稳压电源的电路原理框图如图 2-1 所示。它主要由输入整流滤波电路、功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路部分组成。其中，控制电路又包括取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。2.3.2 开关电源的基本工作原理首先，交流电经输入部分整流电路和滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电。然后，该直流电又通过功率转换电路进人高频变压器被转换成所需直流电又通过功率转换电路进人高频变压器被转换成所需的电压值的电压值，最后再将这个电压经输出部分整流
15、滤波电路的整流、滤波后变为所需要的直流电供给用电设备。这中间，电源的稳压是靠反馈控制电路（控制电路用来调电源的稳压是靠反馈控制电路（控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到电压的稳定输出整高频开关元件的开关时间比例，以达到电压的稳定输出）来实现的。即:输出电输出电流经取样器送至比较器流经取样器送至比较器，使之与基准电压电路中的电流相比较，然后由脉宽调制电路根据比较结果来进行脉宽调制，从而控制功率转换电路中相应功率输出的大小，最后实现输出电压的稳定。目前，这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源的专用集成电路。图 2-1 开关电源的原理图102.3.3 脉宽调制式开关电源的基本工作原
16、理开关电源按控制方式分为调宽式和调频式以及两者混合式。其中，前两者的区别在于：前者通过改变占空比来实现稳压，开关器件导通的周期并不变。而后者恰恰相反。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型,全称脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，PWM）技术，本设计亦采用调宽式控制方法。它通过对脉冲宽度进行调制来获得所需波形（含形状和幅值） 。其基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载发生变化的情况下，根据反馈的结果，调节开关器件的脉冲宽度（输出电压的高或低而使占空比相应小或大）使输出电压稳定。 PWM 开关电源的控制原理如图 2-2 所示。当 T 不变时，直流平均电压 将与脉冲宽度 T1 成正比。这样，只要设法使脉冲宽度即占空比（在一个周期内 T 内,开关导通的时间 Ton 所占整个周期 T 的比例,称为占空比 D,D=Ton/T） ，就可达到稳定电压的目的。113 小型开关稳压电源的设计3.1 开关电源的设计流程图图 3-1 开关电源的设计流程图图 2-2 PWM 开关电源控制原理及波形
