單片機開關電源電路

1、 課程設計 題目單片開關電源電路設計與制作姓 名 學 號 系（院） 班 級 指導教師 職 稱 2015年 06月 20日27目錄1前言-32工作原理-4 1開關電源介紹-4 2電源原理-53反激式變換器-6 1反激式變換器工作原理-6 2反激式變換器工作模式-7 3單相二極管整流橋-8 4緩沖電路-8 4 TOPSwitch-GX芯片-9 1 TOPSwitch-GX性能-9 2 TOPSwitch-GX內部結構-10 3 TOPSwitch-GX引腳功能-125 反激式變換器的高頻變壓器設計-13 1 繞組符合安全規(guī)程-13 2 低漏感的繞制方法-14 3 變壓器緊密耦合的繞制方法-16 4

2、 確定磁心尺寸-17 5 反激式變壓器設計-196 單端反激式開關電源主電路設計-21 1單端反激式開關電源主電路介紹-21 2 單端反激式開關電源驅動電路介紹-227 設計結果及分析-22 1設計結果分析-248 結論-25前 言 本課題主要掌握反激式PWM高頻開關電源的工作原理。電源在一個典型系統(tǒng)中擔當著非常重要的角色。從某種程度上，可以看成是系統(tǒng)的心臟。電源給系統(tǒng)的電路提供持續(xù)的、穩(wěn)定的能量，使系統(tǒng)免受外部的侵擾，并防止系統(tǒng)對其做出傷害。所以，本課題主要是用TOPSwitch-GX系列是單片開關電源中的TOP244Y設計反激式開關電源從而到平穩(wěn)的直流輸出，實現(xiàn)設計一個穩(wěn)定的電源輸出。開關

3、電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源，節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。TOPSwitch-GX系列是單片開關電源第四代產品，最大輸出功率從75W擴展到290W，將開關頻率提高到132KHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積。當開關電源的負載很輕時，能自動將開關頻率從132KHz降低到30KHz，可降低開關損耗，進一步提高電源效率。本設計要求電源的輸入為電網(wǎng)電壓（市電），經濾波后進入單相二極管整流橋，再經大電容濾波得到直流高壓，通過P

4、WM控制，在反激變換器的變壓器二次側得到高頻矩形波電壓，再經濾波得到平穩(wěn)的直流輸出。而本人主要研究主電路的制作和繞制高頻變壓器，高頻變壓器采用EE25型磁心，配10引腳的骨架，用直徑為0.38mm的漆包線繞制。最后以反激電路的框架進行主電路的設計。工作原理開關電源簡介電源是各種電子設備必不可少的組成部分 ,它的性能好壞直接影響到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關電源兩大類 。線性穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電源 ,其穩(wěn)壓性能好 ,輸出紋波電壓很小 ,但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進行隔離 ,并且調整管的功率損耗較大 ,致使電源的體積和重量大、效率

5、低。開關電源被譽為高效節(jié)能電源 ,它是利用現(xiàn)代電力電子技術 ,通過控制開關通斷的時間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源 ,具有體積小、重量輕、功率小、效率高、紋波小、噪聲低、易擴容、智能化程度高等優(yōu)良特性 ,廣泛應用在諸如計算機、電視機、攝像機等電子設備上。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 ,現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產品。目前 ,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備中。而隨著近些年來科學技術的不斷發(fā)展 ,開關電源技術在實際需要的推動下快速的發(fā)展 ,具體的發(fā)展趨勢可以總結為以下幾個方面:（1）高頻化開關頻率的提高有利于開關電源的體積減小 ,重量減輕 ,動

6、態(tài)響應得到改善。早期開關電源的頻率僅為幾千赫茲 ,隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進 ,開關頻率漸漸地提高。在這個過程中 ,IGBT的出現(xiàn) ,使得開關電源的容量不斷增大 ,在許多中等容量范圍內 ,迅速取代了晶閘管相控電源。并且 ,IGBT的開關速度很高 ,通態(tài)壓降低。但是 ,隨著開關頻率的提高 ,電源的電磁干擾問題也變得突出起來。如何在提高開關頻率的情況下 ,最大限度的減少電磁干擾對電源的影響 ,是一個擺在科研工作者面前的急需解決的問題。（2）非隔離DC/DC技術近年來 ,非隔離 DC/DC 技術發(fā)展迅速。它們基本上可以分成兩大類。一類在內部含有功率開關元件 ,稱 DC/DC 轉換器。另

