基于topswitch小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)演示文稿

1、姓名：姓名： 學(xué)號：學(xué)號：題目：基于題目：基于topswichtopswich小功率開關(guān)電源小功率開關(guān)電源n采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)和趨勢。本文介紹了三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列的工作原理及其在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，同時(shí)也介紹了與TOPSwitch相匹配的高頻功率變壓器的設(shè)計(jì)。其中， PWM控制器和變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在研究了單片開關(guān)電源的工作原理基礎(chǔ)之上，采用TOP222Y芯片設(shè)計(jì)了輸出為12V/1.67A小功率單片式開關(guān)電源電路及高頻變壓器；并對電路中的一些元器件的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)

2、算和選擇。該電路基本能滿足設(shè)計(jì)的要求。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，即鞏固了所學(xué)的知識 ，又得到了一次實(shí)踐的鍛煉開關(guān)電源的基本概念開關(guān)電源的基本概念 電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需電能的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動(dòng)力源泉。直流開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，用于交流直流或直流直流電能變換，通常稱其為開關(guān)電源（Switched Mode Power Supply-SMPS）其功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)十千瓦，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。彩色電視機(jī)、VCD 播放機(jī)等家用電器、醫(yī)用X 光機(jī)、CT 機(jī)，各種計(jì)算機(jī)設(shè)備，工業(yè)用的電解、電鍍、充電、焊接、激光等裝置，以及飛機(jī)、衛(wèi)星、

3、導(dǎo)彈、艦船中，都大量采用了開關(guān)電源。開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開關(guān)電路進(jìn)行控制。開關(guān)電源的這一技術(shù)特點(diǎn)使其同其他形式的電源，如采用調(diào)整管的線性電源和采用晶閘管的相控電源相比具有體積小、重量輕和效率高兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源工作原理開關(guān)電源工作原理 “開關(guān)電源”是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制功率半導(dǎo)體器件開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,使一個(gè)電路運(yùn)行于“開關(guān)狀態(tài)”并維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源；與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源具有體積小、效率高、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用單片開關(guān)電源有兩種工作模式

4、單片開關(guān)電源有兩種工作模式n一種是連續(xù)模式n一種是非連續(xù)模式n連續(xù)模式適用于選輸出功率較小的和尺寸較大的高頻變壓器n適合采用輸出功率較大的，配尺寸較小的高頻變壓器。反饋電路的選擇反饋電路的選擇n (a) 基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低廉、適于制作小型化、經(jīng)濟(jì)型開關(guān)電源；其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率SU=1.5%2%；負(fù)載調(diào)整率SI=-4%+4%。n (b) 改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一支穩(wěn)壓管VDZ 和電阻R1，即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到-2%+2% 。VDZ 的穩(wěn)定電壓一般為22V，需相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿足電路的需要。n (c) 配TL431 的光耦

5、反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用TL431 型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對Uo 作精細(xì)調(diào)整。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開關(guān)電源。n (d) 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，由VDZ 提供參考電壓UZ，當(dāng)Uo 發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在LED 上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對Uo 進(jìn)行調(diào)整。n由于本設(shè)計(jì)旨在針對精密開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行的設(shè)計(jì)與制作，所以選擇配TL431 的光耦反饋電路。TOPSwishn TOPSwichII器件為三端單片開關(guān)電源,是一種將PWM和MOSFET合二為一的新型集成芯片。與普通線性穩(wěn)壓

6、電源相比其優(yōu)點(diǎn)為體積小、重量輕,并且密度高、價(jià)格低;采用它制作高頻開關(guān)電源,不僅簡化了電路,同時(shí)可以改善電源的電磁兼容性能,且降低了制作成本。性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)n(1) PWM控制系統(tǒng)的全部功能均集成在三端芯片中。通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,由于采用CMOS電路,使器件功耗顯著降低,電源效率高,且可以采用體積較小的濾波元件和散熱器;n (2) 它屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的AC /DC電源變換器,即電流控制型開關(guān)電源;n (3)輸入交流電壓和頻率的范圍寬。作固定電壓輸入時(shí)可選110 V /115 V /230 V交流電源,寬范圍輸入時(shí)適配85265 V交流電源,輸入頻

