多路輸出單端反激式開關電源設計

1、摘 要 電子設備對電源的要求日益增高，促進了開關電源技術的不斷發(fā)展。本文介紹了基于美國pi公司生產的單片開關電源芯片topswitch系列設計的多輸出的ac/dc開關電源。 設計電路選用topswitch系列芯片的top244y，該芯集成了pwm控制器、mosfet功率開關管和欠電壓、過電壓等保護電路，芯片的開關頻率為132khz，最大占空比為78%。設計電路的開關電源輸出功率為25w時，實現了12v/1.2a,5v/2a和30v/20ma三路直流電壓輸出，效率為80%以上。論文介紹了開關電源相關內容，反激式開關電源的原理和應用技術，為電路設計提供了理論指導，并且提出了反激式開關電源的設計規(guī)劃

2、。仔細分析反激式開關電源之后，選擇了電路所需的元器件的型號和參數，最終完成電路圖的設計。最后使用芯片專屬的優(yōu)化設計軟件pi expert對反激式開關電源進行優(yōu)化設計。設計結果為，優(yōu)化設計之前電源的效率為78%左右，實際輸出直流電壓的最大誤差為3.5%，經過優(yōu)化之后最大誤差降為0.36%，且電源效率提高到90%以上。反激式開關電源的直流輸出回路接有emi濾波器，有效地降低了開關電源的輸出紋波。關鍵詞： 開關電源 ；反激式；多路輸出；topswitch-gxtitle design of multi-output single-ended fly-back converter abstractel

3、ectronic devices demanded on power increasingly higher to promote the continuous development of converter technology. this paper introduced the small power multi output ac/dc converter design based on the chip of top-switch produced by american company power integrations.the converter design used to

4、p244y as switching chip, which had pwm control circuit and power mosfet, the chips switching frequency was 132 khz, the maximum duty cycle was 78%. when the output power was 25w, switching power served three dc outputs 12v/1.2a, 5v/2a and 30v/20ma and the efficiency was 80%.the paper introduced some

5、 related content about the converter and the theory and technology of fly-back converter, to provide a theoretical guidance for circuit design. and then the paper proposed a fly-back converter supply design plan. and next, i designed a fly-back switching power circuit, and selected circuits componen

6、ts and parameters. finally using pi expert to optimize this fly-back switching power, i received some result about the designed circuit. before the optimization, the efficiency was 78%, and the actual output dc voltages maximum error was 3.5%, after the optimization, maximum error decreased to 0.36%

7、, and the efficiency increased to 90%. and the fly-back switching power circuit had output emi filter, decreased output ripple of switching power effectively.朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音 字典1. 動詞 1. put forward2. propose3. raise4. bring forward5. pose6. advance7. dish朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音 字典keywords: switching

8、power supply；fly-back；multiple output；topswitch-gx目 次1 緒論11.1 開關電源研究的目的和意義11.2 開關電源研究現狀及發(fā)展前景11.3 開關電源的新技術新理論22 反激式開關電源的原理42.1 反激式開關電源介紹52.2 開關電源的芯片簡介62.3 pwm反饋控制方式72.4 反激式開關電源的設計規(guī)劃83 反激式開關電源的電路設計103.1 開關電源的emi設計103.2 整流電路設計123.3 高頻變壓器的設計143.4 反饋電路設計173.5 多路輸出電壓電路設計203.6 保護電路設計213.7 反激式開關電源的電路圖224 反激

9、式開關電源電路的優(yōu)化設計244.1 pi expert 輔助設計軟件介紹244.2 直流輸出優(yōu)化設計244.3 高頻變壓器的優(yōu)化設計254.4 反激式開關電源優(yōu)化設計26結論28致謝29參考文獻30附錄 多路輸出反激式開關電源電路圖321 緒論能源在社會現代化方面起著關鍵作用。電力電子技術以其靈活的功率變換方式，高性能、高功率密度和高效率，在21世紀必將得到大力發(fā)展。開關電源是電力電子技術中占有很大比重的一個重要方面。1.1 開關電源研究的目的和意義開關電源是20世紀60年代電源歷史上的一次革命，安裝于各種家用電器、工業(yè)設備及軍用電子裝置中，同時作為賦能裝置應用于各個領域。進入80年代計算機電

10、源全面實現了開關電源化，率先完成了的電源替換。開關電源運用功率變換器進行電能變換，經過變換電能，可以滿足各種用電要求。開關電源產品的主要特點是體積小，重量輕，效率高，可靠性和穩(wěn)定性較好，對供電電網電壓的波動不敏感，在電網電壓波動較大的情況下，仍能維持較穩(wěn)定的輸出。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、資源以及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。例如高頻開關整流焊接電源已取代傳統(tǒng)焊接電源，廣泛用于焊接行業(yè)，高頻開關整流焊接電源在體積、質量、節(jié)能及焊接性能等方面是傳統(tǒng)焊接電源無法比擬的。在電力操作系統(tǒng)中使用ac/dc，dc/dc高頻開關電源，可以實現與市電的熱備用運行，既可在市電正常情況為蓄電池充電，也可