7、一類不含功率開關 ,需要外接功率MOSFET ,稱 DC/DC 控制器。按照電路功能劃分,有降壓的STEP-DOWN、升壓的 BOOST ,還有能升降壓的BUCK-BOOST 或 SEPIC等,以及正壓轉成負壓的 INVERTOR 等。其中品種最多 ,發(fā)展最快的還是降壓的 STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小 , 分為單相、兩相及多相。控制方式上以 PWM 為主 ,少部分為 PFM。目前一套電子設備或電子系統(tǒng)由于負載不同 ,會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+ 3.3V、- 12 V四種電壓以及待機的 + 5 V 電壓 ,主機板上則需要2.5 V、1.8

8、V、1.5 V甚至 1 V 等。一套 AC/DC 中不可能給出這樣多的電壓輸出 ,而大多數(shù)低壓供電電流都很大 , 因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC。（3）數(shù)字化高頻開關電源的另一發(fā)展趨勢是數(shù)字化。過去在傳統(tǒng)功率電子技術中 , 控制部分是按模擬信號來設計和工作的。隨著數(shù)字處理技術的發(fā)展成熟 , 其優(yōu)點明顯便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾 ,提高抗干擾能力、便于軟件包的調試和遙感遙測遙調 , 也便于自診斷、容錯等技術的植入等。這類電源大體上包括兩個部分 ,即硬件和軟件。硬件部分包括 PWM 的邏輯部分、時鐘、放大器環(huán)路的模數(shù)轉換、數(shù)模轉換以及數(shù)字處理、驅動、同步整流的

9、檢測和處理等。而在軟件方面可以通過DSP或熱待機狀態(tài); 有效調整系統(tǒng)工作點 ,使系統(tǒng)處于最佳效率工作點。比如艾默生網(wǎng)絡能源公司的通信電源休眠節(jié)能技術 ,就是使電源系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的負載情況和系統(tǒng)當前模塊的工作情況 ,通過合理的邏輯判斷和控制,在保證系統(tǒng)冗余安全的條件下 ,有選擇的打開或休眠部分模塊 ,使系統(tǒng)工作在最佳效率點 ,節(jié)能效率顯著。通過采用以上節(jié)能方案優(yōu)化通信電源系統(tǒng)設計 ,可將目前業(yè)界在網(wǎng)應用的通信電源的實際工作效率低載時提高 78 個百分點 ,高載時提高 34 個百分點 ,從而使基站內通信電源達到直接節(jié)能與間接節(jié)能的目的。電源原理工作原理是: 市電進入電源首先經整流和濾波轉為高壓直流電

10、 ,然后通過開關電路和高頻開關變壓器轉為高頻率低壓脈沖 ,再經過整流和濾波電路 ,最終輸出低電壓的直流電源。同時在輸出部分有一個電路反饋給控制電路 ,通過控制 PWM 占空比以達到輸出電壓穩(wěn)定。開關電源由以下 4 部分構成:（1） 主電路:從交流電網(wǎng)輸入 ,到直流輸出的主要電路。主要包括輸入電磁干擾濾波器、輸入整流濾波器、高頻變壓器、功率開關管和輸出整流濾波器。（2）控制電路:包括輸出端取樣電路、反饋電路和脈寬調制器（或通斷控制電路）。（3）檢測及保護電路:檢測電路有過電流檢測、過電壓檢測、欠電壓檢測、過熱檢測等;保護電路可分為過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、箝位保護、過熱保護、自動重啟動

11、、軟啟動、緩啟動等多種類型。（4）其他電路:如鋸齒波發(fā)生器、偏置電路、光耦合器等。開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓。開關電源按控制原理來分類 ,大致有脈沖寬度調制式簡稱脈寬調制（Pulse WidthModulation ,縮寫為 PWM）式；脈沖頻率調制方式簡稱脈頻調制（Pulse Frequency Modulation ,縮寫為 PFM）式；混合調制方式（它屬于PWM 和PFM的混合方式）。其中，脈沖寬度調制式 ,簡稱脈寬調制（Pulse WidthModulation ,縮寫為 PWM）