7、率范圍是47440 Hz;n (4) 開關(guān)頻率的典型值為100 kHz,允許范圍90110 kHz,占空比調(diào)節(jié)范圍1. 7 %67 %;n (5) TOPSwitchII具有自動(dòng)重啟和逐周電流限制功能,故可對功率變壓器初級和次級電路的故障進(jìn)行保護(hù)。TOPSwitchII還具有過熱關(guān)閉選通功能,可在電路超負(fù)荷時(shí)有效地保護(hù)電源;n (6)外圍電路簡單,成本低廉,外部只需整流濾波器、高頻變壓器、漏極箝位保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。內(nèi)部框圖內(nèi)部框圖n(1)控制極C：占空比控制誤差放大器輸入端和反饋電流輸入腳。啟動(dòng)時(shí)由內(nèi)部高壓電流源提供內(nèi)部偏置電流；在正常工作時(shí)，流入反饋控制電流。同時(shí)用作電源旁路電容

8、器和自動(dòng)啟動(dòng)/補(bǔ)償電容器的接入點(diǎn)。 (2)源極S：在TO-220封裝中，既是MOSFET管的源極接點(diǎn)，也是開關(guān)電源初級 回路的公共點(diǎn)和參考點(diǎn)。 (3)漏極D：MOSFET管漏極接入點(diǎn)。在啟動(dòng)時(shí)，提供內(nèi)部偏置電流。nTOPSwitch-II系列芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如上圖所示。主要由以下幾部分組成：N溝道高壓MOSFET管、柵極驅(qū)動(dòng)器、電壓模式的PWM控制器、誤差放大器、100kHz振蕩器、輸入欠壓保護(hù)、輸出過流、過熱保護(hù)電路及尖峰抑制電路等。n TOPSwitch系類芯片是一個(gè)具有自偏置很具有保護(hù)功能的由電流來線性控制占空比的變換器和漏極開路式輸出。芯片通過使用CMOS工藝和最大限度的集成度來獲得高

9、效率。COMS所采用的工藝跟雙極式或散件式相比較，可以充分減少偏置電流。芯片的一體化省去了電流采樣和/或?yàn)槠鸪跎想妴?dòng)產(chǎn)生的偏置電流的外部功率電阻。 EMI濾波器濾波器EMI濾波器基本電路及應(yīng)用濾波器基本電路及應(yīng)用n電磁干擾濾波器的基本電路如圖所示。該五端器件有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，使用時(shí)外殼應(yīng)接通大地。電路中包括共模扼流圈（ 亦稱共模電感）L,濾波電容C1-C4, 對串模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同， 經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有

10、電流通過時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場就會(huì)互相加強(qiáng)。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I 有關(guān)，參見表1 。需要指出，當(dāng)額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量，可改善低頻衰減特性。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01UF-0.47UF，主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾。C3和C4亦可并聯(lián)在輸入端， 仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200PF-0.1UF。為減小漏電流，電容量不得超過0.1UF,并且電容器中點(diǎn)應(yīng)與大地接通。C1,C4的耐壓值均為 630VDC或250VAC。整流橋的選型整流橋的

11、選型 (1)整流橋的上述特性可等效成對應(yīng)于輸入電壓頻率的占空比大約為30。 (2)整流二極管的一次導(dǎo)通過程，可視為一個(gè)“選通脈沖”，其脈沖重復(fù)頻率就等于交流電網(wǎng)的頻率(50Hz)。 (3)為降低開關(guān)電源中500kHz以下的傳導(dǎo)噪聲，有時(shí)用兩只普通硅整流管(例如1N4007)與兩只快恢復(fù)二極管(如FR106)組成整流橋，F(xiàn)Rl06的反向恢復(fù)時(shí)間trr250ns。n最終確定使用IN4005 整流橋采用兩只FR106型1A/800V快恢復(fù)二極管（VD1，VD2）兩只IN4007n型普通硅整流管（VD3，VD4）。高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)n高頻變壓器是開關(guān)電源中進(jìn)行能量儲存與傳輸?shù)闹匾考?，開