11、以在市電斷電時提供負載所需的操作電源，克服了硅整流器及二極管調壓存在的體積大、精度差等缺點。應用高壓開關電源的脈沖電暈加氨脫硫是一種很有前景的煙氣凈化技術，可以解決世界性的三大環(huán)保問題之一的酸雨。1.2 開關電源研究現狀及發(fā)展前景半個世紀以來，開關電源大致經歷了四個發(fā)展階段。早期的開關電源全部由分立元件構成，不僅開關頻率低、效率不高，而且電路復雜，不易調試。在20世紀70年代研制出的脈寬調制器集成電路，僅對開關電源的控制電路實現了集成化。20世紀80年代問世的單片開關穩(wěn)壓器，從本質上講仍屬于ac/dc電源變換器。隨著各種類型單片開關電源集成電路的問世。ac/dc電源的集成化變?yōu)楝F實。 隨著全球

12、對能源問題的重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，開關電源的效率比傳統(tǒng)的線性電源高很多，這樣就節(jié)省了能源，因此它受到了人們的青睞。但是開關電源也有缺點，就是電路復雜，維修困難，對于電路的污染嚴重；電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路；這些都成為開關電源發(fā)展中必須解決的問題。開關電源技術追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面:小型化、微型化、輕量化、高頻化，可靠性，低噪聲，采用計算機輔助設計和控制，以及低輸出電壓技術等。開關電源的體積、重量主要由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關電源的小型化實質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變

13、壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，因此高頻化是開關電源的主要發(fā)展方向。開關電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設計方面思考，盡可能使用較少的器件，提高集成度，采用模塊化技術可以滿足分布式電源系統(tǒng)的需要，提高系統(tǒng)的可靠性。而單純地追求高頻化使開關電源的缺點噪聲也會隨之增大，盡可能降低噪聲影響是開關電源的又一發(fā)展方向，采用部分諧振轉換回路技術，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。隨著半導體制造技術的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設備的工作電壓越來越低，這就要求dc/dc變換器

14、能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設備的供電要求。開關電源的發(fā)展從來都是與半導體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關，高頻化的實現，需要相應的高速半導體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展mosfet、igbt等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損耗磁性材料，改進磁元件的結構及設計方法，提高濾波電容的介電常數及降低其等效串聯電阻等方面的工作，對于開關電源小型化始終產生著巨大的推動作用。總之，人們在開關電源技術領域里，邊開發(fā)低損耗回路技術，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數的市場增長率向小型、高頻、低噪聲、高可靠方向發(fā)展。1.3 開關電源的新技術新理論1.3.1 功率因數校

15、正電路雖然開關電源的輸入電壓是電網的正弦波形，但由于電路是一種非線性元件和儲能元件的組合，所以其交流輸入電流不是正弦波，而是脈沖波形。脈沖狀的輸入電流含有大量的諧波，其無功分量基本上為高次諧波。高次諧波的產生大大降低了輸入端的功率因數。大量電流諧波分量倒流輸入電網，造成對電網的諧波污染。另外，諧波也可能使電路發(fā)生故障甚至損壞。所以為了提高功率因數，減少電流畸變，從20世紀80年代開始，將開關變換器技術應用到改善電流波形和提高功率因數上來，研發(fā)了功率因數校正（power factor correction, pfc）這項新技術。pfc電路的作用是在電網和負載之間插入校正環(huán)節(jié)，是輸入電流波形逼近輸

16、入電壓波形，以提高功率因數并限制開關電源的諧波電流對電網的污染。pfc的方法很多，目前采用較多的是有源boost-pfc。它是由單相橋式整流電路和dc/dc boost變換器組成。在理想情況下，當輸入電壓按正弦規(guī)律變化時，輸入平均電流也按正弦規(guī)律變化。這樣，電流諧波大大減小，提高了功率因數。1.3.2 軟開關技術總所周知，在硬開關方式下不斷提高變換器的工作頻率會引起一些問題，如開關損耗大，感性關斷電壓尖峰大，容性開通電流尖峰小，電磁干擾嚴重。上述問題嚴重妨害了開關器件工作頻率的提高。近年來開展的軟開關技術研究為克服上述缺陷提供了一條有效途徑。和硬開關工作方式不同，理想的軟關斷過程是電流先降到零

17、，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關斷損耗近似為零。由于器件關斷前電流已經下降到零，同時也解決了感性關斷的問題。理想的軟開通過程是電壓先降到零之后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，所以開通損耗近似為零，電容上的電壓亦為零，解決了容性開通問題。同時，開通時二極管反向恢復工作已經結束，因此二極管反向恢復問題亦不存在。di/dt和du/dt的降低使得emi問題得以解決。軟開關技術實際上是利用電容與電感諧振的原理，使開關器件中的電流（或電壓）按正弦或準正弦規(guī)律變化。當電流過零時，使器件關斷；當電壓為零時，使器件開通，從而實現開關損耗為零。按照其控制方式，軟開關技術可以分為脈沖頻率調制（pfm）方式、脈沖寬度調制（