12、式。其主要特點是固定開關頻率,通過改變脈沖寬度來調節(jié)占空比 ,實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調制器。開關周期的固定為設計濾波電路提供了方便。但是 ,它的缺點是受功率開關最小導通時間的限制,對輸出電壓不能作寬范圍調節(jié);此外 ,輸出端一般要接假負載 亦稱預負載 ,以防止空載時輸出電壓升高。目前 ,大多數(shù)的集成開關電源采用PWM 方式1。反激式變換器反激變換器的工作原理 反激變換器的工作原理見圖1-3。從圖1-3可以看出當高壓開關管Q被PWM脈沖激勵而導通時，輸入電壓便施加到高頻變壓器的原邊繞組Np上，由于變壓T1副邊整流二極管D1反接，副邊繞組Ns沒有電流流過；當開關管關斷時，副邊繞組Ns上電壓極性顛

13、倒，整流二極管D1被正偏，開關管導通期間儲存在變壓器中的能量便通過整流二極管D1向負載釋放。這種變換器在高壓開關管導通期間只存儲能量，在截止期間才向負載傳遞，高頻變壓器在工作過程中既是變壓器又相當于一個儲能用電感。輸出端加由電感器Lo和兩Co電容組成的一個低通濾波器,變壓器初級需有Cr，Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。 反激變換器的工作原理反激變換器的工作模式 反激變換器有電流斷續(xù)、電流臨界連續(xù)以及電流連續(xù)3種工作模式。在電流斷續(xù)模式下，導通期間儲存在初級繞組中的能量，在下一個周期開始前完全傳遞到次級和負載上，當次級電流回零時與下一個周期的開始之間存在一個死區(qū)時間。 在電流臨界連續(xù)模式

14、下，次級電流回零時剛好是下一個周期的開始時刻，是一種無死區(qū)時間的臨界狀態(tài)。在電流連續(xù)模式下，下一個周期開始時，次級仍有剩余能量，次級電流沒有回零，反激變換器可工作在不同模式下，但特性不同。1）斷續(xù)模式具有更高的電流峰值，在關斷期間具有更高的輸出電壓尖峰。線圈的銅損要大一些，鐵耗也大。連續(xù)模式下輸出電壓尖峰小，因變換器傳遞函數(shù)存在右半平面零點，只有大幅降低帶寬才能使反饋環(huán)穩(wěn)定。2）斷續(xù)模式下的負載瞬態(tài)響應更快，在相同輸出功率下，初級感抗比連續(xù)模式下初級感抗小，使得高頻變壓器體積較小。 3）斷續(xù)模式下二極管的反向恢復時間不是十分重要，因為在施加反向電壓之前正向電流為零，未出現(xiàn)由二極管反向恢復引起的

15、振鈴現(xiàn)象，傳導EMI噪聲比較小。4）斷續(xù)模式一般用于負載變化小的場合。負載變化大的場合讓變換器在小電流時工作并保持斷續(xù)模式，大電流時工作并保持連續(xù)模式，以減小電感體積。單相二極管整流橋 如圖1-4所示，VT1和VT4組成一對橋臂，在正半周承受電壓，得到觸發(fā)脈沖即導通，當過零時關斷。VT2和VT3組成另一對橋臂，在正半周承受電壓-，得到觸發(fā)脈沖即導通，當過零時關斷。圖1-4 單相橋式整流電路接電阻負載時的電路及波形緩沖電路（吸收電路） 緩沖電路又稱吸收電路，如圖1-5所示。其作用是抑制電力電子器件的內因過壓、du/dt、或者過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通

16、緩沖電路。關斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小開通損耗。另一種分類方法：緩沖電路中儲能元件能量如果消耗在其吸收電阻上，則稱其為耗能式緩沖電路；如果緩沖電能將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路6。圖1-5 di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形TOPSwitch-GX芯片TOPSwitch-GX的性能被譽為“高效節(jié)能 ”的開關電源（SwitchingModePowerSupply-SMPS）自

17、問世以來 ,以其高效率、小體積、低成本等優(yōu)點已在通訊、航天、航空、工業(yè)自動化裝置及儀器儀表等領域廣泛應用。美國動力公司(Power Integrations-PI)于二十世紀90年代中期推出的新型高頻單片開關電源芯片 ,更被譽為“頂級開關電源”。PI公司繼 TOPSwitch-FX之后新推出的TOPSwitch-GX第四代單片開關電源集成電路 ,極大地簡化了 250 W以下的開關電源設計和縮短了產品的開發(fā)周期 ,為新型、高效、低成本、小體積開關電源的推廣與普及創(chuàng)造了條件。TOPSwitch-GX系列器件主要包括下列型號:TOP242PTOP244P、TOP242GTOP244G、TOP242Y

