多路精密開關(guān)電源的設(shè)計

1、青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計） 題 目：多路精密開關(guān)電源的設(shè)計 姓 名： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 年 月 日畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文（設(shè)計）作者同意學(xué)

2、校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計） 。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該論文（設(shè)計）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)。論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日目 錄摘摘 要要.IABSTRACT .II1 緒緒 論論.11.1 開關(guān)電源的概念和分類.11.2 開關(guān)電源設(shè)計中的問題與未來發(fā)展.32 開關(guān)電源元器件的使用開關(guān)

3、電源元器件的使用.52.1 開關(guān)晶體管.52.2 光電耦合器.62.3 二極管.72.4 自動恢復(fù)開關(guān).83 保護(hù)電路的設(shè)計保護(hù)電路的設(shè)計.103.1 鉗位保護(hù)電路的設(shè)計.103.2 熔斷器的選擇.113.3 電阻 電感并聯(lián)接入電路的保護(hù)作用.114 輸入整流濾波電路的設(shè)計輸入整流濾波電路的設(shè)計.124.1 整流電路.124.2 輸入濾波電路.145 TOP244TOP244 核心電路及高頻變壓器電路的設(shè)計核心電路及高頻變壓器電路的設(shè)計.165.1 TOP244 主電路 .165.2 高頻變壓器電路.176 輸出整流濾波電路與反饋電路的設(shè)計輸出整流濾波電路與反饋電路的設(shè)計.206.1 輸出整流

4、濾波電路.206.2 反饋電路.21總結(jié)總結(jié).23參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).24致謝致謝.26附附 錄錄 1 1.27附附 錄錄 2.28多路精密開關(guān)電源的設(shè)計摘 要隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對開關(guān)電源(SMPS)的需求日益提高，并且對其精密度要求越來越高，而現(xiàn)在單路開關(guān)電源可以做到足夠的精度，但是沒有一款產(chǎn)品能夠滿足多路精密電壓輸出的電源系統(tǒng)。因此有必要制作一款多路精密開關(guān)電源滿足人們的需求。本畢業(yè)設(shè)計的選定是以研發(fā)并生產(chǎn)功能更完善、輸出電壓更穩(wěn)定、效率更高、造價更低的多路輸出開斷電源來滿足小型電子設(shè)備的用電需要為目的，在分析國內(nèi)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能、增加功能和提高關(guān)鍵的

5、技術(shù)指標(biāo)而進(jìn)行研制。論文首先介紹了開關(guān)電源的原理及發(fā)展?fàn)顩r，然后采用 TOP244 芯片及多種電路模式設(shè)計多路輸出開關(guān)電源，完成以后可實現(xiàn)輸出電壓分別為+5V、+12V 和+24V。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；TOP244；精密；精密; ;多路多路Multiple Precision Switch Power SupplyAbstractWith the development and the progress of science and technology, peoples demand for switching power supply (SMPS) is increasin

6、g day by day, and the precision demand is higher and higher.Now single channel switching power supply can be done enough accuracy, but not as much a product can satisfy the precision voltage output of the power system. So it is necessary to make a multi-channel precision switch power supply to satis

7、fy peoples needs.The selection of graduation design is based on research and development and production function more perfect, more stable output voltage, higher efficiency and lower cost of multiplexed output open circuit power supply to meet the small electronic devices, for the purpose of meeting

8、 the needs of the based on the analysis of similar products at home and abroad, in order to improve product quality, performance, adding features and improving the key technical indicators of the developed. Paper first introduces the principle and the development of switch power supply, and then ado

9、pt TOP244 chip and a variety of circuit pattern design multiplexed output switching power supply, complete output voltage can be realized respectively to + 5 v, + 12 v and + 24 v.Key words: Switching power supply; TOP244; Precision；Multichannel青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 01 緒 論1.1 開關(guān)電源的概念和分類1.1.1 開關(guān)電源的概述

10、隨著人類社會的科學(xué)技術(shù)的不斷開拓與創(chuàng)新，人類社會不得不對電源進(jìn)行下一步開發(fā)和利用以滿足人類生活生產(chǎn)的需要。開關(guān)電源在電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展下也出現(xiàn)了多種創(chuàng)新?，F(xiàn)如今體積小、操作簡便、效率高并且電壓輸出穩(wěn)定的開關(guān)電源，被人們所接受使用，是未來電源發(fā)展的一種主要趨勢1。開關(guān)電源主要組成部分，如圖 1-1 所示。低通濾波有源調(diào)整一次整流電子開關(guān)高頻變壓器采樣輸出平滑濾波二次整流脈寬調(diào)制基準(zhǔn)電壓誤差放大比較器脈沖驅(qū)動輸入電路功率因數(shù)校正功率轉(zhuǎn)換輸出電路直流輸出V0控制電路頻率振蕩發(fā)生器交流輸入電壓220V圖 1-1 開關(guān)電源工作原理框圖由上圖可知輸入電路主要是由低通濾波和一次整流兩部分組成，沒有被穩(wěn)壓

