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1、课程设计姓名_ 系（院）指导教师题目单片开关电源电路设计与制作学号班级职称2015 年 06 月 20 日目录1 前言2 工作原理 41 开关电源介绍 42 电源原理 53 反激式变换器 61 反激式变换器工作原理 62 反激式变换器工作模式 73 单相二极管整流桥 84 缓冲电路 84 TOPSwitch-GX 芯片 91 TOPSwitch-GX 性能 92 TOPSwitch-GX 内部结构 103 TOPSwitch-GX 引脚功能 125 反激式变换器的高频变压器设计 131 绕组符合安全规程 132 低漏感的绕制方法 143 变压器紧密耦合的绕制方法 164 确定磁心尺寸 175
2、反激式变压器设计 196 单端反激式开关电源主电路设计 211 单端反激式开关电源主电路介绍 212 单端反激式开关电源驱动电路介绍227 设计结果及分析 221 设计结果分析 248 结论 25、八、前言本课题主要掌握反激式 PWM 高频开关电源的工作原理。电源在 一个典型系统中担当着非常重要的角色。从某种程度上，可以看成 是系统的心脏。电源给系统的电路提供持续的、稳定的能量，使系 统免受外部的侵扰，并防止系统对其做出伤害。所以，本课题主要 是用TOPSwi tch-GX系列是单片开关电源中的T0P244Y设计反激式开 关电源从而到平稳的直流输出，实现设计一个稳定的电源输出。开关电源高频化是
3、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。 TOPSwitch-GX 系列是单片开关电源第四代产品，最大输出功率从 75W扩展到290W，将开关频率提高到132KHz,这有助于减小高频变 压器及整个开关电源的体积。当开关电源的负载很轻时，能自动将 开关频率从132KHz降低到30KHz，可降低开关损耗，进一步提高电 源效率。本设计要求电源的输入为电网电压（市电），经滤波后进入单相 二极管整流桥，再经大电容滤波得到直流高压
4、，通过 PWM 控制，在 反激变换器的变压器二次侧得到高频矩形波电压，再经滤波得到平 稳的直流输出。而本人主要研究主电路的制作和绕制高频变压器， 高频变压器采用EE25型磁心，配10引脚的骨架，用直径为0.38mm 的漆包线绕制。最后以反激电路的框架进行主电路的设计。工作原理开关电源简介电源是各种电子设备必不可少的组成部分 ,它的性能好坏直接影响到电子设备 的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关 电源两大类 。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源 ,其稳压性能好 ,输出纹波电 压很小 ,但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离 ,并且调整管的功率损耗 较大 ,
5、致使电源的体积和重量大、效率低。开关电源被誉为高效节能电源 ,它是利用 现代电力电子技术 ,通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源 , 具有体积小、重量轻、功率小、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高 等优良特性 ,广泛应用在诸如计算机、电视机、摄像机等电子设备上。它代表着稳压 电源的发展方向 ,现已成为稳压电源的主流产品。目前 ,开关电源以小型、轻量和高效率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、通信设备中。而随着近些年来科学技术的不断发展 ,开关电源技术 在实际需要的推动下快速的发展 ,具体的发展趋势可以总结为以下几个方面:(1) 高频化开关频率的提高
6、有利于开关电源的体积减小 ,重量减轻 ,动态响应得到改善。早 期开关电源的频率仅为几千赫兹 ,随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进 , 开关频率渐渐地提高。在这个过程中 ,IGBT 的出现 ,使得开关电源的容量不断增大 , 在许多中等容量范围内 ,迅速取代了晶闸管相控电源。并且 ,IGBT 的开关速度很高 , 通态压降低。但是 ,随着开关频率的提高 ,电源的电磁干扰问题也变得突出起来。如 何在提高开关频率的情况下 ,最大限度的减少电磁干扰对电源的影响 ,是一个摆在 科研工作者面前的急需解决的问题。(2)非隔离DC/DC技术近年来 ,非隔离 DC/DC 技术发展迅速。它们基本上可以分成两大类
7、。一类在内 部含有功率开关元件 ,称 DC/DC 转换器。另一类不含功率开关 ,需要外接功率 MOSFET，称DC/DC控制器。按照电路功能划分，有降压的STEP-DOWN、升压的 BOOST ,还有能升降压的 BUCK-BOOST 或 SEPIC 等,以及正压转成负压的 INVERTOR等。其中品种最多，发展最快的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电 流的大小,分为单相、两相及多相。控制方式上以PWM为主，少部分为PFM。目 前一套电子设备或电子系统由于负载不同 ,会要求电源系统提供多个电压挡级。如台 式PC机就要求有+12V、+5V、+ 3.3V、-12 V四种电压以及待机的+ 5 V
8、电压，主 机板上则需要2.5 V、1.8 V、1.5 V甚至1 V等。一套AC/DC中不可能给出这样多 的电压输出 ，而大多数低压供电电流都很大 ， 因此开发了很多非隔离的 DC/DC。（3）数字化高频开关电源的另一发展趋势是数字化。过去在传统功率电子技术中 ， 控制部 分是按模拟信号来设计和工作的。随着数字处理技术的发展成熟 ， 其优点明显便于 计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰 ，提高抗干扰能力、 便于软件包的调试和遥感遥测遥调 ， 也便于自诊断、容错等技术的植入等。这类电 源大体上包括两个部分 ，即硬件和软件。硬件部分包括 PWM 的逻辑部分、时钟、放大器环路的模
