開(kāi)關(guān)電源top224芯片

1、緒 論開(kāi)關(guān)電源（Switched Mode Power Supply，SMPS）是一種由占空比控制的開(kāi)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的變換。其功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)十千瓦，被廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。比如：小到彩色電視機(jī)、DVD播放機(jī)等家用電器、大到飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、艦船中，都大量采用了開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的核心為電力電子開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)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(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了PWM開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世（PWM開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是用20KHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá)6

2、5%70%），大幅度節(jié)約了能源，引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20KHz革命。高頻化使開(kāi)關(guān)電源裝置空前的小型化，并使其進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化，在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面具有深遠(yuǎn)的意義。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。但是，任何電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。并且，隨著集成芯片尺寸的不斷減小，處理速度越來(lái)越高，需要更加小型化、輕量化的電源（磁性元件和電容的體積、重量應(yīng)隨之減?。?；未來(lái)的綠色電源要求開(kāi)關(guān)電源的效率更高，性能更好，可靠性更高等。這一切將促進(jìn)開(kāi)關(guān)電源的不斷發(fā)展

3、和進(jìn)步。開(kāi)關(guān)電源體積小、效率高，被譽(yù)為高效節(jié)能電源，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源正向著集成化、智能化的方向發(fā)展。高度集成、功能強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源代表著開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的主流方向。本論文主要圍繞當(dāng)前流行的集成開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行小功率開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源特性的研究。本文采用TOP224Y研制了一款單片開(kāi)關(guān)電源，論文給出了外圍電路各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，驗(yàn)證了理論的可行性。具有較強(qiáng)的適用性。本設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是AC140V240V，該電源能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等功能。主要采用TOP224Y、PC817、TL431等專(zhuān)用芯片以及其他的電路元件相配合來(lái)

4、完成。本主要內(nèi)容如下：根據(jù)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源采用全控型電力電子器件作為開(kāi)關(guān)，利用控制開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等新型電源特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作出一種額定輸出功率為40W的通用小型開(kāi)關(guān)電源。1 開(kāi)關(guān)電源的基本類(lèi)型開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)方法有多種。 按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式分類(lèi)可分為脈沖寬度調(diào)制（PWM)式、脈沖頻率調(diào)制(PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種；按觸發(fā)方式分類(lèi)可分為自激式開(kāi)關(guān)電源和它激式開(kāi)關(guān)電源；按電路的輸出取樣方式分類(lèi)可分為直接輸出取樣和間接輸出取樣；按功率開(kāi)關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開(kāi)關(guān)電源、單端反激開(kāi)關(guān)電源、半橋開(kāi)關(guān)電源和全橋開(kāi)關(guān)電源；按功率開(kāi)關(guān)管與電源供

5、電、儲(chǔ)能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源和并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源等。下面我們介紹幾種開(kāi)關(guān)電源。(1) 單端正激式開(kāi)關(guān)電源 單端正激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖1-1所示。它與單端反激式電路在形式上相似，但工作情形不同。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí), VD2也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲(chǔ)存能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L通過(guò)續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。在電路中還設(shè)有箝位線圈與二極管VD1，它可以將開(kāi)關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200W的功率。但

6、變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大。因此，實(shí)際應(yīng)用并不多。圖1-1 單端正激式開(kāi)關(guān)電源(2) 單端反激式開(kāi)關(guān)電源 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖1-2所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，輸入側(cè)的電能以磁能的形式存儲(chǔ)在變壓器的初級(jí)線圈中，由于同名端的關(guān)系，次級(jí)側(cè)二極管VD1不導(dǎo)通，負(fù)載沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)晶體管VT1斷開(kāi)時(shí)，變壓器次級(jí)繞組以輸出電壓UO為負(fù)載供電，并對(duì)變壓器進(jìn)行消磁。圖1-2 單端反激式開(kāi)關(guān)電源單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路簡(jiǎn)單，所用元件少，輸出電壓即可高于輸入電壓又可低于輸入電壓，一般適用在輸出功率為200W以下的開(kāi)關(guān)電源中。(3) 自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖1-3所示。接

7、入電源后R1給開(kāi)關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流，使VT1導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長(zhǎng)，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使VT1很快飽和。同時(shí)，感應(yīng)電壓給C1充電。隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低并退出飽和區(qū)，Ic減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時(shí)二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。在VT1截止時(shí)，L2中沒(méi)有感應(yīng)電壓，直流供電輸入電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。像單端反激式開(kāi)關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出

8、所需的電壓。自激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管起著開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且工作在反激狀態(tài)，具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。圖1-3 自激式開(kāi)關(guān)電源(4) 推挽式開(kāi)關(guān)電源 推挽式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖1-4所示。它屬于雙端式變換電路，使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和VT2，在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替導(dǎo)通與截止，在變壓器T次級(jí)繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。圖1-4 推挽式開(kāi)關(guān)電源這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100500W范圍內(nèi)

9、。 (5) 降壓式開(kāi)關(guān)電源 降壓式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖1-5所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1截止，輸入的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電，這一電流使電感L中的儲(chǔ)能增加。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感L中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。圖1-5 降壓式開(kāi)關(guān)電源(6) 升壓式開(kāi)關(guān)電源 升壓式開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖1-6所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電