11、的直流電壓 Vi是由 220V 交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到的2。圖中第二部分是有源調(diào)整，主要是用于功率因數(shù)的校正，經(jīng)過校正后可以在一定程度上提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，由電子開關(guān)和高頻方波脈沖電壓組成。第四部分是輸出電路，包括二次整流和平滑濾波，主要用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，包括比較器和誤差放大電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后于電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。第六部分是頻率振青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬

12、度可調(diào)。開關(guān)電源的優(yōu)點：(1) 節(jié)能。(2) 體積小，重量輕。(3) 開關(guān)電源保護(hù)功能強(qiáng)大。(4) 能夠輸出穩(wěn)定的電壓跟電流，并且可以很好地控制和改變輸出電流、電壓。(5) 設(shè)計簡單、高效，能制作出滿足人們所需要的開關(guān)電源。1.1.2 開關(guān)電源的分類(1)AC/DC 電源AC/DC 電源也被叫做一次電源,它從電網(wǎng)獲取能量后，要想得到一個高壓的直流電，必須要經(jīng)過高壓、整流和濾波三個環(huán)節(jié)，供 DC/DC 變換器在輸出端獲得一個或幾個穩(wěn)定的直流電壓,這種只留或者交流電源有很多種功率不盡相同的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于不同場合的不同設(shè)備中.也正是由于這種產(chǎn)品種類眾多,通常需要是根據(jù)用戶的需求來進(jìn)行選擇。(2)

13、DC/DC 電源通常也叫二次電源，有升壓和降壓兩種模塊，主要應(yīng)用于電力、工業(yè)控制、醫(yī)療、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。體積小，可靠性高，能產(chǎn)生多種輸入輸出電壓。(3)通信電源通信系統(tǒng)的核心就是通信電源，只有保障通信電源的正常工作才能使得通信系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、精確的運行。(4)電臺電源電臺電源的功率是根據(jù)電臺的功率來確定的，產(chǎn)品有多種型號.用電池組作備份防止電網(wǎng)斷電影響電臺工作，這類電源一個最大的長處就是具備對電池充電自動轉(zhuǎn)換功用。(5)模塊電源由于技術(shù)的不斷革新，人類對電源的需求不斷增大，對它的可靠性的要求和電源容電量要求也在不斷的提高,由于模塊電源體積小便于安裝、工作頻率高可靠性強(qiáng)，在市場上占據(jù)了很大的優(yōu)

14、越性，目前被廣泛應(yīng)用于很多方面。目前國內(nèi)的生產(chǎn)工藝較國外而言還有一定的差距。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2就現(xiàn)在而言，生產(chǎn) DC/DC 模塊電源需要花費高額的成本費,但從使用長遠(yuǎn)的角度看，該產(chǎn)品使用周期長，不容易產(chǎn)生系統(tǒng)故障，可以降低系統(tǒng)的維修成本，因而選用該電源模塊還是能夠考慮的。(6)特種電源特種電源種類比較多，用戶在使用時，可根據(jù)特殊需要來選用不同的產(chǎn)品.然而特殊小功率和大功率電源價格比普通電源要高很多。 （例如：高電壓小電流電源、大電流電源等） 。1.2 開關(guān)電源設(shè)計中的問題與未來發(fā)展1.2.1 開關(guān)電源設(shè)計中的問題開關(guān)電源的發(fā)展優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他種類的電源。它所使用

15、的都是一些新型材料、同時也被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，這些因素都是推動它快速發(fā)展的重要性因素。開關(guān)電源中現(xiàn)如今待解決的問題包括：(1) 器件效果。電源控制集成度低，使電源的穩(wěn)定性和高效功用變得越來越低，此外，電源的體積過大，不容易焊裝，效率過低都是很大的問題。(2) 材料效果。開關(guān)電源使用的材料在工作過程中會消耗大量的能量。(3) 能源變換效果。主要的能源變換有：AC/DC 變換、DC/AC 變換以及 DC/DC 變換等。(4) 軟件效果。要想實現(xiàn)全程自動檢測控制軟件操作，還需要在功率轉(zhuǎn)換的便捷及功率因數(shù)改善方面多做功課。(5) 生產(chǎn)工藝效果?，F(xiàn)在僅僅只能在試驗中可以實現(xiàn)其技術(shù)指標(biāo)，在現(xiàn)實生活中還不能達(dá)

16、到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)1.2.2 開關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀開關(guān)電源是一種高效能電源，目前開關(guān)電源已經(jīng)在穩(wěn)壓電源的市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。就長遠(yuǎn)的發(fā)展來看，生產(chǎn)一種采用控制集成電路和高頻變壓器的開關(guān)電源是必要的發(fā)展趨勢，因為這種電源能夠高效工作、可以穩(wěn)定輸出，在今后電源的能發(fā)展的歷程中會有著非?？捎^的前景。我們要在今后的研究與發(fā)展中盡量做到以下幾點：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3第一，使開關(guān)電源能夠全方位的滿足電磁兼容性的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；第二，使開關(guān)電源能在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中得到批量快速的生產(chǎn)；第三，使開關(guān)電源能得到廣大消費者的認(rèn)同，得以生產(chǎn)出高效率、節(jié)能的電源；第四，使開關(guān)電源完成更小的電源模塊，方

