【2017年整理】关于开关电源设计

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1、一种基于 TOP227Y 的脉冲开关电源设计摘 要:在研究脉冲开关电源技术的基础上 ,提出一种基于 TOP227Y 的脉冲开关电源设计。首先给出脉冲开关电源的总体结构 ,分析其工作原理 ,对系统中高频变压器、主电路、控制电路进行设计。接着介绍 TOP227Y 芯片的工作原理及各个功能块的主要作用 ,最后设计系统总电路图。关键词:PWM;TOP227Y;开关电源;高频变压器Design of Pulse Switch Power Supply Based on TOP227YAbstract:A pulse switch power supply based on TOP227Yis intro

2、duced in the paper ,after analsing its working principle ,the whole structure of switch power supply is also designed ,the main design content consists of the high frequency transformer ,the main circuit and the control circuit ,then the working principle and the main action of each function module

3、ofTOP227Yare introduced in the paper ,finally the whole circuit of system is designed.Keywords:PWM;TOP227Y;switch power supply;high frequency transformer脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种,它的电压或电流波形为脉冲状。其实质上是一种通断的直流电源,其基本工作原理是首先经过慢储能 ,使初级能源具有足够的能量,然后向中间储能和脉冲成形系统电或流入能量 ,能量经化等复杂过程之后 ,形成脉冲电源。随着开关电源的发展 ,电源的小型化、模块化、智能化越

4、来越受到人们的关注。各种电源控制芯片如雨后春笋纷纷涌现 ,美国电源集成 PI 公司相继推出 TOP 系列芯片 ,这些芯片集脉冲信号控制电路和功率开关器件 MOSEFT 于一体 ,具有高集成度、最简外围电路、最佳性能指标等特点,能组成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。所以,本文设计基于 TOP227Y 芯片控制的开关电源。一、绪论1.设计的目的及意义开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

5、线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 2 开关电源的分类现 代 开 关 电 源 有 两 种 ： 一 种 是 直 流 开 关 电 源 ； 另 一 种 是 交 流 开 关 电 源 。 这 里主 要 介 绍

6、的 只 是 直 流 开 关 电 源 ， 其 功 能 是 将 电 能 质 量 较 差 的 原 生 态 电 源 （ 粗电 ） ， 如 市 电 电 源 或 蓄 电 池 电 源 ， 转 换 成 满 足 设 备 要 求 的 质 量 较 高 的 直 流 电压 （ 精 电 ） 。 直 流 开 关 电 源 的 核 心 是 DC/DC 转 换 器 。 因 此 直 流 开 关 电 源 的分 类 是 依 赖 DC/DC 转 换 器 分 类 的 。 也 就 是 说 ， 直 流 开 关 电 源 的 分 类 与DC/DC 转 换 器 的 分 类 是 基 本 相 同 的 ， DC/DC 转 换 器 的 分 类 基 本 上

7、就 是 直 流开 关 电 源 的 分 类 。 直 流 DC/DC 转 换 器 按 输 入 与 输 出 之 间 是 否 有 电 气 隔 离 可 以 分 为 两 类 ：一 类 是 有 隔 离 的 称 为 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 ； 另 一 类 是 没 有 隔 离 的 称 为 非 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 。 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 也 可 以 按 有 源 功 率 器 件 的 个 数 来 分 类 。 单 管 的DC/DC 转 换 器 有 正 激 式 （ Forward） 和 反 激 式 （ Flyback） 两 种 。 双 管DC/DC 转 换 器 有 双 管 正

8、激 式 （ DoubleTransistor Forward Converter） ，双 管 反 激 式 （ Double Transistr Flyback Converter） 、 推 挽 式 （ Push-Pull Converter） 和 半 桥 式 （ Half-Bridge Converter） 四 种 。 四 管DC/DC 转 换 器 就 是 全 桥 DC/DC 转 换 器 （ Full-Bridge Converter） 。 非 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 ， 按 有 源 功 率 器 件 的 个 数 ， 可 以 分 为 单 管 、 双 管和 四 管 三 类 。 单 管

9、DC/DC 转 换 器 共 有 六 种 ， 即 降 压 式 （ Buck） DC/DC 转 换器 ， 升 压 式 （ Boost） DC/DC 转 换 器 、 升 压 降 压 式 （ Buck Boost） DC/DC转 换 器 、 Cuk DC/DC 转 换 器 、 Zeta DC/DC 转 换 器 和 SEPIC DC/DC 转 换 器 。在 这 六 种 单 管 DC/DC 转 换 器 中 ， Buck 和 Boost 式 DC/DC 转 换 器 是 基 本 的 ，Buck-Boost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 转 换 器 是 从 中 派 生 出 来 的 。 双

10、管DC/DC 转 换 器 有 双 管 串 接 的 升 压 式 （ Buck-Boost） DC/DC 转 换 器 。 四 管DC/DC 转 换 器 常 用 的 是 全 桥 DC/DC 转 换 器 （ Full-Bridge Converter） 。 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 在 实 现 输 出 与 输 入 电 气 隔 离 时 ， 通 常 采 用 变 压 器来 实 现 ， 由 于 变 压 器 具 有 变 压 的 功 能 ， 所 以 有 利 于 扩 大 转 换 器 的 输 出 应 用 范 围 ， 也 便 于 实 现 不 同 电 压 的 多 路 输 出 ， 或 相 同 电 压 的 多 种