18、pwm）方式和脈沖移相控制（ps）方式。軟開關技術在改善功率開關器件工作狀態(tài)方面效果明顯，使變換器的高頻化成為可能，各類軟開關技術在開關電源中也必將得到廣泛應用。pfm軟開關變換器電路結構簡單，但工作頻率不穩(wěn)定，給變壓器、電感等磁性元件的優(yōu)化設計帶來了一定的困難。因此此類變換器適合于負載、輸入電壓相對穩(wěn)定的應用場合。pwm軟開關變換器實現了恒頻控制，大大方便了磁性元件的優(yōu)化設計。pwm控制方式是軟開關變換器中應用最廣泛的控制方式，此類變換器適合于中、小功率應用場合。 移相全橋軟開關變換器在不增加或增加很少元件的情況下，具有傳統(tǒng)全橋變換器中開關器件電壓、電流額定值較低，功率變壓器利用率高，輸出功

19、率大等優(yōu)點的同時，實現了開關器件的軟開關，而且采用恒頻控制，電壓、電流應力小，在減小體積、重量以及降低電磁干擾方面效果明顯。因而，移相全橋軟開關變換器非常適合于中、大功率應用場合。但此類變換器有一個明顯的缺點，即變壓器次級存在占空比丟失現象，而且滯后橋臂的軟開關范圍受到負載、輸入電壓等多種因素的影響。如何盡量減小次級占空比的丟失、增大滯后橋臂的軟開關范圍，仍然是移相全橋軟開關變換器需要深入研究的課題。2 反激式開關電源的原理2.1 反激式開關電源介紹 開關電源的基本組成如圖2.1所示，其中ac/dc變換器用以進行功率變換，他是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號放大部分，對來自信號源的開關信號

20、進行放大和整形，以適應開關管的驅動要求；信號源產生控制信號，該信號有它激或自激電路產生；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率和波形等，通過驅動器控制開關器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。開關電源典型結構有串聯開關電源結構、并聯開關電源結構、正激開關電源結構、反激開關電源結構、半橋開關電源結構、全橋開關電源結構等。這里重點介紹反激式開關電源結構。圖2.1 開關電源的基本組成反激式開關電源如圖2.2所示，當功率開關管vt1導通時，輸入端的電能以磁能的形式儲存在變壓

21、器的初級線圈n1中，由于同名端的關系，次級側二極管v1不導通，負載沒有電流通過。當功率開關管vt1斷開時，變壓器次級繞組開始為負載供電，二次側繞組和整流二極管構成電流回路，同時完成了磁復位的功能。反激式開關電源輸出紋波電壓大，電壓和電流調整率低。要提高性能指標，可以增大濾波電容或增加輔助lc濾波器，或者在二次側再串聯一個線性集成穩(wěn)壓器，但是這樣勢必增大體積和成本，稍弱了本來具有的優(yōu)點。因此，單端反激式變換器多用于100w左右的小功率電源。圖2.2 反激式開關電源原理圖2.2 開關電源的芯片簡介2.2.1 topswitch-gx芯片的內部工作原理簡介topswitch系列單片機開關電源是美國功

22、率集成公司于上世紀90年代中期推出的新型高頻開關電源，它是三端離線式pwm開關的英文縮寫（three terminal off line pwm switch）被譽為“頂級開關電源”。它的特點是將高頻開關電源中的pwm控制器和mosfet功率開關管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。topswitch-gx是該公司推出的第四代系列產品，除具備topswitch-fx系列的全部優(yōu)點外，它還將最大輸出功率從75w提高到290w，適合構成大中功率的高效率，隔離式開關電源；將開關頻率提高到132khz，有助于減小高頻變壓器及整個開關電源的體積，適合作為伺服電機控制板的板載電源的主控器件。當開關電源負載

23、很輕時，它能自動將開關頻率從132khz降低到30khz（在半頻模式下，則由66khz降到15khz）,這樣可降低開關損耗，進一步提高電源效率，采用被稱作ecosmart的節(jié)能新技術，顯著降低了在遠程通/斷模式下的功耗，當輸入交流電壓是230v時，功耗僅為160mw。2.2.2 topswitch-gx芯片的使用的特點topswitch-gx的內部主要由18個部分組成，與第三代topswitch-fx系列的主要區(qū)別是在原有的5個組成部分上新增加了3個單元電路，電流極限調節(jié)器也增加了軟啟動輸出端；將頻率抖動振蕩器產生的開關頻率提升到132khz（全頻模式）或66khz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩

