基于THX208小功率開關(guān)電源設(shè)計

1、天津理工大學(xué) 課程設(shè)計報告   題目：基于THX208小功率開關(guān)電源設(shè)計     專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2017年 1月目 錄一、設(shè)計要求2二、設(shè)計目的2三、設(shè)計的具體實現(xiàn) 21. 系統(tǒng)概述22. 單元電路設(shè)計3四、結(jié)論與展望22五、心得體會及建議23六、參考文獻24七、附錄241、作品照片252、原理圖263、源程序清單274、答辯PPT縮印稿3018信息傳輸與處理課程設(shè)計基于THX208小功率開關(guān)電源設(shè)計-電路設(shè)計一設(shè)計要求熟讀詳細使用手冊，搭建電路實現(xiàn)5V/3W的開關(guān)電源，根據(jù)控制芯片原理

2、，設(shè)計合理的輔助電路，通過計算和仿真分析，得到系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)。掌握開關(guān)電源設(shè)計的核心技術(shù)，并對過程做了詳細闡述。1.根據(jù)需要選擇開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)2.基于THX208設(shè)計開關(guān)電源的控制核心部分3.輸出電壓可調(diào)范圍： +5V4.輸出 5V 0.5A, CC/CV  二、設(shè)計目的(1)利用所學(xué)開關(guān)電源的理論知識進行硬件整體設(shè)計，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際、提高我們的綜合應(yīng)用能力。 (2)我們這次的課程設(shè)計是以THX208為基礎(chǔ)，設(shè)計并開發(fā)小功率開關(guān)電源。 (3)掌握各個接口芯片(如THX208等)的功能特性及接口方法，并能用其實現(xiàn)一個簡單的應(yīng)用系統(tǒng)。三、設(shè)計的具體實現(xiàn)1.系統(tǒng)概述 開關(guān)電源是利用

3、現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)開通和關(guān)斷的就、時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源是一般又脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源主要是進行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率轉(zhuǎn)換的裝置，通過對主變換回路以及控制回路的控制完成一系列的變換。主變換回路將輸入的交流電轉(zhuǎn)換后傳遞給了負載，所以它決定了開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換要求以及負載能力等一系列的技術(shù)指標；而控制回路是按照輸入，輸出技術(shù)指標的要求來進行檢測，控制主變換回路的工作狀態(tài)。本設(shè)計開關(guān)電源控制集成電路主要包括電源電路、濾波整流電路、監(jiān)測電路以及THX208控制芯片構(gòu)成的控制電路。方案一：單端正激式開關(guān)電源原理

4、單端正激式開關(guān)電源原理簡述：電路原理框圖如上所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作原理不太相同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，VD2也 導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感L儲存能量；當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感L通過續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%，由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負載傳送能量，可輸出50-200 W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大 方案二：單端反激式開關(guān)電源原理反激

5、式變換器開關(guān)電源工作原理比較簡單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級線圈被直流電壓激勵時，變換器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變換器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后，才向負載提供功率輸出，這種變換器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源，再通過THX208控制電路。 從以上兩種方案，很容易看出，按系統(tǒng)功能實現(xiàn)要求，兩者相比較方案二的設(shè)計（1） 電路結(jié)構(gòu)簡單轉(zhuǎn)換效率高穩(wěn)壓性能優(yōu)并且轉(zhuǎn)換效率高; （2） 性能優(yōu)越電壓可調(diào)體積小、重量輕、性價比高，可普遍使用于生活當(dāng)中，故采用方案二。所以，本設(shè)計 反激式變換器部分采用普通元器件構(gòu)成模擬部分，利

6、用THX208實現(xiàn)控制功能，整流、利用PC817B對電路進行監(jiān)測，當(dāng)電壓超過最大值時，電路會自動斷開。本系統(tǒng)主要包括三大模塊：整流模塊變壓器模塊及電路監(jiān)測，保護模塊?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖2.單元電路設(shè)計（1)各部分概述 反激式變換器 反激變換器工作原理是：主開關(guān)管導(dǎo)通時，二次側(cè)二極管關(guān)斷，變壓器儲能；主開關(guān)管關(guān)斷時，二次側(cè)二極管導(dǎo)通，變壓器儲能向負載釋放。它和正激變換器不同，正激變換器的變壓器勵磁電感儲能一般很小，各繞組瞬時功率的代數(shù)和為零，變壓器只起隔離、變壓作用。而反激變換器的變壓器比較特殊，它兼起儲能電感的作用，稱為儲能變壓器（或電感-變壓器）如圖2圖2 反激式變換器