17、便人們的使用。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 42 開關(guān)電源元器件的使用2.1 開關(guān)晶體管元器件的好壞直接決定了開關(guān)質(zhì)量的優(yōu)劣，我們目前所設(shè)計的開關(guān)電源大多在實驗室中試用是成功的，一到產(chǎn)品流水線上進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)時，就會呈現(xiàn)各種問題3。當(dāng)然，有設(shè)計、工藝、焊接方面的問題，最重要的還是器件選擇上的問題。但是一旦追求器件的優(yōu)化又會造成資本的提高。從而需要在制作開關(guān)電源的過程給出最優(yōu)的電源設(shè)計方案，在不影響產(chǎn)品大規(guī)模長時間運行的情況下，縮減成本。2.1.1 功率開關(guān) MOSFETMOSFET 有多種類型。增強(qiáng)型 MOSFET 具備“常閉”特性，所謂的常閉特性就是指驅(qū)動信號和輸出電流均為零，

18、由于 MOSFET 的這一特性，使用者在很多方面使用起來就相當(dāng)方便。MOSFET 在工作過程中需要依靠多數(shù)載流子才能正常工作，MOSFET 具備較大的安全工作區(qū)，而且它的主要特點是散熱快，穩(wěn)定性好，開關(guān)速度快等。MOSFET 是一種典型的場控制器件。MOSFET 的電流溫度系數(shù)很小，是負(fù)值，基于它自身的這一特性，在使用過程中可以有效的避免熱不穩(wěn)定性和二次擊穿事故的發(fā)生，在大功率和大電流條件下應(yīng)使用具有很好的效果。MOSFET 的主要缺點是需要較大的電阻才能使其導(dǎo)通，用在大電流開關(guān)狀態(tài)時，開關(guān)導(dǎo)通過程中需求耗費較大的能量。而這部分電阻消耗的能量有必然會影響到開關(guān)電源總功率的輸出，因此我們有必要尋

19、找最適合的 MOSFET。2.1.2 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）主要特點是：(1) 電流密度大。(2) 輸入阻抗高，通態(tài)電壓低，柵極驅(qū)動功率小。(3) 導(dǎo)通電阻相當(dāng)?shù)汀GBT 的導(dǎo)通電阻只有 MOSFET 的 10%。(4) 開關(guān)速度快，關(guān)斷時間短。(5) 擊穿電壓高，安全工作區(qū)大。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5絕緣柵雙極型晶體管主要由 MOSFET 和 IGBT 構(gòu)成。其圖形符號見圖 2-1 和圖 2-2。G門極D 漏極S 源極圖 2-1 MOSFET C 集電極G柵極E 發(fā)射極G柵極C(D)集電極(漏極）E(S)發(fā)射極(源極)圖 2-2 IGBT

20、2.2 光電耦合器通過光媒介將輸入端的電信號耦合到輸出端的光電耦合器是由發(fā)光源跟受光體兩部分組成的。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋電路，為了使電壓輸出更加穩(wěn)定，一般都是通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓，利用光電耦合器來提供脈沖轉(zhuǎn)換的功能。12345vCPU12340.65k11K圖 2-3 光電耦合器及其典型用法 光耦合器的性能特點：（1）光耦合器體積小，壽命長，可以長期使用，有效的降低了維修成本，受溫度影響較小，抗干擾能力強(qiáng)。在電氣設(shè)備上的輸出端與輸入端，基本處于全面隔離的狀態(tài)。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6（2）光電耦合器與一般干擾源相比，它的輸入阻抗相對較小。

21、（3）光電耦合器本身的隔離電阻相對較大、隔離電容相對較小，從而能很好的阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，利于電源的設(shè)備的穩(wěn)定輸出。光耦合器產(chǎn)品的選取原則：（1）我們要遵循國內(nèi)和國際上關(guān)于隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)以此來選取光電耦合器。（2）光耦合器的型號和參數(shù)要選擇正確。（3）光電耦合器要選擇一個合適的 CTR 值。因此選擇一款優(yōu)質(zhì)的光電耦合器能夠很好的保護(hù)電路，降低因電源系統(tǒng)隔離不合理帶來的電源系統(tǒng)損壞。2.3 二極管二極管就是半導(dǎo)體二極管的簡稱，主要是利用外殼將 PN 結(jié)進(jìn)行封裝，再加上電極引線構(gòu)成。二極管在電子電路中用得較多，從結(jié)構(gòu)上分為點接觸型和面接觸型。按照功能來分，有快速恢復(fù)及超快速恢復(fù)二極管

22、、整流二極管、穩(wěn)壓二極管及開關(guān)二極管等。2.3.1 開關(guān)二極管在開關(guān)電源的電力設(shè)計應(yīng)用中常用到的開關(guān)二極管。這里的開關(guān)二極管主要是具有過壓保護(hù)的作用。開關(guān)二極管具有開關(guān)速度快、體積小、壽命長、可靠性高等特點。在電子設(shè)備中應(yīng)用相對較多。2.3.2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管具備單向?qū)щ娦裕９ぷ鞯臈l件是電壓反向擊穿。當(dāng)反向電壓穩(wěn)定電壓時，反向的電流會發(fā)生一個突變，其電流值增大，然而二極管兩端的電壓卻維持恒定穩(wěn)固，這就叫做穩(wěn)壓4。（1）穩(wěn)壓二極管的選用條件：第一，選用穩(wěn)壓二極管時要注意該二極管的穩(wěn)定電壓的標(biāo)準(zhǔn)適用值。第二，選用穩(wěn)壓二極管時要注意該二極管的適宜電壓范圍內(nèi)的溫度系數(shù)。第三，選用穩(wěn)壓二極管