12、關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣，不僅對電源效率H 有較大的影響，而且直接關(guān)系到電源的其它技術(shù)指標(biāo)和電磁兼容性(EMC)。為此，一個(gè)高效率的高頻變壓器應(yīng)具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組的分布電容及各繞組間的耦合電容小等條件。n 開關(guān)電源中變壓器的功能是把輸入的高頻高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰母哳l低電壓。所以實(shí)際工作情況與線性穩(wěn)壓電源中的電源變壓器差別很大。線性穩(wěn)壓電源中變壓器輸入的是正弦交流電，而開關(guān)變壓器的初級是開關(guān)電源的一部分，工作在直流高頻斬波狀態(tài)下進(jìn)行。這也是設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器的基本出發(fā)點(diǎn)。高頻變壓器的工作原理高頻變壓器的工作原理n變壓器的工作原理如圖所示：在一次繞組上外施一變流電壓U1便有I0

13、流入，因而在鐵心中激勵(lì)一交流磁通，磁通同時(shí)也與二次繞組匝鏈。由于磁通的交變作用在二次繞組中便感應(yīng)出電勢ez。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，繞組的感應(yīng)電勢正比于安的匝數(shù)。因此只要改變二次繞組的匝數(shù)，便能改變電勢ez的數(shù)值，如果二項(xiàng)繞組接上用電設(shè)備，二次繞組便有電壓輸出，開關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)計(jì)算開關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)計(jì)算inUeeDImmax（1）選擇恰當(dāng)?shù)拇判九c骨架，當(dāng)開關(guān)電源的額定輸出功率PO=20W 時(shí)，設(shè)開關(guān)電源的效率H 達(dá)到85%90%，則高頻變壓器的額定輸入功率 PI=PO/H= 20W/（85%90%）= 18W。（2） 初級感應(yīng)電壓UOR 的計(jì)算 UOR=UDCIminton / t

14、off =UDCIminDmax/(1-Dmax) 計(jì)算得到：UOR=380V。3初級電感量Lp的計(jì)算 脈沖最大占空比 0.68 初級線圈電感量5.4610-3H（3）確定變壓器各繞組匝數(shù)）確定變壓器各繞組匝數(shù)n1）變壓器變比的計(jì)算 US = UDCIminton / toffNS/NP 變壓器次級電壓與輸出電壓的關(guān)系為： US1=UO+UL+UF=12+0.3+0.4=12.7V； 其中變壓器次級繞組壓降UL 為0.3V，輸出整流共陰極肖特基對管VD2、VD3 壓降UF 為0.4V。 變壓器的變比n 可表示為： n=NS/NP= NS /(UDCIminton/toff)=US1/UOR 計(jì)

15、算得n=0.0932）變壓器初級、次級及反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算 初級 22.7 實(shí)取N1=23匝 次級 0.56實(shí)取N2=1匝 maxIm017123 . 1102DUPBSWNinmaxImmax02)1)(DUDUUNNinFmaxImmax0)1)(DUDUUNNinFBBDUPNLMAXinIm0123 . 104. 03）反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算公式為： 得NB = 2 匝4)計(jì)算磁芯的氣隙寬度 L=0.01mm 磁芯放在磁路中心處要求Lg0.051mm若小于此值需增大磁芯尺寸或增加Np值高頻變壓器的繞制高頻變壓器的繞制n1.初級繞組必須繞在最里層。其優(yōu)點(diǎn)之一是能縮短每匝導(dǎo)線的長度，減小初級繞