18、TOP250Y等共 33種型號 ,它們主要有以下特點:(1)最大輸出功率由 FX系列的 75 W擴展到 250W;(2) 新增加的線路檢測端(L)和極限電流設定端(X), 代替了TOPSwitch-FX的多功能端（M）的全部控制功能 ,使用更加靈活方便;（3）具備軟啟動功能 ,最大限度地降低峰值電壓和電流 ,減輕了元器件啟動時的負擔;（4）具有可編程設定極限電流和輸入電壓欠壓、過壓檢測功能;（5）具有線性限壓檢測 ,無關斷尖峰干擾;（6）負載很輕時 ,能自動將開關頻率從132kHz降低到30 kHz半頻模式下則由 66 kHz降至15 kHz , 從而降低開關損耗 ,進一步提高轉換效率8。TO

19、PSwitch-GX的內部結構電路主要由以下幾部分組成：（1）控制電壓源 控制電壓UC向并聯(lián)調整器和門驅動級提供偏置電壓，控制電流IC調節(jié)占空比；（2）帶隙基準電壓 所有的臨界TOPSwitch內部電壓都由一個溫度補償?shù)膸秴⒖蓟鶞实贸觥Ｔ搮⒖蓟鶞室伯a生一個溫度補償?shù)碾娏髟?，它被微調在精確設置的振蕩頻率和調節(jié)MOSFET柵級的驅動電流；（3）振蕩器 用于產生脈寬調制器所需要的鋸齒波、時鐘信號及最大占空比信號；（4）并聯(lián)調整器/誤差放大器 誤差放大器將反饋電壓與5.7V基準電壓進行比較,輸出誤差電流Ifb在Re上形成誤差；（5）脈寬調制器 脈沖寬度調制器提供電壓型控制環(huán)，以驅動輸出級MOSFET

20、，其占空比與流入控制腳的電流成反比。該腳在Re兩端產生一個電壓誤差信號，經RC濾波后，與內部振蕩器鋸齒波相比較，產生一定占空比的波形；（6）門驅動級和輸出級 門驅動級用于驅動功率開關管，使之按一定速率導通。MOSFET管的漏-源擊穿電壓大于700V；（7）過流保護電路 過流比較器的反向輸入端接閥值電壓,同相輸入端接MOSFET的漏極；（8）具有滯后特性的過熱保護電路 當芯片結溫大于135時，過熱保護電路將關斷輸出級；當芯片結溫低于70時，電路恢復正常工作，即具有滯后特性；（9）關斷/自動重啟電路 一旦調節(jié)失控，將立即使電路在低占空比下工作，倘若故障被排除，則自動重新啟動電源，恢復正常工作；（1

21、0）高壓電流源 在啟動或滯后調節(jié)模式下，高壓電流源經過電子開關S給內部電路提供偏置，電源正常工作時，電子開關S改接內部電源，將高壓電流源關斷；（11）軟啟動 軟啟動時間為10ms，以減輕啟動時元器件的負荷沖擊；（12）輸入過壓、欠壓檢測及保護電路 通過外接電阻器設定過壓、欠壓的保護電壓，并且可以在電源關斷時防止自動重啟動脈沖的干擾；（13）輕載時自動降低開關頻率 開關頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減少，保證其在輕載時仍具有很好的調節(jié)特性；（14）停止邏輯及開啟電壓為1V的電壓比較器 通過改變線路檢測端流入或流出電流的大小及方向來控制開關電源的通、斷狀態(tài)。線路檢測端內部還增加了開啟電壓為

22、1V的電壓比較器，此開啟電壓可用于遠程通斷控制4。 圖2-1 TOPSwitch-GX芯片內部結構圖TOPSwitch-GX的引腳功能TOPSwitch-GX的引腳排列如圖2-2所示，有六個引出端，分別是控制端C，線路檢測端L，極限電流設定端X，源極S，開關頻率選擇端F，漏極D。由其內部結構圖4可知，該電路主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、并聯(lián)調整器 /誤差放大器、脈寬調制器(PWM)、振蕩器、門驅動級和輸出級、過流保護電路、過熱保護電路、軟啟動電路、關斷 /自啟動電路及高壓電流源等部分組成。 圖2-2 TOPSwitch-GX引腳排圖TOP-220-7C（Y）封裝TOPSwitch-GX的管