23、時要注意該二極管的壓強(qiáng)，通常低壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值低于 40V；高壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值高于 200V。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7(2) 穩(wěn)壓二極管具有以下幾個作用：第一， 穩(wěn)壓二極管在電路中可以對漏極和源極經(jīng)行有效地鉗位維護(hù)；第二， 穩(wěn)壓二極管在電路中可以有效地加速開關(guān)管導(dǎo)通；第三，串聯(lián)在晶體管的發(fā)射級中的穩(wěn)壓二極管在晶體管反饋回路中作電壓負(fù)反饋，能夠有效地提高放大電路的穩(wěn)定性。2.3.3 快速恢復(fù)及超快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管和超快速恢復(fù)二極管是一種比較常見的器件，開關(guān)性能好、耐高壓、正向電流大、體積小等長處，在整流、續(xù)流、限流等電路中應(yīng)用廣泛。2.4 自動恢復(fù)開關(guān)自

24、動恢復(fù)開關(guān)是一種過流保護(hù)器件。當(dāng)用電電流過大或者是電路有短路情況產(chǎn)生時，可以對用電電路起到保護(hù)作用。它的主要特點是使用安全、開關(guān)特性好、可反復(fù)使用等。在正常的工作狀態(tài)下，其工作電流經(jīng)過開關(guān)的時候消耗的能量較小。如果電路中的電流超過最大設(shè)計值或電路發(fā)生短路故障時，流經(jīng)電路中的電流會增加，此時導(dǎo)電鏈會產(chǎn)生很大的熱量，這些局部熱量會使得聚合物從晶狀體形態(tài)變?yōu)榉蔷w形態(tài)，當(dāng)聚合物的形態(tài)產(chǎn)生改動時，自動恢復(fù)開關(guān)會將電路電流切斷，防止事故的發(fā)生。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 93 保護(hù)電路的設(shè)計多路精密開關(guān)電源與眾多的電子系統(tǒng)相似，在運行和使

25、用過不可避免的會發(fā)生電路故障和偶發(fā)性運行故障。因此在滿足用戶需求的情況下，為使多路開光精密開關(guān)電源能夠適應(yīng)環(huán)境的多變性，提高適用范圍，并且保證電源系統(tǒng)安全性和可靠興的情況下，有必須增加合理的保護(hù)功能電路。在發(fā)生突發(fā)性故障或者電源自身故障的情況下，電源保護(hù)電路能對電源系統(tǒng)進(jìn)行合理的保護(hù)，在最理想的情況下，將損失降到最低限制程度。3.1 鉗位保護(hù)電路的設(shè)計3.1.1 鉗位電路的介紹所謂鉗位，就是將某點的電位限制在規(guī)定的電位以上的措施。實現(xiàn)這個措施的那些電路叫做鉗位電路。鉗位電路的作用，是將周期性變化的波形頂部或底部保持在某一確定的直流電平上。開關(guān)電源中漏極鉗位保護(hù)電路的作用，就是當(dāng)功率開關(guān)管 MO

26、SFET 漏極 D 關(guān)斷時，由高頻變壓器原邊側(cè)漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓脈沖，以及它和原邊繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與經(jīng)整流濾波處理的直流高壓疊加在 MOSFET 漏極 D 上，將容易把 MOS 管的漏極擊穿，為了使疊加在漏極上的電壓能夠被鉗位和吸收，防止 MOSFET 被擊穿，因而需要設(shè)計鉗位保護(hù)電路。3.1.2 鉗位電路的工作原理本次設(shè)計采用的鉗位電路的工作原理：當(dāng)功率 MOSFET 管關(guān)斷后，變壓器次級側(cè)二極管保持反向偏置，勵磁電流對漏極電容充電。當(dāng)初級繞組電壓達(dá)到由變壓器匝比所定義的反射輸出電壓（VOR）時，次級二極管開通，勵磁能量傳遞到次級。漏感能量繼續(xù)對變壓器和漏極電容充電，直到初級繞組電壓等

27、于鉗位電容電壓為止。此時，阻塞二極管導(dǎo)通，漏極能量被轉(zhuǎn)移到鉗位電容。經(jīng)電容吸收的充電電流，將漏極節(jié)點峰值電壓鉗位到目標(biāo)值。漏感能量完全轉(zhuǎn)移后，阻塞二極管關(guān)斷，鉗位電容經(jīng)鉗位電阻放電，直到下一個周期開始。鉗位保護(hù)電路的各個元器件選擇是：鉗位電阻 R5是 68k/2W，鉗位電容 C5是1nF/400V，鉗位二極管 D5是 P6KE170，阻塞二極管 D6是 IN4937。由于穩(wěn)壓二極管 VR1上并聯(lián) R5和 C5，在正常工作時，R5幾乎承擔(dān)了所有的釋放能量，而在啟動或超載的情況青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10下，穩(wěn)壓二極管又限制了尖峰電壓不超過 TOP 中 MOSFET 管得安全