11、输 出 。 在 功 率 开 关 管 的 电 压 和 电 流 定 额 相 同 时 ， 转 换 器 的 输 出 功 率 通 常 与 所 用开 关 管 的 数 量 成 正 比 。 所 以 开 关 管 数 越 多 ， DC/DC 转 换 器 的 输 出 功 率 越 大 ，四 管 式 比 两 管 式 输 出 功 率 大 一 倍 ， 单 管 式 输 出 功 率 只 有 四 管 式 的 1/4。 非 隔 离 式 转 换 器 与 隔 离 式 转 换 器 的 组 合 ， 可 以 得 到 单 个 转 换 器 所 不 具 备的 一 些 特 性 。 按 能 量 的 传 输 来 分 ， DC/DC 转 换 器 有 单

12、向 传 输 和 双 向 传 输 两 种 。 具 有 双向 传 输 功 能 的 DC/DC 转 换 器 ， 既 可 以 从 电 源 侧 向 负 载 侧 传 输 功 率 ， 也 可 以 从 负 载 侧 向 电 源 侧 传 输 功 率 。 DC/DC 转 换 器 也 可 以 分 为 自 激 式 和 他 控 式 。 借 助 转 换 器 本 身 的 正 反 馈 信号 实 现 开 关 管 自 持 周 期 性 开 关 的 转 换 器 ， 叫 做 自 激 式 转 换 器 ， 如 洛 耶 尔 （ Royer） 转 换 器 就 是 一 种 典 型 的 推 挽 自 激 式 转 换 器 。 他 控 式 DC/DC 转

13、 换 器中 的 开 关 器 件 控 制 信 号 ， 是 由 外 部 专 门 的 控 制 电 路 产 生 的 。 按 照 开 关 管 的 开 关 条 件 ， DC/DC 转 换 器 又 可 以 分 为 硬 开 关 （ Hard Switching） 和 软 开 关 （ Soft Switching） 两 种 。 硬 开 关 DC/DC 转 换 器 的 开关 器 件 是 在 承 受 电 压 或 流 过 电 流 的 情 况 下 ， 开 通 或 关 断 电 路 的 ， 因 此 在 开通 或 关 断 过 程 中 将 会 产 生 较 大 的 交 叠 损 耗 ， 即 所 谓 的 开 关 损 耗（ Switc

14、hing loss） 。 当 转 换 器 的 工 作 状 态 一 定 时 开 关 损 耗 也 是 一 定 的 ，而 且 开 关 频 率 越 高 ， 开 关 损 耗 越 大 ， 同 时 在 开 关 过 程 中 还 会 激 起 电 路 分 布电 感 和 寄 生 电 容 的 振 荡 ， 带 来 附 加 损 耗 ， 因 此 ， 硬 开 关 DC/DC 转 换 器 的 开关 频 率 不 能 太 高 。 软 开 关 DC/DC 转 换 器 的 开 关 管 ， 在 开 通 或 关 断 过 程 中 ， 或是 加 于 其 上 的 电 压 为 零 ， 即 零 电 压 开 关 （ Zero-Voltage-Swit

15、ching， ZVS） ， 或 是 通 过 开 关 管 的 电 流 为 零 ， 即 零 电 流 开 关 （ Zero-CurrentSwitching， ZCS） 。 这 种 软 开 关 方 式 可 以 显 着 地 减 小 开 关 损 耗 ，以 及 开 关 过 程 中 激 起 的 振 荡 ， 使 开 关 频 率 可 以 大 幅 度 提 高 ， 为 转 换 器 的 小 型化 和 模 块 化 创 造 了 条 件 。 功 率 场 效 应 管 （ MOSFET） 是 应 用 较 多 的 开 关 器 件 ，它 有 较 高 的 开 关 速 度 ， 但 同 时 也 有 较 大 的 寄 生 电 容 。 它 关

16、 断 时 ， 在 外 电 压 的作 用 下 ， 其 寄 生 电 容 充 满 电 ， 如 果 在 其 开 通 前 不 将 这 一 部 分 电 荷 放 掉 ， 则将 消 耗 于 器 件 内 部 ， 这 就 是 容 性 开 通 损 耗 。 为 了 减 小 或 消 除 这 种 损 耗 ， 功 率场 效 应 管 宜 采 用 零 电 压 开 通 方 式 （ ZVS） 。 绝 缘 栅 双 极 性 晶 体 管（ Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor， IGBT） 是 一 种 复 合 开 关 器 件 ， 关断 时 的 电 流 拖 尾 会 导 致 较 大 的 关 断 损 耗 ， 如 果 在 关 断 前 使 流 过 它 的 电 流 降到 零 ， 则 可 以 显 着 地 降 低 开 关 损 耗 ， 因 此 IGBT 宜 采 用 零 电 流 （ ZCS） 关 断方 式 。 IGBT 在 零 电 压 条 件 下 关 断 ， 同 样 也 能 减 小 关 断 损 耗 ， 但 是 MOSFET在 零 电