7、TL431電路安全控制前面提到TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖3所示的電路，當(dāng)R7和R8的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若電壓增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致R7，R8兩端的電壓之和大于5V從而導(dǎo)致TL431啟動，進而導(dǎo)致PC817B導(dǎo)通，關(guān)閉THX208。圖3 保護電路 THX208原理描述啟動階段，上電時 VR 關(guān)閉；FB 上拉電流源關(guān)閉；OE 由功率管輸入啟動電流到VCC；OB 控制功率管的基極電流，限制功率管集電極電流（即 THX208 啟動接受電流），從

8、而保證功率管的安全；在 VCC 電壓上升到 8.8V，啟動階段結(jié)束，進入正常階段。正常階段，VCC 電壓應(yīng)保持在 4.89.0V，VR 輸出 2.5V 基準；FB 上拉電流源開啟；振蕩器輸出 OSC1 決定最大占空比，輸出 OSC2 試圖觸發(fā)電源進入開周期、及屏蔽功率管開啟電流峰；若 FB 小于 1.8V（約在 1.2-1.8V 之間）振蕩器周期將隨之增加，F(xiàn)B 越小振蕩器周期越寬、直至振蕩器停振（此特性降低了開關(guān)電源的待機功耗）；若外圍反饋試圖使 VCC 大于 10V，則內(nèi)電路反饋到 FB 使 VCC 穩(wěn)壓在 10V（利用此特性可以不采用外圍反饋電路，由內(nèi)電路穩(wěn)定輸出電壓，但穩(wěn)壓精度較低）；

9、開周期，OB 為功率管提供基極電流，OE 下拉功率管的發(fā)射極到 IS，而且OB 采用斜坡電流驅(qū)動（指 OB 開電流是 IS 的函數(shù)，當(dāng) IS=0V 時 OB 開電流約 24mA，然后 OB 開電流隨 IS 線性增加，當(dāng) IS 增加到 0.6V 時 OB 開電流約 40mA，此特性有效地利用了 OB 的輸出電流，降低了 THX208 的功耗），若 IS 檢測到 FB 指定電流則進入關(guān)周期；關(guān)周期，OB 下拉，功率管不會立即關(guān)斷，但 OE 箝位 1.5V（功率管關(guān)斷后基極反向偏置，提高了耐壓）；在開或關(guān)周期，如檢測到功率管超上限電流，則上限電流觸發(fā)器優(yōu)先置位，強制 FB 下降，占空比變小，從而保護

10、功率管和變壓器；在下一個關(guān)周期開始沿或 FB 小于 1.8V，上限電流觸發(fā)器復(fù)位。另外，THX208 內(nèi)置熱保護，在內(nèi)溫度高于 125后調(diào)寬振蕩器的周期，使 THX208 溫度不超過 135；內(nèi)置斜坡補償，在 THX208 大占空比或連續(xù)電流模式時能穩(wěn)定開/關(guān)周期。若 VCC 降到 4.2V 左右，振蕩器關(guān)閉，OSC1、OSC2 低電平，電源保持關(guān)周期；VCC 繼續(xù)下降到 3.6V 左右，THX208 重新進入啟動階段特點單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。THX208引腳圖，如圖4 所示，每部電路方塊圖如圖5所示。 圖4 THX208引腳圖 圖5 內(nèi)部電路方塊圖1