28、電壓。其電路圖如 3-1 所示。VR1P6KE170R568K/2WC51nf/400VD6IN4937圖3-1鉗位電路3.2 熔斷器的選擇熔斷器是一種過電流保護(hù)器，其主要作用是短路保護(hù)，一般不用于過載保護(hù)。在電氣設(shè)備正常運行時或者電路的電流出現(xiàn)正常變動時，熔斷器應(yīng)保持正常的工作狀態(tài)；在電路出現(xiàn)故障時，比電流過大或者是負(fù)載過載的情況下，應(yīng)該及時熔斷，以達(dá)到保護(hù)電路和安全的目的。在此次開關(guān)電源的設(shè)計過程中采用的是 3.15A 的熔斷器，大于電路的負(fù)載電流可以滿足其需要，能保證電路的正常運行。3.3 電阻 電感并聯(lián)接入電路的保護(hù)作用（1）電感上并聯(lián)一個電阻的主要目的：給電感提供一個放電回路，避免開

29、關(guān)電源中呈現(xiàn)截止關(guān)斷的狀況時，電感上的高壓擊穿電路中其它器件。（2）當(dāng)開關(guān)電源的輸入突然開路時，電流會突然中斷的情況，由于電感保持有一點的電壓，會不間斷的放電，電感兩端會產(chǎn)生反電勢，并聯(lián)電阻能夠吸收電流，降低了反電勢。（3）電路中設(shè)計的電感與電阻并聯(lián)的電阻部分采用的是水泥電阻，水泥電阻一般用在小阻值大功率的場合，主要在電路中當(dāng)作電流采樣電阻。但水泥電阻的體積相比其它常用電阻來說較大，不宜安放。而且使用時容易發(fā)熱，精密度相對較差，不能達(dá)到預(yù)想的效果。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11本設(shè)計的水泥電阻采用的 101.7A 水泥電阻，利用其自身阻值的優(yōu)勢，在電路發(fā)生意外情況的時候，通

30、過與 IGBT 的相互作用，使其電阻兩端產(chǎn)生維護(hù)電壓，進(jìn)而起動相關(guān)電源電路得以實現(xiàn)保護(hù)的作用。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 124 輸入整流濾波電路的設(shè)計4.1 整流電路電源系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計中經(jīng)常采用的整流電路包括半波整流電路和全波整流電路。半波整流電路適用于整流小電流的，對電壓波形紋波性能要求不苛刻的環(huán)境。而且是變壓器次級側(cè)是單繞組的情況，且二極管可以接受的最大反向電壓等級要求限度不高，而全波整流電路適用于變壓器次級側(cè)是上繞組的情況，二極管可以接受的最大反向電壓等級要求過高。所以綜合分析本設(shè)計采用橋式整流電路中的單項橋式整流電路。4.1.1 單相橋式整流電路的概述為了獲得一個合

31、理穩(wěn)定并且波形波動相對較小的直流電壓，我們需要引入整流電路。經(jīng)過查找資料得知，單相橋式整流電路的整流成果較為理想，是在其他整流電路中應(yīng)用最廣泛的一類整流電路。由二極管組成其整流電路，通過二極管的首尾相連的方式進(jìn)行電路的設(shè)計，在這種構(gòu)成原則的情況下保證在電壓器次級感應(yīng)電壓的整個周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終符合直流電壓的要求。為實現(xiàn)這一要求，就要在的正、負(fù)半周內(nèi)通過二極管的本身特性實現(xiàn)正確引導(dǎo)流向負(fù)載的電流。+-+C1U1圖 4-1 單相橋式整流電路青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13圖 4-2 單相橋式整流電路波形圖4.1.2 單相橋式整流電路的特點單相橋式整流電路克服了單相

32、半波整流電路中的輸出電壓較低，交流分量大及效率低的缺點。單相橋式整流電路在實踐運用中比單相半波整流電路要愈加普遍。但是單相橋式整流電路的缺點在于實際電路中所需的二極管數(shù)量較多，從而招致單相橋式整流電路中的負(fù)載電阻較大，也使得整個電路中的無功損耗變大，不利于電路的正常工作5。然而單相橋式整流電路是先了全波整流，提高了電源系統(tǒng)的效率，所以采納單相橋式整流電路。4.1.3 參數(shù)計算輸出電壓是單相脈動電壓，通常它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓：OL222012 22sind0.9VVVttVV(4-1)流過負(fù)載的平均電流：222 20.9LLLVVIRR (4-2)流過二極管的平均電流：2220

33、.452LDLLIVVIRR (4-3)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14二極管所承受的最大反向電壓：max22RVV(4-4)4.2 輸入濾波電路在整個輸入電路設(shè)計中的整流電路具有只是一個方向的電壓輸出，不過電壓的交流成分所占的比重較大（又稱為紋波電路） ，不能滿足一些電子電路及設(shè)施的需求。此時，我們一般在需要在電路中設(shè)計一個輸入濾波電路，以滿足整個電路的需求，濾去一些交流成分。濾波電路運用電抗性元件對交、直流阻抗的差異，從而完成濾波功用。經(jīng)過濾波電路后，我們可以濾掉一部分交流分量，還可以使得直流分量得以保留，最終能達(dá)到我們期望得到的直流電壓的質(zhì)量。輸入濾波電路的雙向隔離作用