23、腳說明：漏極（D）:MOSFET管漏極輸出。高壓開關電流源通過此腳為內部提供啟動偏置電流。開關頻率選擇端（F）:用于選擇開關頻率的輸入引腳 ,連接至源極（S）時為 132 kHz,連接至控制端（C）時為 66 kHz。源極（S）:將其連接至輸出 MOSFET源極時可得到高壓功率回饋。極限電流設定端（X）:從外部設定芯片的極限電流。線路檢測端（L）:此端具有過壓保護、欠壓保護和遠程通 /斷控制功能?？刂贫耍–）:用于調節(jié)占空比的誤差放大器與電流輸入腳。反激式變換器的高頻變壓器設計繞組符合安全規(guī)程 磁性元件的設計是一個優(yōu)秀的開關電源設計的關鍵。合理的磁性元件電氣和物理的設計對每一個開關電源工作的可

24、靠性有極大的影響。已有多部介紹磁性元件原理和設計的著作，而本次是從開關電源設計實用手冊的角度來介紹磁性元件的設計。由于開關電源是磁性元件一個特定的應用場合，所以磁性元件的設計過程可以大大地簡化。這樣一來不需要理解磁性元件設計的各個方面的細節(jié)，可以最快地完成設計。 開關電源變壓器的物理繞線方法是很重要的，它會使電源性能差別很大。好的繞線方法可以使電源性能變得非常好，反之也可以使電源噪聲很大，性能變差。開關電源變壓器與50/60Hz的工頻變壓器相比，設計要求更為苛刻。 變壓器的繞制，主要有三個方面的因素要考慮： 1電源是否必須符合所有的安全規(guī)范。2繞組之間耦合要好。3所有繞組的漏感應盡可能小。這些

25、因素有些是相互影響的，所以需要采取折中辦法。如果開關電源的輸入電壓峰值高于40V，就要受到一個或多個國際安全規(guī)程組織所制訂的規(guī)程約束。這些組織一般互相借鑒對方的安全規(guī)程，但設計者仍要再查看自己產品所銷往的市場對這方面的要求。國際電工委員會（IEC）是這些標準的主要制訂者，其標準為所有歐洲共同體的安全規(guī)程組織所采用。其余的安全規(guī)程組織，如美國UL、加拿大標準機構（CAS）、和日本的VCCI一起努力，在IEC標準的基礎上采用統(tǒng)一的安全規(guī)程。這將使同一套標準在全世界范圍都可使用。在每個國家，不同的市場也有不同的標準。市場的不同，也是IEC標準要努力協(xié)調的一部分。 在“離線式”或輸入交流電壓90260

26、V的開關電源中，通常使用的磁心是E-E型磁心和從E-E型磁心派生出來的一些磁心。這些磁心都有骨架，這使得它們制造比較容易。安全規(guī)程組織對變壓器結構的要求是很明確的。爬電距離或輸入繞組和輸出繞組表面的距離不能小于4mm。為了滿足這個要求，變壓器制造者可以在骨架中繞線區(qū)的兩端放置2mm厚的絕緣帶，把繞線繞在邊沿的帶子之間。這些邊沿的帶子在絕緣的繞組之間總共增加了4mm的距離。常見的符合IEC標準的變壓器如圖3-1所示。 圖3-1 符合IEC的交錯離線式變壓器導線從骨架中引出的時候也要繞上絕緣帶，這也是由于標準規(guī)定導線通過這4mm空間時的要求。輸入和輸出端之間也要有4mm的距離，也就是它們之間的爬電

27、距離要比這個大。這可以通過骨架上輸出端模壓成“固定槽或類似的結構來實現(xiàn)。 輸入的兩個極性直流的正負端，相線與零線之間的爬電距離最少要有3.2mm。 表面的電導率隨著它工作時所處的環(huán)境和平均濕度的長期影響而變化。上面提到的爬電距離要隨著應用場合的不同而改變。設計者一定要參考適用的技術規(guī)范。 額外增加的絕緣帶、絕緣套管和引出端距離使最后的變壓器成品體積更大，成本也增加。這是由于這些都是手工操作，需要花費很多時間。低漏感的繞制方法 減小繞組漏感有多種方案和繞制技巧可選擇。漏感是指沒有耦合到磁心或其他繞組的可測量的電感量。它的影響就像一個獨立的電感串接在繞組的引線上一樣。它是導致功率開關管漏極或集電極

