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1、基于TOPSwitch-的小功率开关电源设计摘 要单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良的特性倍受人们的青睐。TOPSwitch-II器件为三端单片开关电源,是一种将PWM和MOSFET合二为一的新型集成芯片。与普通线性稳压电源相比其优点为体积小、重量轻,并且密度高、价格低;采用它制作高频开关电源,不仅简化了电路,同时可以改善电源的电磁兼容性能,且降低了制作成本。目前，它已成为开发国际通用的高效率、小功率开关电源的优选，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。此次设计用TOP222Y型三段单片机来控制，具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、无工频变压
2、器、能完全实现电气隔离等特点，配合带稳压管的光耦合器，能将交流转换成直流稳压输出，该电路简单，稳定性能好，成本低。关键词：开关电源、TOPSwitch-、光耦合目 录第一章 概 述- 3 -1.1 开关电源工作原理- 3 -1.2 TOPSwitch简介- 3 -1.3 开关电源的发展- 6 -1.4 开关电源基本拓扑结构- 7 -1.4.1 反激式变换器- 7 -1.4.2 正激式变换器- 10 -1.4.3 半桥式变换器- 11 -1.4.4 全桥式变换器- 12 -第二章 TOPSwitch-的结构和原理及型号确定过程- 13 -2.1 TOPSwitch-的结构及原理- 13 -2.2
3、 基于TOP222Y芯片小功率反激式开关电源的设计- 18 -第三章 各电路模块的设计- 20 - 3.1 EMI滤波器.- 20 -3.2 输入整流桥的选择. - 20 -3.3 频变压器的设计.- 20 -3.3.1 变压器的分类- 24 -3.3.2 高频变压器的工作原理- 24 -3.3.3 开关电源高频变压器的参数计算- 25 -3.3.4 高频变压器的绕制- 27 -3.3.5 高频变压器绕制的注意事项- 28 -3.3.6 反激式开关电源变压器绕制示意图- 28 -3.3.7 减小高频变压器的漏感 .- 28 -第四章 电路各模块的参数计算- 32 -4.1 EMI整流滤波电路元
4、件的参数计算- 32 -4.2 PC817光电耦合器与TL431外围器件参数计算- 32 -4.3 TL431的取样电阻计算- 34 -第五章 仿 真- 35 -5.1 仿真软件简介- 35 -5.2开关电源设计总原理图- 36 -5.3 PSIM仿真图- 37 -第六章 设计总结- 38 -参考文献- 42 -第一章 概 述1.1开关电源工作原理开关直流稳压电源是基于方波电压的平均值与其占空比成正比以及电感、电容电路的积分特征而形成的。其基本原理是，先对输入交流电压整流，从而形成脉动直流电压，经过DC-DC变换电路变压，再通过斩波电路形成了不同脉冲宽度的高频交流电，然后对其整流滤波输出需要电
5、压电流波形。如果输出电压波形偏离所需值，便有电流或电源采样电路进行取样反馈，经过与比较电路的电压值进行参数比较，把差值信号放大，从而控制开关电路的脉冲频率f和占空比D，以此来控制输出端的导通状态。因此，输出端便可以得到所需的电压电流值。图 开关电源原理框图1.2 TOPSwitch简介美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国功率集成公司又推出了TOP Switch系列器件。TOP Switch系列器件和TOP Switch系列器件相比，内电路作了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能
6、价格比更高。与TOP Switch系列器件相比，TOP Switch系列器件在输入电压为100V、115V或230VAC时，系统功率从（0100）W提高到（0150）W，在三种电压下均可工作时，系统的功率从（050）W提高到（090）W，从而使得TOP Switch器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。1998年推出绿色、低价的Tiny Switch和TOP Switch-FX开关电源IC系列，它为设计高度集成的电源提供了更大的灵活性，采用的Eco Smart节能技术可以帮助工程师生产出符合环保要求的更加“绿色”的电子产品。器件输出功率最高达75W，可广泛应用于手机充电
7、器、PC待机电源、机顶盒、DVD和LCD显示器等不同领域。2000年11月最新推出TOP Switch-GX系列高压AC/DC转换芯片，把最大输出功率提高到250W，具有更高的开关频率，在轻负载时能线性缩减频率以降低待机功耗；更宽的占空比；并且，通过增加3个引脚，使用户具有更多可配置的功能（如限流调整、欠压检测、过压关断、电压前馈、两种可选频率及远程On/Off等）。 TOP Switch 主要用于AC/DC 转换器，具有体积小，重量轻，宽输入范围（85V-265V），提供了PI Expert专家系统设计软件，便于用户更快地设计出自已的产品。采用TOP Switch器件的开关电源与采用分立的M