24、器增加了一個“停止邏輯”電路，使其工作更為可靠。topswitch-gx利用反饋電流來調節(jié)占空比，達到穩(wěn)壓目的，當輸出電壓降低時，經過光耦反饋電路使反饋電流減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高，最終使輸出電壓維持不變，同理，當輸出電壓升高時，通過內部調節(jié)，也能使輸出電壓維持不變。2.3 pwm反饋控制方式pwm開關穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調節(jié)主電路開關器件的導通脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。控制取樣信號有輸出電壓、輸入電壓、輸出電流、輸出電感電壓及開關器件峰值電流。

25、由這些信號可以構成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實現穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的。同時，可以實現一些附帶的過流保護、抗偏磁等功能。圖2.4為buck降壓斬波器的電壓模式控制反饋系統(tǒng)原理圖。電壓模式控制是20世紀60年代后期開關穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展時所采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護電路相結合，至今仍然在工業(yè)界廣泛應用。電壓模式控制只有一個電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調制法，即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號與恒定頻率的三角波上的斜波相比較，通過脈沖寬度調制原理，得到當時的脈沖寬度。當輸入電壓突然變小或負載阻抗突然變小時，因為主電路有較大的輸出電容和電感的相移延時作用，輸出電

26、壓的變小也延時滯后。輸出電壓變小的信息還要經過電壓誤差放大器的補償電路延時滯后，才能傳至pwm比較器將脈寬展寬。這兩個延時滯后作用是暫態(tài)響應慢的主要原因。圖2.4 反饋系統(tǒng)原理 電壓模式控制的優(yōu)點有：pwm三角波的幅值較大，脈沖寬度調節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量；占空比調節(jié)不受限制；對于多路輸出電源，它們之間的交互調節(jié)效應較好；單一反饋電壓閉環(huán)設計、調試比較容易；對輸出負載的變化有較好的響應調節(jié)。電壓模式控制的缺點有：對輸入電壓的變化的動態(tài)響應較慢；補償網絡設計由于閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化而更為復雜；輸出lc濾波器給控制環(huán)增加了雙極點，在補償設計誤差放大器時，需要將主極點低頻衰減，或者增加一個零點

27、進行補償。在檢測及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較為復雜。2.4 反激式開關電源的設計規(guī)劃本課題要求設計基于topswitch系列芯片設計的單片反激式開關電源，用于智能儀表的多輸出ac/dc開關電源。綜合運用所學過的電力電子和模擬電路等多學科知識。設計電路的輸出總功率為25w，采用反激式開關電源，共有三路輸出電壓，輸出電壓各為12v/1.2a，5v/2a，30v/20ma。電路采用閉環(huán)反饋控制模式稱為脈沖寬度調制（pwm）穩(wěn)壓方式，使輸出電壓穩(wěn)定在設定值，電路有過電壓和欠電壓保護，也有降低最大占空比的電路和從外部設定極限電流等。滿足開關電源設計輸出功率以及功能要求的topswitch芯片很多，考慮電

28、路的可靠性、靈活性以及開關電源的效率，綜合電路設計要求，最后在topswitch-fx和topswitch-gx兩個系列中做選擇?，F比較兩種芯片的性能特點。兩種系列芯片的開關頻率、最大占空比都沒有大的區(qū)別，topswitch-gx系列比topswitch-fx系列更加注重電源的效率，topswitch-gx具有輕載時自動降低開關頻率的電路，對于topswitch-gx而言，開關頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減小。其減小量與控制端流入的電流成反比。當控制端電流逐漸增大時，占空比能線性地減小到10%，但是當負載很輕時，占空比還可低于10%。與此同時，開關頻率也減少到最小值，以提高開關電源在

29、輕載下的效率。例如當開關頻率在全頻模式下，頻率最小值就降至30khz，在半頻模式下開關頻率最小值就降至15khz。該特性能保證開關電源在輕載時，仍保持良好的負載調節(jié)功能，并且降低了電源的開關損耗，提高了電源的效率。相對topswitch-fx系列在電源輕載時跳過周期的方式更加靈活和高效。所以對于現如今能源緊缺的環(huán)境，并且負載情況的多樣性，topswitch-gx系列更加適合作為本電路設計的開關電源芯片。以寬范圍交流輸入為輸入電壓，參照pi公司提供的產品型號和最大輸出功率表，選擇top244y敞開式電源。該型號芯片的最大輸出功率為40w，芯片性能特點滿足設計要求，而且增加的新功能可以使開關電源的

30、電路設計更加靈活而且可靠性高。選擇好了芯片型號之后，開始對開關電源的emi電路、整流電路、高頻變壓器、保護電路、多路輸出電路和反饋電路分部設計。在設計過程中選擇電路的各部分的元器件以及元件的參數。最后使用芯片的輔助設計軟件對反激式開關電源的電路進行優(yōu)化設計。3 反激式開關電源的電路設計3.1 開關電源的emi設計開關電源應用于交流電網的場合，整流電路導致輸入電流的斷續(xù)，增加了大量的高次諧波。同時，開關電源中功率開關管的高速開關動作形成了電磁干擾源，所以盡量降低開關電源的emi，提高其使用范圍，是從事開關電源設計時必須考慮的問題。濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關電源emi信號的傳導干擾