34、對實際電路可以起到較好的過濾作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時也可以防止開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)6。在此設(shè)計思路主要是運用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?，從而解決整流電路所留下的弊病。在電源中的濾波電路具有的特點有：（1）采用無源電路；（2）理想情況下，濾去一切的交流部分，而只保存局部的直流部分；（3）該電路中可以輸出較大的電流；4.2.1 濾波電路方案的選擇在我們平時實驗中常用的電路中一般會采用電容濾波電路或者是電感濾波電路。此次設(shè)計的初衷也是從這兩種電路方案中選擇其一，用于開關(guān)電源電路的設(shè)計。（1）方案一：采用電容濾波電路。電容濾波電路就是一

35、般電路中，在整流電路的輸出端并聯(lián)上一個電容即可得到。一般情況下，濾波電容的容量較大，多采用電解電容來實現(xiàn)。（2）方案二：采用電感濾波電路。電感濾波電路就是一般在電路中將一個電感線圈L 串聯(lián)在整流電路與負(fù)載電阻之間。在應(yīng)用過程中，我們多會選用鐵芯的，電感量較大的電感。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15表 4-1 各種濾波電路的性能的比較電容濾波電感濾波LC 濾波RC 或 LC 型濾波Uo/U21.20.90.91.2小大大小適用場合小電流負(fù)載大電流負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)小電流負(fù)載（3）方案比較：由于在電路原理圖中所涉及的負(fù)載電阻為 101.7A 水泥電阻，其本身的電阻較小，在大電流負(fù)載的情

36、況下，若選用電解電容方式的濾波電路則會導(dǎo)致電容容量偏大，進(jìn)而導(dǎo)致整流二極管的沖擊電流很大，從而影響到電容器跟額、整流管的選擇變得非常困難。綜合整體的方案設(shè)計，最終采用的是電感濾波電路。本次開關(guān)電源的電路設(shè)計選用的是共模電感，用來作為電感濾波電路的主要器件。4.2.2 共模電感的概述（1）共模電感的介紹：共模電感又稱作共模扼流圈，它在外官上表現(xiàn)出來的是將線圈對稱繞制在一個閉合磁環(huán)上，并且其線圈繞制方向相反，線圈匝數(shù)還要保持一致。它在功能上既可以抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，又能夠濾除信號線上的共模電磁干擾，又被稱作是雙向濾波器。在保證器件本身不受干擾的狀況下，也不影響在同一環(huán)境下其它設(shè)備的工作。開

37、關(guān)電源的設(shè)計離不開共模電感。（2）工作原理:是當(dāng)工作電流流過兩個繞向相反的線圈時，產(chǎn)生兩個相互抵消的磁場 H1、H2，此時工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計的工作頻率下小漏電感阻尼7。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 165 TOP244 核心電路及高頻變壓器電路的設(shè)計5.1 TOP244 主電路自 20 世紀(jì)后期開關(guān)電源開關(guān)電源開始投入使用以來，工業(yè)中出現(xiàn)了很多功能比較完善的集成控制電路，這就促使開關(guān)電源電路的設(shè)計越來越簡單化，工作頻率不斷提高，效率大大提高，使得體積小的電源開關(guān)有著良好的發(fā)展趨勢。通過不斷地設(shè)計與實驗發(fā)現(xiàn)，TOP Switcth_GX 型集成電路可以縮短開

38、關(guān)電源的設(shè)計周期和降低成本，以及可以改善電源的電磁兼容和提高電源的效率。所以通過此類芯片當(dāng)作開關(guān)電源的核心芯片可以促進(jìn)開關(guān)電源的發(fā)展8。5.1.1 TOP244 產(chǎn)品介紹（1）TOP244 是一款集成式開關(guān)電源芯片，能夠控制引腳輸入電流轉(zhuǎn)化為高壓功率MOSFET 開關(guān)輸出的占空比9。（2）產(chǎn)品特點：輸出功率更大，可以滿足大功率應(yīng)用；所設(shè)計的外圍電路相對簡單，因此相對于其他產(chǎn)品需要的成本就低；電壓維持在極低的狀態(tài)下能充分集成軟啟動，線性欠壓保護(hù)，無關(guān)斷干擾；可以高壓啟動、自動重啟動的方式；熱遲滯值較大，防止電路板過熱，具有熱關(guān)斷的特性。2MRLSLDSXRIL12KTT+-圖 5-1 TOP24

39、4 內(nèi)部引腳分配圖青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 175.1.2 TOP244 引腳功能描述表 5-1 TOP244 引腳功能描述引腳功能漏極（D）引腳高壓功率 MOSFET 的漏極輸出控制（C）引腳線電壓檢測（L）引腳占空比控制欠壓與過壓檢測端頻率（F）引腳開關(guān)頻率選擇端源極（S）引腳源極連接點外部限流（X）引腳外部限流調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程開/關(guān)控制和同步的輸入引腳5.1.3 逆變電路圖 5-2 逆變電路圖由于變壓器只能通過交流，在電源系統(tǒng)輸入端將電網(wǎng)交流電整流成了直流電，要想獲得一個交流電必須通過電路將其轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用兩個整流二極管串聯(lián)的形式，與TOP244 的 D、L 引腳構(gòu)成逆