8、OSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：1、成本低廉。使用TOP Switch器件，比用其他开关电源节省很多个元器件，从而使产品的大小和重量减少；TOP Switch因采用了源极调节板和可控的MOSFET通态驱动，故电磁干扰(EMI)和EMI滤波器的成本可明显降低；2、系统效率高。TOP Switch系采用CMOS工艺制作，并在芯片中集成了尽可能多的功能，故与采用二极管或分立的功率开关电路相比，偏置电流显著降低；开关电源所需的功能集成于芯片中后，外部的电流传感电阻和初始起动偏压电流的电路均可除去，系统效率大大提高。特别是TOP Switch器件专门针对反激式功率变换电
9、路进行了优化，使最大值占空比可达70%，TOP100TOP104，TOP200TOP204/TOP214的效率可达90%，TOP209/TOP210的效率也可超过80%；电源设计简化。TOP Switch器件在3脚的TOP220封装中集成了PWM控制器和高压MOSFET功率开关，只需外接一个电容就能实现补偿、旁路、起动和自动重起功能。另外，有许多专门为TOP Switch器件而标准设计的电路板，使应用TOP Switch的设计更为方便，极大地缩短了产品开发至进入市场所需的时间；应用灵活性高。TOP Switch器件支持降压型、升压型、正激式和反激式功率变换电路，并且很容易和光耦及变压器初级的反
10、馈电路结合，无论在连续传导模式和不连续传导模式下均可工作；功能完善的系统级故障保护。TOP Switch具有自动重起和逐周电流限制功能，故可对功率变压器初级和次级电路的故障进行保护。TOP Switch还具有在片热关闭选通功能，可在电路超负荷时有效地保护电源。对于小功率的开关电源的设计，TOP Switch系列芯片以其电路简捷，体积小，重量轻，自保护功能齐全，设计方便等优点在该领域的应用上有很大的优势。1.3 开关电源的发展现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其中开关电源高频化、模块化、
11、数字化、绿色化等是高频开关电源的发展趋势,这些技术的成熟,将实现高效率用电和高品质用电相结合。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。传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器，电路的结构非常复杂，系统的稳定性不够理想，分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分PWM集成电路和
12、MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。TOPSwitch-器件是美国PI公司(POWER Integrations)于1997年代中期推出的第二代新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminal Offline PWM Swtich)的英文缩写，产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化150W以下开关电
13、源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。1.4 开关电源基本拓扑结构开关电源一般指AC/DC变换器，其核心部分是DC/DC变换器。DC/DC变换器的作用是将一种直流电压转换成另一种或几种直流电压。1.4.1 反激式变换器1).反激式变换器的电路结构如图一 2).当开关管Q1导通时,其等效电路如图二(a)及在导通时初级电流连续时的波形,磁化曲线如图二(b).当Q1导通,T1之初级线圈渐渐地会有初级电流流过,能量就会储存在其中.由于变压器初级与次级侧之线圈极性是相反的,因此二极管D1不会导通,输出功率则由Co来提供.此时变压器相当于一个串联电感Lp,初级线圈电流Ip可以表示为:V
14、dc=Lp*dip/dt此时变压器磁芯之磁通密度会从剩磁Br增加到工作峰值Bw.3）当Q1截止时, 其等效电路如图三(a)及在截止时次级电流波形,磁化曲线如图三(b)当Q1截止时,变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为B并没有相对的改变.当B向负的方向改变时(即从Bw降低到Br),在变压器所有线圈之电压极性将会反转,并使D1导通,也就是说储存在变压器中的能量会经D1,传递到Co和负载上.此时次级线圈两端电压为:Vs(t)=Vo+Vf (Vf为二极管D1的压降).次级线圈电流:Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls为次级线圈电感量)由于变压器能量没有完全转移,在下一次导通时
15、,还有能量储存在变压器中,次级电流并没有降低到0值,因此称为连续电流模式或不完全能量传递模式(CCM).1.4.2 正激式变换器由于正激DC/DC变换器具有电路拓扑简单，输人输出电气隔离，电压升、降范围宽，易于多路输出等优点，因此被广泛应用于中小功率电源变换场合。然而，正激变换器的一个固有缺点是需要附加电路实现变压器磁复位。采用磁复位绕组正激变换器川的优点是技术成熟可靠，磁化能量无损地回馈到直流电网中去。但附加的磁复位绕组使变压器结构复杂化，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，占空比d0.5，功率开关承受的电压应力与输人电源电压成正比。RCD钳拉正激变换器图的优点是磁复位电路简单，占空比d可以大于0.5，功率开关承受电压应力较低此电路只是在原有的双管正激电路上添加了2个Lr、Cr谐振网络实现软开关。图中,L2为缓冲电感,Lm为变压器的励磁电感,C1和C2分别是开关管VS1和VS2的寄生电容。电路拓扑在1个