31、和輻射干擾來說更是如此。任何電源線上的傳導干擾信號均可用差模和共模信號來表示。在一般情況下，差模干擾幅度小，頻率低，所造成的影響較小；共模干擾幅度大，頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的影響較大。因此，欲減弱傳導干擾，把emi信號控制在有關emc標準規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關電源的輸入和輸出電路中加裝emi濾波器。3.1.1 電源的輸入回路的emi濾波器設計開關電源的工作頻率為10100khz。對開關電源產生的高頻段emi信號，只要選擇適當的去耦電路或網絡結構較簡單的emi濾波器，就可獲得滿意的抑制效果。開關電源emi濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標“x”和“y”，不

32、僅表示其在濾波網絡中的作用，還表明了它們在濾波網絡中的安全等級。不論是選用還是設計emi濾波器，都要認真地考慮cx和cy的安全等級。在實際應用中，cx電容接在單相電源線的l和n之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會疊加l和n之間存在的emi信號峰值電壓，因此要根據emi濾波器的應用場合和可能存在的emi信號峰值，正確選擇適當的安全等級的cx電容器。cy電容器接在電源供電線l、n與金屬外殼(e)之間。在使用開關電源濾波器時，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導線與輸出導線間隔距離不能把它們捆在一起走線，否則emi信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將會大

33、大降低濾波器的抑制效果。電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關電源emi濾波器的基本電路如圖所示。在圖3.1中，cx1和cx2叫做差模電容，l1叫做共模電感，cy1和cy2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強的衰減作用。圖3.1 開關電源輸入的emi濾波器共模電感l(wèi)1是由同一個磁環(huán)上的兩個繞向相反，匝數相同的繞組構成的，通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞組困難。當工頻電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗的傳輸。如果工頻電流中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經兩個

34、繞組時產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。l1的電感量與emi濾波器的額定電流i的具體關系如下表3.1所示：表3.1電感量與額定電流的關系額定電流i(a)12345電感量l(mh)823240.40.80.20.300.08在實際使用中，共模電感的兩個繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被用作差模電感，所以，一般電路中不必在設置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容cx1及cx2構成了一個型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。除了共模電感以外，圖中的電容cy1和cy2也是用來濾除共模干擾的。對共模濾波在低頻時主要

35、有電感器起作用，而在高頻時大部分有電容cy1和cy2起作用。電容cy的選擇要根據實際情況來定，由于電容cy介于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要具有高耐壓、低漏電流等特性3.1.2 電源的輸出回路的emi濾波器設計由于開關電源的干擾源是不可能消除的，所以減小干擾源的能量就顯得十分重要。開關電源輸出整流電路如圖3.2所示，其中vd5為整流二極管，vd6為續(xù)流二極管。由于vd5、vd6工作于高頻開關狀態(tài)，因此，輸出整流電路的emi源主要為vd5和vd6。在圖中，r5、c12和r6、c13分別為vd5，vd6的吸收電路，用于吸收其開關時產生的電壓尖峰。通過減少整流二極管的數量可減少emi

36、的能量，因此，在同等條件下采用半波整流比采用全波整流和全波整流產生的emi要小。為減小二極管的emi，必須選用具體軟恢復特性、反向恢復時間短的二極管。從理論上講，肖特基勢壘二極管（sbd）是多數載流子導流，不存在少子的存儲與復合效應，因而也就不會有反向電壓尖峰干擾。但實際上對于具有較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復電流會增大，也會產生電磁噪聲。因此，在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管產生的emi會比選用其他二極管要小。圖3.2 輸出整流電路的emi濾波電路為了抑制開關電源的輸出對負載產生共模、差模干擾，開關電源直流輸出端也可以使用直流emi濾波器，它的典型電路

37、如圖3.3所示。它由共模扼流圈l1，l2，扼流圈l3和電容c1，c2組成。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒導磁率磁芯。圖3.3 開關電源輸出回路的emi濾波器3.2 整流電路設計3.2.1 輸入整流電路圖3.4 輸入橋式整流電路由圖3.4可看出，電路中采用四個二極管，互相接成橋式結構。利用二極管的電流導向作用，在交流輸入電壓的正半周內，二極管d1、d3導通，d2、d4截止；在負半周內，正好相反，d1、d3截止，d2、d4導通，整個周期內輸出的電流方向一致。因此，整流電路輸出的是方向不變的脈動直流電壓和電流。橋式整流器選擇b