28、和輸出二極管陽極上的尖峰的原因。這是由于它的磁通無法被二次繞組所匝鏈。 對于已選定的磁心和計算好的繞組，可以根據(jù)式（3-1）估算漏感。 （3-1） 式中 K取3整根繞線線繞在骨架上平均每匝的長度，單位為in；繞組所包含的匝數(shù)；繞組的寬度，單位為in；繞線的絕緣厚度，單位為in；制作好的變壓器所有繞組的厚度，單位為in。公式給出了影響繞組漏感的主要因素。變壓器設計者能夠控制的主要因素是選擇磁心中柱長的磁心。繞組越寬，漏感越小。一次二次耦合的好壞對一次漏感也有很大的影響。這點可以從把一次繞組分成兩半，二次繞組夾在中間或交錯在中間的繞法中看出來。另外一個比較麻煩的變壓器寄生參數(shù)是線圈的匝間電容，這可

29、以分布在整個繞組各個線圈之間的小電容來表示。一次輸入電壓較高的變壓器，繞線間的分布電容是一個問題。特別是離線式或高輸入電壓的開關電源中，這個問題就更突出了。這個寄生電容是由于同一繞組鄰近線圈的電位不同而引起的。式（3-2）表示的就是一個繞組中兩匝之間存儲的能量，并且這個公式說明了這些電容產生的原因。在開工轉換時，這個能量就以尖峰的形式釋放。 （3-2）式中 S繞組之間的距離，單位為m； d導線直徑，單位為m。如果線圈一層接著一層來回繞，分布電容存儲的能量就很大。最后，線圈間的電壓差也很大，甚至有可能接近絕緣擊穿電壓。這會得到很糟的結果。 這些減小分布電容的繞制方法可以極大地減小導線間的絕緣壓力

30、，減小了相鄰線圈間由于絕緣被擊穿而產生電弧的可能性。變壓器緊密耦合的繞制方法一次與二次，二次與二次繞組的緊密耦合，是變壓器設計者最理想的目標。1.絞合繞法這種方法是通過一對絞合的導線來增加繞組間的耦合。就是把兩根或更多的導線絞合在一起，然后把它們同時繞到骨架上。絞得太緊，容易損壞絕緣層。這種方法保證所有的線繞在相鄰近的位置，所有可以提供最好的耦合效果。即使繞組的匝數(shù)不一樣，繞組只有部分是絞合在一起的，這種方法也有助于提高繞組間的耦合因數(shù)。2多線繞組法.這種繞線技術就是把兩根或多根導線放在一起同時繞，不過并沒有把這些導線絞合在一起。大部分時候是把它們緊挨在一起的。當然，如果一次電壓峰值高于40V

31、時，不能用多線繞組或絞合繞組的繞制方法來同時繞一次和二次繞組。輸入電壓低于AC206V時，安全規(guī)程機構要求一次、二次繞組之間放三層1mil的聚酯薄膜。這會破壞這兩個繞組間的耦合。為了提高一次、二次繞組之間的耦合，可以把這兩個繞組交錯在一起（見圖3-1）。這種繞法比起只是簡單地把二次繞組繞在一次繞組上的繞法，所花的勞動量更大。因此，在一次、二次繞組匝數(shù)比超過15-20:1時候，推薦使用這種交錯繞法。這就包括輸入電壓為AC240V或比這高而輸出電壓不高于DC+5V的電源。從圖3-3就可以看出，交叉繞法在輸入電壓AC480V的離線反激式電路中的效果。 圖3-3 在離線反激式變換器中交叉繞制方法對波形