40、變電路。在電流通過串聯(lián)整流二極管時只有一個二極管導(dǎo)通，另一二極管關(guān)斷。通過兩個二極管的交替導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)輸入端直流到交流的轉(zhuǎn)換，從而在變壓器次級側(cè)可以得到感應(yīng)電動勢，即次級電壓。5.2 高頻變壓器電路在多路精密開關(guān)電源中的高頻變壓器，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18實際上就是利用兩個電感，通過電容儲能放能的過程以及電容本身的分壓作用10。當(dāng)MOSFET 交替開關(guān)導(dǎo)通時，電感也在儲存能連多喝釋放能量。即，當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通的時時候，電感儲存能量。而在功率開關(guān)管截至是，電感的則是將儲存的能量釋放出來、從而實現(xiàn)直流到交流的變化。該電源系統(tǒng)的工作頻率為 132KHZ，因此屬于高

41、頻電源系統(tǒng)。所以采用的變壓器也應(yīng)為高頻變壓器。高頻變壓器由于漏感、分布電容、絕緣及磁芯的選取都比較復(fù)雜，甚至需要借鑒實際經(jīng)驗。表 5-1 變壓器參數(shù)指標(biāo)基本指標(biāo)參數(shù)公式電壓 24V 12V 5V (交流) 電流 2A 1.5A 1A初級匝數(shù)次級匝數(shù)BfAuNep4/PSNNN 工作頻率132KHZ24V 變壓器的輸出功率 = 輸出電壓 X 輸出電流 = 24V X 2A = 48W。12V 變壓器的輸出功率 = 輸出電壓 X 輸出電流 = 12V X 1.5A= 18W 。 5V 變壓器的輸出功率 = 輸出電壓 X 輸出電流 = 5V X 1A= 5W 。24V 變壓器最大輸出功率 =變壓器功

42、率 X 1.44 = 48W X 1.44 = 69.12W。12V 變壓器最大輸出功率 =變壓器功率 X 1.44 = 18W X 1.44 =25.920W。5V 變壓器最大輸出功率 =變壓器功率 X 1.44 = 5W X 1.44 =7.2W。24V 鐵芯截面積 = 。變壓器鐵芯疊厚:鐵芯截面積/舌寬=鐵芯疊厚疊厚=2629mm2/60mm = 43mm。所以鐵芯規(guī)格采用舌寬 60mm 的硅鋼片，疊厚為 43mm。骨架就選用 E60X43 的。初級線圈匝數(shù)=45/26.29 X 24V = 40.549(取整數(shù))，則為 40 匝。次級線圈匝數(shù) = 5/12 X 24 = 100。次級線

43、圈匝數(shù)為 10 匝。繞線的線徑：線徑電流7 . 0。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19輸入繞線線徑：7 . 0/輸入電壓變壓器功率mm278. 17 . 012/480。輸出繞線線徑：mm13. 37 . 0207 . 0輸出電流因此可以得出變壓器制作參數(shù)，如表5-2表 5-2 變壓器制作參數(shù)基本指標(biāo)主要參數(shù)變壓器功率48W 18W 5W變壓器峰值功率69 W鐵芯截面積8.813cm2 鐵芯舌寬鐵芯疊厚60mm43mm初級線圈匝數(shù)40 匝次級線圈匝數(shù)10 匝 7 匝 3 匝輸入繞線線徑1.278mm輸出繞線線徑3.13mm當(dāng)變壓器制作完成后需要進(jìn)行多次測試與檢查，要確保其實現(xiàn)預(yù)

44、想穩(wěn)定的變壓效果，才能用于電路的設(shè)計。變壓器是整個電路中至關(guān)重要的一部分。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 206 輸出整流濾波電路與反饋電路的設(shè)計6.1 輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。在變壓器次級側(cè)輸出電壓后，經(jīng)由快速恢復(fù)二極管 D7-D11，實現(xiàn)電路的整流和續(xù)流?？焖倩謴?fù)二極管可實現(xiàn)高頻率的電壓的整流，本多路精密開關(guān)電源的工作頻率在 132KHZ，屬于高頻開關(guān)電源，因此采用快速恢復(fù)二極管。由于電源系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài)，因此在輸出電流中必然存在高頻紋波，高頻紋波對于用電設(shè)備產(chǎn)生諧波和調(diào)制，干擾用電設(shè)備的正常工作狀態(tài)。由于高頻紋波的存在是電源系統(tǒng)的效率降