38、r106，額定電流為10a，額定電壓為600v。通過橋式整流器之后輸出兩端產生的是脈動電壓，再通過c1將脈動的直流電壓變成一個變化幅度比較小，基本上波形比較平滑的直流電壓。3.2.2 輸出高頻整流電路 開關電源的輸出整流電路的工作頻率要遠遠高于普通的線性穩(wěn)壓電源的整流電路。開關電源中采用的整流電路類型多，從大的方面分為有普通整流、同步整流、異步整流、倍流整流等?，F代高速超大規(guī)模的集成電路尺寸不斷減小，電源電壓不斷下降。本設計電路選用人們比較熟悉的普通整流電路，高頻變壓器的次級采用半波整流技術。如圖3.5所示，整流二極管選擇為肖特基二極管sb540，額定電流為5a，額定電壓為40v。二極管與電容

39、c2、c4和c12組成輸出整流電路，由于輸出功率比較大，增加了rc濾波回路l1，c3(l2、c9、l3、c11)來降低輸出電壓紋波。圖3.5 直流輸出整流電路3.3 高頻變壓器的設計變壓器是一種應用電磁感應原理，將電能從一個電路傳輸到另一電路的電磁裝置，是電源設備中的關鍵部件之一。在電路中起電氣隔離、儲能、變壓、交流、變阻等作用。在電源設計中，變壓器參數的設計對電源裝置的性能、可靠性、安全性，具有至關重要的影響。3.3.1 變壓器磁芯的選擇磁芯是制造高頻變壓器的重要組成，設計時合理、正確地選擇磁芯材料、參數、結構，對變壓器的使用性能和可靠性，將產生至關重要的影響。因此，磁芯材料及參數的選取，便

40、成為高頻變壓器設計程序的主要內容之一。開關電源高頻變壓器的磁芯的選擇包括磁芯材料和磁芯結構兩方面。全橋式開關電源的變壓器磁芯工作在整個磁滯回線區(qū)間，要求磁芯材料具有高飽和磁感應強度，以最大限度地提高磁芯的工作磁感應強度，減小變壓器體積。目前開關電源變壓器的磁芯材料大多采用軟磁鐵氧體磁性材料，這是由于鐵氧體磁性材料電阻率高、交流渦流損耗小、價格低、易加工成各種形狀結構的磁芯。這也是在開關電源中普遍應用的重要原因。開關電源變壓器磁芯有多種結構可供選擇，其結構選擇取決于變壓器的工作體制、磁芯的材料、工作頻率、輸出功率和絕緣耐壓及使用環(huán)境等因素。在本變壓器設計中，選擇的是ee型結構的鐵氧體磁性材料的磁

41、芯。3.3.2 變壓器主要參數計算（1）變壓器的輸出功率 （3.1）（2）變壓器的計算功率 （3.2）式中，電源效率（3）設計輸出能力 （3.3）式中，磁芯截面積乘積，單位為； 變壓器計算功率，單位為w； 工作磁感應強度，單位為t； 工作頻率，單位為hz； 窗口占空系數； 電流密度系數。所以，由于占空比的變化較大，為便于工作點的自動調節(jié)等，取為0.2t；取468；取0.2。根據式（3.3）的計算結果可知ee22型磁芯的尺寸和參數滿足設計輸出要求。（4）線圈計算本設計的高頻變壓器設計采用ee22型磁芯，其有效磁通面積s=0.46，骨架的有效寬度為8.45mm。確定最大占空比 =100% （3.4

42、）其中，u=135 v，直流輸入最小電壓值u=87.8v，mosfet的漏-源導通電壓大約u=12v，代入上式得： =63.8%。隨著輸入電壓的升高而減小。輸入電流的平均值為 =0.36a （3.5） 式中，電源效率。初級峰值電流為=0.87a （3.6） 其中，k為初級紋波電流i與初級峰值電流的比值，大約取為0.6，d=63.8% 確定初級繞組電感l(wèi)= （3.7） 其中，損耗分配系數z=0.61，=0.44a，k=0.6，po=25w，開關頻率=132khz代入得：672h。初級繞組的匝數n以通過下式計算= （3.8）式中：s磁芯截面積，單位為； 磁芯最大磁通密度，單位為t。由（3.6）得

43、=0.92a，由（3.7）得672h ，s為41，為1.5t，代入（3.8）可得=102.6，實取103匝。對于多路輸出高頻變壓器，各輸出繞組的匝數可以取相同的每伏匝數。每伏匝數可以由下式確定= （3.9）式中：線圈數，單位為n； 每伏匝數，單位為v/n； 肖特基整流管的壓降，單位為v。所以對于12v輸出的回路，次級繞組的圈數為6.18，所以取數值6；對于5v輸出回路，次級繞組的圈數為2.6，所以取數值3；對于30v輸出回路，次級繞組的圈數為15.5，取16。3.3.3 變壓器的漏感反激式開關電源的變壓器把流過初級線圈的電流轉換成磁能，并把磁能儲存在變壓器的鐵芯中，當電源開關管關斷，流過變壓器