32、的影響從這兩張波形圖中，容易看出它們之間的尖峰能量的區(qū)別。通常這些能量消耗在一次側的鉗位或吸收電路中。采用上述變壓器繞線技術，盡管會增加變壓器的成本，但是效果比較好，可以提高整個電源的性能。對于整個電源的長期運行來說，可以節(jié)省資金。確定磁心的尺寸確定磁心的尺寸對于某個應用場合來說，選擇磁心尺寸要考慮五個主要因數(shù)：因素： 影響的參數(shù)：輸出功率 （磁心橫截面積）磁通是雙象限，還是單象限的 （磁心橫截面積）輸入電壓 （磁心窗口面積）繞組數(shù)目 （磁心窗口面積）繞線方式 （磁心窗口面積）每個制造廠商都用自己不同的方法來確定磁心尺寸。有些是用圖表的方法，有些只是簡單地說明在特定的應用場合下各種磁心可以傳遞

33、能量，還有些是用含義模糊的是式子來說明，這些式子采用不同的工程單位，會使人困惑。下面介紹估計初始磁心尺寸的兩種方法。磁心尺寸選擇方法1根據(jù)應用場合，確定功率是在表3-1的哪個功率范圍內。從符合要求的磁心制造廠商中，選擇尺寸最接近或稍大一點的磁心。表3-1 輸出功率與大致的磁心尺寸的關系確磁心尺寸選擇方法2 這種方法首先假設變壓器是單繞組。每增加一個繞組并考慮安全規(guī)則要求，就需要增加繞線面積和磁心尺寸。它將綜合影響磁心的“窗口利用因數(shù)”。在確定基本的單繞組電感磁心尺寸時，可用這個窗口利用因數(shù)來調整。 第一步是確定單繞組電感的磁心尺寸。這可以通過式（3-3）來求得。 （3-3）式中 一次繞組的導線

34、截面積，單位為cir mil或；工作時的最大磁通密度，單位為G；f 工作頻率；電源的總輸出功率。用MKS（米千克秒）制時，使用下面公式： （3-4）式中一次繞組的導線截面積，單位為；工作時的最大磁通密度，單位為T；f 工作頻率；電源的總輸出功率,單位為W。接下來要確定窗口利用因數(shù)，然后計算總的窗口利用因數(shù)。窗口利用因數(shù)可以從表3-2中得到。表3-2 變壓器窗口利用因數(shù) 可以利用下面式子把這些獨立的窗口利用因數(shù)綜合起來： （3-5）最后從下面式子可以得到變壓器磁心的估計尺寸： （3-6） 在美國，結果是用來表示的，而對于一個使用公制的系統(tǒng)是用來表示。這兩鐘單位制的轉換如下： （3-7a） （3-

35、7b） 有些磁心制造廠家的數(shù)據(jù)手冊給出了磁心參數(shù)，這和上面的計算公式是一致的。要選擇最接近或稍大一點的磁心。 也可以根據(jù)磁心制造廠家確定磁心尺寸的方法進行變壓器設計。其實本階段變壓器的設計只是一個粗略的估計。反激式變壓器的設計 反激式變壓器的工作與正激式變壓器不同。正激式變壓器兩邊的繞組是同時流過電流的，而反激式變壓器先是通過一次繞組把能量儲存在磁心材料中，一次側關斷后再把能量傳到二次回路。因此，典型的變壓器阻抗折算和一次、二次繞組匝數(shù)比關系不能在這里直接使用。這里的主要物理量是電壓、時間、能量。為了變壓器可靠工作，就需要有氣隙。 剛開始，在開關管導通時把一次繞組看作是一個電感器件，滿足 （3

36、-8）用代到上式中，移項整理后，用以知的電源工作參數(shù)，通過式（3-9）可算出一次最大電感 （3-9）式中最大占空比（通常取0.5）。 這個電感值是在輸入最小工作電壓時，電源輸出仍能達到額定輸出電壓所允許選擇的最大電感值。 在開關管導通的每個周期中，存儲在磁心的能量為； （3-10）要驗證變壓器最大連續(xù)輸出的功率能否滿足負載所需要的最大功率，可以使用下式： （3-11） 磁心制造廠商為氣隙長度提供了一個的參數(shù)。這參數(shù)是電感磁心線上1000匝后的數(shù)據(jù)。根據(jù)設計好的電感值，繞線的匝數(shù)可以用式（3-12）計算方法確定。 （3-12）式中 一次電感量，單位為mH。 如果有些特殊的帶有氣隙的磁心材料沒有提