11、CT 定時電容與開關(guān)頻率的關(guān)系由內(nèi)部電流源對 CT 電容進行 50uA10100nF 之間根據(jù)反饋回路的頻率特性進行選取，推薦使用 10nF。恒流充電形成時鐘的上升沿，在充電電壓至 1.6V 時，內(nèi)部電路將以 1.9mA 的下拉電流對 CT 放電，形成時鐘的下降沿，完成一個時鐘周期，一個時鐘周期約為：T=CT*48000 (S)Fs=1/T (Hz)盡管雙極型電路也能工作在較高的頻率下，但對于雙極功率開關(guān)而言，仍需考慮存儲時間對開關(guān)損耗的影響。通常比較合適的開關(guān)頻率約在 70KHz 以下。在一般的應(yīng)用場合可將 THX208 的 CT 電容按330PF 配置，此時對應(yīng)的工作頻率約為66KH 左右

12、。2.FB反饋與控制在正常工作狀態(tài)，F(xiàn)B 的電壓將決定最大開關(guān)電流的值，此電壓越高開關(guān)電流3K（近似等效值）。此外在 FB 電壓23K（近似等效值）。此外在 FB 電壓低于 1.8V 時，將使振蕩周期加大，開關(guān)頻率下降，低于 1.8V 越多，開關(guān)頻率將越低。外接 FB 電容將對反饋帶寬產(chǎn)生影響，進而影響某些外部參數(shù)，比如瞬態(tài)特性。如圖6圖6對于 CFB 電容的值，典型的應(yīng)用可在10100nF 之間根據(jù)反饋回路的頻率特性進行選取，推薦使用 10nF。3過溫度保護IC 內(nèi)部集成了精確的過溫度保護功能。在芯片內(nèi)部溫度達到 125時，熱保護電路動作，將時鐘信號下拉，使開關(guān)頻率降低，降低功耗。開關(guān)頻率隨

13、溫度的升高而降低，直至振蕩器關(guān)閉。 如圖所示圖74功率管驅(qū)動特性與高耐壓偏置技術(shù)功率管采用斜坡電流驅(qū)動，驅(qū)動電流隨輸出功率增加而增加，在 FB=0 時，OB 電流約為 24mA,在 FB=6V 時，OB電流約為 35mA，小輸出時的驅(qū)動功耗得到顯著的降低。IC 內(nèi)部集成了獨特的偏置技術(shù)，在功率管關(guān)斷時，OB 輸出立即下拉到地，同時偏置 OE 輸出到約 1.5V，反向偏置發(fā)射結(jié)，加速 Ic 電流的下降速度，擴展了有效的安全工作區(qū)，開關(guān)管承受反向的CB 電壓，使得開關(guān)管達到 700V 的電壓承受能力。如圖7圖 8偏置波形如圖9所示：圖9 5.過壓與欠壓保護 IC 具有帶遲滯的欠電壓保護功能。在VC

14、C 電壓達到 8.8V 時 IC 開始啟動，這個初始的啟動電壓有驅(qū)動電阻提供，輸入的高電壓通過驅(qū)動電阻注入開關(guān)管的基極，放大的 Ic 電流在 IC 內(nèi)部經(jīng)過限制電路對 VCC 電容充電，從而形成驅(qū)動電壓。在 IC 正常工作時應(yīng)保持 VCC 電壓在4.8-9V 之間（包括滿負載輸出的情況），若 VCC 電壓下降到 4.2V 則振蕩器將進入關(guān)閉狀態(tài)，VCC 進一步降低到 3.6V時，IC 即開始重新啟動如圖10所示圖10 IC 內(nèi)部 VCC 具有一個上限電壓比較器控制，若 VCC 試圖大于 10V，則比較器動作，F(xiàn)B 將被下拉，鎖定 VCC 至 10V，達到過電壓的限制功能。利用此能可以方便地實現(xiàn)

15、前端的電壓反饋功能，也可避免輸出開環(huán)時的輸出電壓大幅度升高現(xiàn)象，保障負載的安全。因為此特性的存在，VCC 的設(shè)計應(yīng)保持在合適的范圍，避免在大輸出負載時 VCC 的上升過高， IC過壓限制動作導(dǎo)致的輸出電壓下降現(xiàn)象。6最大開關(guān)電流限制IC 具有逐周期電流限制功能。每個開關(guān)周期均對開關(guān)電流進行檢測，達到 FB設(shè)定的電流或防上限電流時即進入關(guān)周期，電流的檢測具有實時前沿消隱功能，屏蔽開關(guān)尖峰，避免開關(guān)電流的錯誤檢測。合理的溫度補償則消除了溫度的影響，相對常規(guī)的 MOSFET（溫度變化時的 Ron 變化很大）開關(guān)芯片，開關(guān)電流在一個較寬的范圍都可以非常精準，這樣將允許設(shè)計者在設(shè)計方案時不必留有太大的余