44、初級線圈的電流為零的時候，開關電源變壓器才把存儲在變壓器磁芯中的磁能轉換為電能，并通過變壓器的次級線圈輸出。開關電源變壓器的電磁轉換過程中，其工作效率不能達到100%，會有一部分能量損失。其中的一部分能量損失就是因為產生漏磁或漏磁通而造成的，而開關電源變壓器的漏磁通在5%20%之間。減小變壓器的漏感的措施可以采用以下幾種，減小繞組匝數，選用高磁通密度、低損耗的磁芯；減小繞組厚度，增加繞組高度；在保證安全的前提下，盡量減小繞組間絕緣厚度；初級和次級采用分層交替繞制，像“三明治”那樣初次級夾層，初級與次級線圈的位置盡可能安排均勻。這種方法不僅可減小初級和次級線圈間的漏感，還可以保證初級和次級線圈平

45、均長度相等，滿足初級和次級的銅損耗相等的條件。 3.4 反饋電路設計3.4.1 反饋電路的類型開關電源的反饋電路有四種類型：基本反饋電路；改進型基本反饋電路；配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，配tl431的光耦反饋電路?；痉答侂娐返膬?yōu)點是電路簡單，成本低廉，適合于制作小型化，經濟型開關電源，但是穩(wěn)壓性能差。改進型基本反饋電路，只增加一個穩(wěn)壓管和電阻就能提高負載調整率。穩(wěn)壓管的電壓一般為22v，必須增加反饋繞組的匝數，以獲得較高的反饋電壓，滿足電路的需要。配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，由穩(wěn)壓管提供參考電壓，當輸出電壓發(fā)生波動時，在光耦內部的發(fā)光二極管上可獲得誤差電壓。配tl431的光耦反饋電路，其電路較復雜，

46、但穩(wěn)壓性能最佳。這里用tl431型可調式精密并聯穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管，構成外部誤差放大器，進而對輸出電壓作精密調整，可使電壓調整率和負載調整率均達到0.2%，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適合于構成精密開關電源。3.4.2 反饋電路設計 本設計電路的反饋電路的類型選擇為配tl431的光耦反饋電路，如圖3.6所示。圖3.6 電壓反饋電路 電路中的tl431可調式精密并聯穩(wěn)壓器的工作原理為通過電路圖中的r4和r7（輸出的取樣電阻）組成的分壓器，來檢測5v輸出電壓的變化量u，然后將采樣電壓送入tl431的輸入控制端，tl431的輸出電壓（圖中k點的電壓）也發(fā)生相應的變化，從而使光電耦合器中

47、的發(fā)光二極管工作電流變化，光電耦合器輸出電流。而光耦是一種以光為媒介來傳輸電信號的器件。通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管led）與受光器（光敏晶閘管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接收光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電-關-電”轉換。普通的光耦合器只能傳輸數字（開關）信號，不適合傳輸模擬信號。而線性光耦合器是一種新型光電隔離器件，它能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應用領域大為拓寬。本設計中選用siemens公司的sfh615-2型低輸入電流光電晶體管的光耦合隔離器。經過光電耦合器和tl431組成的外部誤差放大器，調節(jié)控制端c的電流，調整占

48、空比d，從而使輸出電壓變化，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。3.4.3 反饋電路的改進方案如圖3.6所示，開關電源反饋電路僅從一路輸出回路引出反饋信號，其余各路未加反饋電路。這樣，當5v輸出的負載電流發(fā)生變化時，會影響12v輸出的穩(wěn)定性。解決方法就是給12v輸出也增加反饋電路如圖3.7所示。在12v輸出端與tl431的基準端之間并上電阻r6，并將r4的阻值從10k增至21k。由于5v輸出亦提供一部分反饋信號，因此可改善該路的穩(wěn)定性。在改進前，當5v輸出的負載電流從0.5a變化到2a時即從滿載電流的25%變化到100%時，12v輸出的負載調整率為s=2%，經改進后s=1.5%。圖3.7 改進后的電壓反饋

49、的電路的12v輸出反饋電路的設計方法如下：12v輸出的反饋量有r6的阻值來決定。假定要求12v輸出與5v輸出反饋量相等，各占總反饋量的一半，及反饋比例系數k=50%。此時通過r4、r6的電流應相等，即i=i。tl431的基準端電壓u=2.5v。改進前，全反饋電流通過r4，因此i=250（a） (3.10)改進后，50%的電流從r6上通過，即i=250a/2=125a。r6的阻值由下式確定：r6= (3.11)將u=12v，u=2.50v，i=125a代如上式中，得到r6=76k，可取標稱阻值75k。由于i已從250a減至125a，因此還須按下式調整r4的阻值：r4= (3.12)將u=5v，u