37、供的值，可用式（3-13）。 （3-13）式中氣隙長度代表的是最大的一次電感值，這個值就是在可以預計的最小輸入電壓下，在一個周期內能把所需能量存儲到磁心的電感值。 根據(jù)式（3-14），輸出最大功率時的二次繞組匝數(shù)。 （3-14）式中預計的輸出整流器的正向壓降。上式算出來的結果應該看作是最大的匝數(shù)，因為匝數(shù)越多的話，二次電感量也越大，因此把磁心的能量釋放完需要更長的時間。這樣算出來的結果往往不是整數(shù)，而很多磁心不支持帶小數(shù)的匝數(shù)，這就要在磁心允許的范圍內選取最接近這個小數(shù)的整數(shù)。 現(xiàn)在考慮二次繞組的安排了。設計者可能會選用自耦變壓器式的二次繞組或隔離式二次繞組。由于反激式的二次側是半波整流的，所

38、以非中間抽頭的繞組或全波整流橋是不能用的（見圖3-4）。一旦要設計的二次繞組的繞法確定后，就要檢查磁心的窗口面積是否能裝下這個繞組。圖3-4 反激式變壓器二次繞組的安排a)有中間抽頭的二次側 b)相互隔離的二次側 在反激式變換器中，變壓器的物理結構設計是比較苛刻的。如果設計不當，會產生電壓尖峰，這會影響半導體器件的可靠工作2。單端反激式開關電源-主電路設計單端反激式開關電源主電路介紹EMI輸入濾波器部分中，市電經過3.15A的保險管，再經安全電容亦稱“X電容”和大小為22mL的共模扼流圈完成一次濾波。然后經2A/600V的整流橋（BR）對輸入進行整流，再通過由、構成的緩沖電路進一步降低電磁干擾

39、。其中瞬態(tài)電壓抑制器（P6KE200）和超快恢復二極管（UF4005）組成初級鉗制電路，能吸收泄露電感的能量，將漏極電壓鉗制在安全值。另外，由和構成的RC吸收回路能進一步降低電磁干擾。這次的高頻變壓器采用EE25型磁心，配10引腳的骨架要留一點氣隙。初級繞組采用0.38mm漆包線繞58匝，次級繞組用4股0.38mm漆包線并繞6匝，輔助繞組用0.38mm漆包線繞2匝。輸出整流濾波電路由、和構成。把和并聯(lián)起來可降低濾波電容的等效電感，是用20A/100V的肖特基二極管MBR20100，用3.3的磁珠。而與并聯(lián)在兩端，能防止在高頻開關狀態(tài)下產生自激振蕩。為安全電容也稱為“Y電容”，它接在高頻變壓器的

40、初、次級繞組之間，耐壓值為280V。單端反激式開關電源驅動電路介紹 由于此次本人是負責主電路部分，所以以下只對驅動電路作個簡單的介紹。由圖4-1可見，精密光耦反饋電路由PC817和TL431組成。輸出電壓經和取樣后，與TL431內部的基準電壓進行比較，產生出的誤差電壓通過PC817去調整TOP244Y的輸出占空比，實現(xiàn)PWM控制。而與為頻率補償網(wǎng)絡，用于設定環(huán)路的直流增益。與是用于組成軟啟動電路，避免在啟動電源時發(fā)生過載現(xiàn)象。在TOP管L端接大小為2的電阻，能實現(xiàn)過電壓值為450V（DC），欠電壓值為100V（DC）的輸入過電壓/欠電壓保護。X端的外接電阻能將TOP244Y極限電流減小到標稱值

41、的85%。電阻可以在輸入電壓升高時限制電源的最大輸出功率。 設計結果及分析一、實驗結果1在實驗室上電后，對成品在85V到220V的電壓范圍內進行輸出端空載測試。分別用萬用表測量整流后的整流電壓與空載輸出電壓，結果如表5-1。表5-1 空載測試交流輸入U（V）整流電壓（V）輸出電壓Uo(V)851211361151601351452041381752491372203131392在實驗室上電后，對成品在85V到220V的電壓范圍內進行輸出端負載為938與501測試。分別用萬用表測量整流后的整流電壓與負載輸出電壓，結果如表5-2與表5-3。表5-2 負載為938測試交流輸入U（V）整流電壓（V）輸出電壓Uo(V)85119116115164132145208121175251125220316125表5-3 負載為501測試交流輸入U（V）整流電壓（V）輸出電壓Uo(V)8511912.711516312.914520512.617524712.822031513.3設計結果分析1由三個表格的輸出數(shù)據(jù)可