45、低。因此，在電路中加入小容值 C2-C10的電容跟電感 L1-L3組成開關(guān)電源輸出濾波器部分，電容 C 可以濾出電路中的高頻開關(guān)電流紋波，降低輸出紋波電壓，使輸出電路的輸出電壓更加穩(wěn)定。L 起到抑制紋波和平滑直流的作用11。這樣組成的低通濾波器，能濾除整流后的波動，同時能較好的消除高頻紋波，使輸出平滑，電路輸出電壓的波形接近直流電壓的波形相對趨于平穩(wěn)，從而提高整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及用電設(shè)備的安全性，實現(xiàn)最優(yōu)的人機(jī)關(guān)系。整流電路輸出的電流中夾雜著含有脈動較大的紋波成分，要濾除這些紋波需要由電感、電容組成的濾波電路，以此來獲得直流成分。并聯(lián)的電容器 C 在輸入電壓升高時，電容器充電，把部分能量存儲

46、在電容器中；而當(dāng)輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電，負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。當(dāng)輸入電壓增高時，與負(fù)載串聯(lián)的電感 L 中的電流增加，電感 L 將存儲部分磁場能量；當(dāng)電流減小時, 又將能量釋放出來，使負(fù)載電流變得平滑。因此，電感 L 也有平波作用12。因為電感對直流的阻抗小，而交流則阻抗大，因此，能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。本設(shè)計中采用電容并聯(lián)的連接方式，有助于減小電容的等效串聯(lián)電阻，減小電路損耗；大電容和小電容并聯(lián)可以擴(kuò)寬濾波范圍，在一定范圍內(nèi)可以使不需要的低頻與高頻信號得到濾除，在一定程度上提高了電源的效

47、率和穩(wěn)定性。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21圖 6-1 輸出整流濾波電路圖6.2 反饋電路反饋回路的形式依據(jù)輸出電壓精度而決定，本方案使用的“光耦+TL431”可以把輸出電壓精度控制在 1%。電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò) R10，R12引入 TL431 的 Ref 端，獲得取樣電壓后，將與穩(wěn)壓二極管 TL431 中的 2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓，然后通過光耦改變 TOP244 的控制端電流 IC，再通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓 U 使其光耦PC817 工作在線性狀態(tài)，起隔離作用。此次設(shè)計的多路精密開關(guān)電源，根據(jù)電路原理圖配用的是 PC187 型光耦反饋電路13。通過查

48、閱資料得知，PC187 是一種可以實現(xiàn)“電-光-電”轉(zhuǎn)換的線性光耦。它將輸入可變的模擬電流或電壓信號，轉(zhuǎn)換為不同強(qiáng)度的光信號，然后影響光敏晶體管的導(dǎo)通情況，最后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)輸出量的電流或電壓信號。另一方面，PC817 還可以對輸入輸出信號起到隔離作用，其隔離值高達(dá) 5KV，具有相當(dāng)優(yōu)質(zhì)的電路隔離作用和保護(hù)作用。見圖 6-3 PC817 反饋電路圖青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22圖 6-2 PC187 內(nèi)部框圖如圖 6-2 所示 PC187 的內(nèi)部框圖，1 是陽極，2 是陰極，3 是發(fā)射極，4 是集電極；1 和 2 代表信號輸入端，3 和 4 代表信號輸出端。U1Optoisol

49、ator1D81N41481uFC12150R41KR53.3KR715KR610KR90.1uFC13U3TL431圖 6-3 PC817 反饋電路圖青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23總結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力工程師比以往擁有了更加強(qiáng)大的技術(shù)支持，對電源系統(tǒng)的發(fā)展也達(dá)到了前所未有的技術(shù)高度。經(jīng)過多年電源系統(tǒng)的發(fā)展，電源技術(shù)得到了長足有效的發(fā)展。在電源技術(shù)發(fā)展的過程中，從線性變換技術(shù)逐步發(fā)展到開關(guān)電源技術(shù)，時至今日更是發(fā)展到了開關(guān)電源和高頻率開關(guān)電源技術(shù)。開關(guān)電源所具有的效率高、體積小、重量輕等顯著特點為其自身的發(fā)展提供了廣闊的空間。為了社會的進(jìn)步，人們對能源的關(guān)注越來越多。

50、開關(guān)電源發(fā)展到今天更是更加注重其功率問題。世界各國也是在大力研究開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計方案等，甚至對電源系統(tǒng)中的 MOSFET 等功率器件提出了新的要求。本論文中設(shè)計的多路精密開關(guān)電源是利用新型器件 TOP244 構(gòu)成的開關(guān)電源系統(tǒng)。TOP244 開關(guān)電源結(jié)合 PCB 制板技術(shù)，使得開關(guān)電源系統(tǒng)在性能上更穩(wěn)定，在功率方面更加節(jié)能，實現(xiàn)更加優(yōu)化的人機(jī)關(guān)系。在其所應(yīng)用的系統(tǒng)的均證明了其良好的供電性能。為儀器儀表、通信設(shè)備、計算機(jī)和家電產(chǎn)品的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 盡管因為本次設(shè)計學(xué)習(xí)了很多東西，做了大量的工作，但仍有很多問題需要在以后解決和完善，如提高自學(xué)能力，加強(qiáng)實用訓(xùn)練，熟練掌握檢測技巧使等?？傮w而言，本次畢業(yè)設(shè)計還是讓我開闊了眼界，鍛煉了自己，讓我受益頗多。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24參考文獻(xiàn)1夏慧芳高頻開關(guān)電源發(fā)展概述J. 電源世界，2007，(5)：1-102高吉祥，易凡 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計北京：電子工業(yè)出版社，2004