16、組的分布電容；優(yōu)點(diǎn)之二是初級繞組能被其他繞組所屏蔽，可降低初級繞組對相鄰元件的電噪聲。n2.初級繞組的起始端應(yīng)接到TOPSwitch的漏極端，利用初級繞組的其余部分和其 它繞組將它屏蔽，減小從初級耦合到其他地方的電磁干擾。初級繞組最好設(shè)計(jì)成兩層或兩層以下以降低初級分布電容和漏感。在初級各層之間加一絕緣層，能將分布電容減小到原來的1/4左右。漏電感會(huì)導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。為減小變壓器的漏感，可采用三明治繞法把副邊夾在原邊的中間，或在原邊層與層之間加上膠布。另外變壓器繞組的頂部互相之間應(yīng)同軸，以便使耦合最強(qiáng)，減小漏電感。n3.反饋繞組的最佳位置取決于開關(guān)電源采用初級調(diào)整方案還是次級調(diào)

17、整方案。采用前者時(shí)應(yīng)將反饋繞組置于初、次級繞組之間，這樣能對初級回路元件上的電磁干擾起到屏蔽作用。采用后者時(shí)需把反饋繞組繞在最外層，此時(shí)反饋繞組與次級繞組的禍合最強(qiáng)，對輸出電壓的變化反應(yīng)得更靈敏，能提高調(diào)整度；另外還能減小反饋繞組與初級繞組的耦合程度以及反饋輸出的峰值充電效應(yīng)，也有助于提高穩(wěn)壓性能。n.4.繞制多路輸出的次級繞組時(shí)，輸出功率最大的次級繞組應(yīng)靠近初級，以減小漏感。如次級匝數(shù)較少，每匝之間可使適當(dāng)留出間隙，或采用多股并繞的方式使繞組能充滿整個(gè)骨架。PC817的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理nPC817是線性光電耦合器，是以光為媒介來傳播電信號的器件。通常是把發(fā)光器（發(fā)光二極

18、管LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內(nèi)如圖所示。nPC817當(dāng)輸入端加電信號時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。n普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號（開關(guān)信號），不適合傳輸模擬信號。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，這樣隨著輸入信號的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。 PC817光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔茫€可以起到隔離作用。下圖為PC817 集電極電壓Vce 與發(fā)光二極管正向電流If 關(guān)系。 TL431的工

19、作原理的工作原理n在本設(shè)計(jì)中就是利用TL431和光耦構(gòu)成反饋電路，基準(zhǔn)電壓和反饋電路采用常用的三端穩(wěn)壓器TL431來完成，在反饋電路的應(yīng)用中運(yùn)用采樣電壓通過TL431限壓，由于TL431具有體積小、基準(zhǔn)電壓精密可調(diào)、輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，所以用TL431可以制作多種穩(wěn)壓器。其性能是輸出電壓連續(xù)可調(diào)達(dá)36V，工作電流范圍寬達(dá)0.1100mA，動(dòng)態(tài)電阻典型值為0.22歐,輸出雜波低。其最大輸入電壓為37V，最大工作電流為150mA，內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.5V，輸出電壓范圍為2.530VPC817光電耦合器與光電耦合器與TL431外圍器外圍器件參數(shù)計(jì)算件參數(shù)計(jì)算n電源反饋隔離電路由光電耦合器PC817以及并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 所組成，如圖4.2所示，其中R2為光耦的限流電阻，R3 及R4 為TL431 的分壓電阻，C1 作為頻率補(bǔ)償之用。光電耦合器的限流電阻R2 可由下式求得n 輸出電壓Vo ，則由TL431內(nèi)部2.5V之參考電壓求得: FFIVVR02FCII1RIVCF43015 . 2RRV輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)n輸出整流電路的設(shè)計(jì) 輸出整流管宜采用肖特基二極管，肖特基二極管是利用金屬和半導(dǎo)體接觸產(chǎn)生的勢壘作用的二極管，它是以多數(shù)載流子工作的，因而在開關(guān)時(shí)沒有少數(shù)載流子存儲電荷和移動(dòng)效應(yīng)。其壓降低、正向?qū)〒p耗小，能提高電源效率。此外肖特基