16、量即可滿足較大的工作溫度范圍，提高電路的使用安全性。 對于 THX208，其典型的最大開關(guān)電流限制值約為 0.23A,在一個設(shè)計在 80V反射電壓的反激式電源中，可以容易地實現(xiàn)大于 4W 輸出功率，且滿足寬的溫度范圍。7散熱的要求對于一個典型的功率開關(guān)而言，應(yīng)使用必要的散熱措施，以避免過高的溫度導(dǎo)致熱保護。IC 內(nèi)部主要的發(fā)熱是開關(guān)管的開關(guān)損耗產(chǎn)生的熱量，因此恰當(dāng)?shù)纳嵛恢檬?IC 的 Pin8 腳，一 簡單的使用方法Pin8 腳鋪設(shè)一定面積的 PCB 銅箔， 尤其在銅箔之上鍍錫處理將大大增加。如圖11所示圖11THX208與變壓器的設(shè)計OB口對電壓進行偏置，當(dāng)電壓達到相應(yīng)值時THX208進行

17、工作變壓器進行充電，如圖12圖12 THX208余變壓器的設(shè)計1. 磁心參數(shù)Core : EE13,TDK PC40 Ae=17 mm2 Aw=33.5mm2Bobbin : EE13, 10PIN, 5+5PIN,VELOX 420-SEO , 94V0Lp=2.5mH ±5%2. 繞線圖圖133.線圈數(shù)據(jù) （2）仿真1.打開WAVE 6000 軟件，菜單欄選擇“文件”中的“新建文件”，在彈出的窗口中編寫程序，然后保存后綴為“*.asm”的程序。2.菜單欄選擇“項目”中的“編譯”，如果程序無誤即編譯成功，否則修改程序直至編譯成功。3.打開Proteus軟件，新建文件FileNew

18、Design，同樣在彈出的原理圖編輯窗口中繪制原理圖，然后保存。4.加載程序，選擇SourceAdd/Remove Source Files，在彈出的對話框中點擊“New”選擇在WAVE 6000軟件中編寫保存的程序如“*.asm”，點擊“OK”即加載成功。5.在Proteus軟件中的左下方點擊圖標仿真調(diào)試開始，即可看到仿真調(diào)試的結(jié)果。四、結(jié)論與展望開關(guān)電源具有如下特點： (1) 開關(guān)器件節(jié)能（效率一般可達85%以上）。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗比較小，但是效率較高，一般在80%90%，高的甚至可達90%以上； (2) 體積小、重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源

19、變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量大大減輕，只有同容量線性電源的1/5，體積也在很大程度上縮小了； (3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在90270 V內(nèi)變化時，輸出電壓的變化在±2%以下。合理設(shè)計開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率； （4）安全可靠，具有各種保護功能。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護電路，因此當(dāng)電源負載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在20KHz以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)下，因此損耗小，不需要采

20、用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損 壞。 因此采用開關(guān)電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。 通過本次設(shè)計，在硬件連接方面方面更加熟練。本次設(shè)計采用了THX208芯片，與以往其他電路方向相比出現(xiàn)了許多新的功能，使我接觸了許多新的東西。以前在學(xué)開關(guān)電路時只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設(shè)計，對它的工作原理有了更深的理解。五、心得體會及建議此次課程設(shè)計是這個學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的直流電壓表系統(tǒng)設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，撐受能力及耐力也都得到了不同程度的提升。通過本次設(shè)計我的收獲非常豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標準，各種管道的安裝方式，我都是隨著設(shè)計的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我從各個角度對設(shè)計有了新的認識也對自己提出了新的要求。在設(shè)