9、数转换、数模转换以 及数字处理、驱动、同步整流的检测和处理等。而在软件方面可以通过DSP或热待 机状态; 有效调整系统工作点 ，使系统处于最佳效率工作点。比如艾默生网络能源公 司的通信电源休眠节能技术 ，就是使电源系统根据系统的负载情况和系统当前模块 的工作情况 ，通过合理的逻辑判断和控制，在保证系统冗余安全的条件下 ，有选择的 打开或休眠部分模块 ，使系统工作在最佳效率点 ，节能效率显著。通过采用以上节能 方案优化通信电源系统设计 ，可将目前业界在网应用的通信电源的实际工作效率低 载时提高78个百分点，高载时提高34个百分点，从而使基站内通信电源达 到直接节能与间接节能的目的。电源原理工作原
10、理是: 市电进入电源首先经整流和滤波转为高压直流电 ，然后通过开关 电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲 ，再经过整流和滤波电路 ，最终输出低 电压的直流电源。同时在输出部分有一个电路反馈给控制电路 ，通过控制 PWM 占 空比以达到输出电压稳定。开关电源由以下 4 部分构成:（1） 主电路:从交流电网输入 ，到直流输出的主要电路。主要包括输入电磁干扰 滤波器、输入整流滤波器、高频变压器、功率开关管和输出整流滤波器。（2）控制电路:包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器（或通断控制电路）。（ 3 ）检测及保护电路: 检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测 等;保护电路可分为
11、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、箝位保护、过热保护、 自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。（4）其他电路:如锯齿波发生器、偏置电路、光耦合器等。开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为 高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。开关 电 源按控 制 原理来分类 ,大致有脉 冲宽 度调 制 式简称脉 宽 调 制 （ Pulse WidthModulation，缩写为PWM）式；脉冲频率调制方式简称脉频调制（ Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）式；混合调制方式（它属于PWM 和PFM的混 合方式）。其中，脉
12、冲宽度调制式，简称脉宽调制（Pulse WidthModulation，缩写为PWM） 式。其主要特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比 ，实现稳压目的。 其核心是脉宽调制器。开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。但是 ，它的缺点 是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节;此外 ，输出端一般 要接假负载 亦称预负载 ，以防止空载时输出电压升高。目前 ，大多数的集成开关电 源采用 PWM 方式1。反激式变换器反激变换器的工作原理反激变换器的工作原理见图 1-3。从图 1-3 可以看出当高压开关管 Q 被 PWM 脉 冲激励而导通时，输入电压便施加到高频变压器的原边绕
13、组 Np 上，由于变压 T1 副 边整流二极管D1反接，副边绕组Ns没有电流流过；当开关管关断时，副边绕组Ns 上电压极性颠倒，整流二极管 D1 被正偏，开关管导通期间储存在变压器中的能量便 通过整流二极管 D1 向负载释放。这种变换器在高压开关管导通期间只存储能量，在 截止期间才向负载传递，高频变压器在工作过程中既是变压器又相当于一个储能用 电感。输出端加由电感器 Lo 和两 Co 电容组成的一个低通滤波器，变压器初级需有Cr, Rr和Dr组成的RCD漏感尖峰吸收电路。反激变换器的工作原理反激变换器的工作模式反激变换器有电流断续、电流临界连续以及电流连续 3 种工作模式。在电流断 续模式下，
14、导通期间储存在初级绕组中的能量，在下一个周期开始前完全传递到次 级和负载上，当次级电流回零时与下一个周期的开始之间存在一个死区时间。 在电 流临界连续模式下，次级电流回零时刚好是下一个周期的开始时刻，是一种无死区 时间的临界状态。在电流连续模式下，下一个周期开始时，次级仍有剩余能量，次 级电流没有回零，反激变换器可工作在不同模式下，但特性不同。1）断续模式具有更高的电流峰值，在关断期间具有更高的输出电压尖峰。线圈的 铜损要大一些，铁耗也大。连续模式下输出电压尖峰小，因变换器传递函数存在右 半平面零点，只有大幅降低带宽才能使反馈环稳定。2）断续模式下的负载瞬态响应更快，在相同输出功率下，初级感抗
15、比连续模式下 初级感抗小，使得高频变压器体积较小。3）断续模式下二极管的反向恢复时间不是十分重要，因为在施加反向电压之前正 向电流为零，未出现由二极管反向恢复引起的振铃现象，传导 EMI 噪声比较小。4）断续模式一般用于负载变化小的场合。负载变化大的场合让变换器在小电流时 工作并保持断续模式，大电流时工作并保持连续模式，以减小电感体积。单相二极管整流桥如图1-4所示，VT1和VT4组成一对桥臂，在u正半周承受电压u，得到触发22脉冲即导通，当u过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u正半周承受电压22-u，得到触发脉冲即导通，当u过零时关断。22图 1-4 单相桥式整流电路接电阻负载时的电路及波形缓冲电路（吸收电路）缓冲电路又称吸收电路，如图1-5所示。其作用是抑制电力电子器件的内因过 压、du/dt、或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电 路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓 冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小开通损耗。另一种分类方法：缓冲电路中储能元件能量如果消耗在其吸收电阻上，则称其为 耗能式缓冲电路；如果缓冲电能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则称其为 馈能式缓冲电路，或称