50、=2.50v，=125a代入上式中得到r4=20k?？紤]到接上r6之后5v輸出的穩(wěn)定度會略有下降，應稍微增大r4的阻值以進行補償，實取r4=21k。參照這個方法也可以給30v輸出增加反饋電路。3.4.4 芯片的控制回路設計 如圖3.6所示，高頻變壓器的反饋繞組電壓經二極管bav21和c6組成的整流濾波電路，通過光電耦合器中的光敏三極管給top244y的控制端c提供偏壓。反饋電壓的該變量經光電耦合器之后使控制電流ic發(fā)生變化，控制電流改變之后芯片內部的pwm穩(wěn)壓電路調節(jié)開關管的占空比，最終使輸出電壓穩(wěn)定在額定值。r2為光電耦合器sfh615-2的限流電阻，r2的大小決定控制環(huán)路的增益。電容器c8

51、為軟啟動電容器，可以消除剛啟動電源時芯片產生的電壓過沖。在x和s之間接的一只電阻為芯片的極限電流設定電阻ril值為5k。只需要改變ril即可調節(jié)im的大小，進而從外部設定極限電流的值。3.5 多路輸出電壓電路設計開關穩(wěn)壓電源的輸出可以是單路的，這種電源多為專業(yè)電源。而多數電源為多路輸出，其中一路為主輸出，其他各路為輔助輸出。帶有變壓隔離器的dc/dc變換器中，其輸出與輸入由變壓器隔離，可以通過增加變壓器副邊繞組數目的方法來實現多路輸出。下面簡述本設計使用的dc/dc變換器的多路輸出技術多副邊繞組式。多副邊繞組式是最簡單的、應用最早的一種多路輸出技術。選擇一路輸出作為主輸出，對其進行閉環(huán)反饋控制

52、，使其達到穩(wěn)壓精度的要求。而其它各路，只經過整流、濾波輸出，穩(wěn)壓精度和紋波等技術指標都很低。本課題設計電路提供兩路主輸出為12v/1.2a，5v/2a兩路主輸出和一路30v/20ma的輔助輸出；兩路主輸出都有反饋回路穩(wěn)壓。高頻變壓器的次級串聯肖特基整流二極管sb540、并聯濾波電容器c2、c3、c4和c9構成整流濾波電路。3.6 保護電路設計一個理想的開關電源，除了高電氣性能指標和高安全性外，還要能應對來自外界的惡劣條件和自身發(fā)生的故障，能對電源提供及時保護以免電源損壞，影響整個電子系統(tǒng)的正常工作。3.6.1 過電壓、欠電壓保護電路設計穩(wěn)壓電源發(fā)生過電壓的主要原因是電源內部出現故障。開關管的擊

53、穿不會引起輸出過電壓，出現過電壓的主要原因是控制電路的元器件的損壞。輸出電壓的慢慢爬高也會出現過電壓的現象，但在開關穩(wěn)壓電源中，由于變壓器副邊的高頻整流電路采用扼流圈輸入方式，因為濾波扼流圈電感和濾波電容具有較大的時間常數，輸出電壓的上升斜率是緩慢的，只有保護電路動作迅速，就可以阻止電壓緩慢上升超過規(guī)定值。當開關電源的輸出低于規(guī)定值時，若負載為邏輯電路，則邏輯電路會發(fā)生誤動作。因此要求在開關電源中具有欠電壓保護電路。欠壓的原因主要是電源的控制電路發(fā)生故障，如調節(jié)輸出電壓用的電位器的滑動片因受外界機械沖擊或多次使用而松動；誤差放大器的基準電壓降低；輸入電壓下降；控制電路用的輔助電源的電壓下降等。

54、當輸入電壓下降時，除主輸出電壓下降外，輔助電源電壓也隨之下降。為維持輸出電壓保持穩(wěn)定，開關管增加導通時間，減小截止時間，這就要求控制信號的導通時間增大，或者關斷時間減小。若輸入電壓繼續(xù)下降，就會使開關管的驅動電流不足。為避免這一現象發(fā)生，當輔助電源電壓出現下降并降到規(guī)定值時，應自動停止工作，使控制電路停止工作，保護穩(wěn)壓電源。當輸入電壓在欠電壓保護規(guī)定值上下的某一范圍內波動時，控制電路會產生忽通忽斷的狀態(tài)。同樣，當負載發(fā)生變化時，也會出現同樣的情況。top244y芯片集成了欠電壓。過電壓檢測電路在芯片內部，所以對于過電壓和欠電壓保護來說更加容易實現，只需要在l端與一個電阻器就可以實現過電壓保護、欠電壓保護。本電路設計的電阻器的阻值為2m。3.6.2漏極保護電路由于高頻變壓器存在漏感，在mosfet功率開關管有通態(tài)變成斷態(tài)時，高頻變壓器的原邊繞組上會產生尖峰電壓。這個尖峰電壓與直流電壓和感應電壓疊加在一起，極易損壞mosfet功率開關管。因此，必須設置漏極保護電