10、壓，形成升壓式開(kāi)關(guān)電源。圖1-6 升壓式開(kāi)關(guān)電源(7) 反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖1-7所示。圖1-7 反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源這種電路又稱(chēng)為升降壓式開(kāi)關(guān)電源，無(wú)論開(kāi)關(guān)管VT1之前的脈動(dòng)直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量，二極管VD1截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時(shí)給電容C充電。降壓式、升壓式、反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒(méi)有絕緣隔離，統(tǒng)稱(chēng)為斬波型直流變換器。2 開(kāi)關(guān)電源的原理2.1 開(kāi)關(guān)電源的選擇基礎(chǔ)一

11、般來(lái)說(shuō)，功率很小的電源（1100W）采用電路簡(jiǎn)單、成本低的反激型電路較好；當(dāng)電源功率在100W以上且工作環(huán)境干擾較大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時(shí)，則應(yīng)采用正激型電路；對(duì)于功率大于500W、工作條件較好的電源，則采用半橋或全橋電路較為合理。如果對(duì)成本要求比較嚴(yán)，可以采用半橋電路；如果功率很大，則應(yīng)采用全橋電路。推挽電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)并制作出一種額定輸出功率為40W的通用型小功率開(kāi)關(guān)電源。單端反激式電路不僅符合功率的要求，并且具備電路簡(jiǎn)單、所用元件少、輸出與輸入間有電氣隔離、電壓輸入范圍寬、能方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出、有較好的電壓調(diào)整率的特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)選擇

12、了單端反激式的拓?fù)漕?lèi)型。2.2 反饋電路的類(lèi)型與選擇單片開(kāi)關(guān)電源的反饋電路有4種基本類(lèi)型：基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配TL431的光耦反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。(1) 基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低廉、適于制作小型化、經(jīng)濟(jì)型開(kāi)關(guān)電源，其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差。(2) 配TL431的光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳，適于構(gòu)成精密開(kāi)關(guān)電源。(3) 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，該電路相當(dāng)于給TOP Switch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(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。(4) 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

13、%+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，滿(mǎn)足電路的需要。 由于本設(shè)計(jì)是旨在針對(duì)精密開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行的設(shè)計(jì)與制作的，需要有較好的穩(wěn)壓性能。并且，考慮到光耦所具有的電氣隔離的優(yōu)點(diǎn)，所以選擇了配TL431的光耦反饋電路。2.3 開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及工作原理2.3.1 開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖2-1所示。它主要由輸入整流濾波電路、功率轉(zhuǎn)換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及控制電路部分組成。其中，控制電路又包括取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路組成。2.3.2 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理首先，交流電經(jīng)輸入部分整流電

14、路和濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電。然后，該直流電又通過(guò)功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)人高頻變壓器被轉(zhuǎn)換成所需的電壓值，最后再將這個(gè)電壓經(jīng)輸出部分整流濾波電路的整流、濾波后變?yōu)樗枰闹绷麟姽┙o用電設(shè)備。這中間，電源的穩(wěn)壓是靠反饋控制電路（控制電路用來(lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到電壓的穩(wěn)定輸出）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即:輸出電流經(jīng)取樣器送至比較器，使之與基準(zhǔn)電壓電路中的電流相比較，然后由脈寬調(diào)制電路根據(jù)比較結(jié)果來(lái)進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而控制功率轉(zhuǎn)換電路中相應(yīng)功率輸出的大小，最后實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。目前，這部分電路目前己集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源的專(zhuān)用集成電路。圖2-1 開(kāi)關(guān)電源的原理圖2.3.3 脈

15、寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理開(kāi)關(guān)電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式以及兩者混合式。其中，前兩者的區(qū)別在于：前者通過(guò)改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的周期并不變。而后者恰恰相反。在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制（PWM）型,全稱(chēng)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation ，PWM）技術(shù)，本設(shè)計(jì)亦采用調(diào)寬式控制方法。它通過(guò)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制來(lái)獲得所需波形（含形狀和幅值）。其基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)以及外接負(fù)載發(fā)生變化的情況下，根據(jù)反饋的結(jié)果，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的脈沖寬度（輸出電壓的高或低而使占空比相應(yīng)小或大）使輸出電壓穩(wěn)定。 PWM開(kāi)關(guān)電源的控制原理如圖

16、2-2所示。當(dāng)T不變時(shí)，直流平均電壓 將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要設(shè)法使脈沖寬度即占空比（在一個(gè)周期內(nèi)T內(nèi),開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間Ton所占整個(gè)周期T的比例,稱(chēng)為占空比D,D=Ton/T），就可達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。圖2-2 PWM開(kāi)關(guān)電源控制原理及波形圖3 小型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)3.1 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程圖圖3-1 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程圖在本設(shè)計(jì)中，由于采用了TOP Switch智能芯片，其本身集成了保護(hù)電路、關(guān)斷電路、自動(dòng)重啟電路等。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)可以省去上面的幾個(gè)環(huán)節(jié)，只需對(duì)其進(jìn)行好選型。3.2 技術(shù)指標(biāo)和性能要求本設(shè)計(jì)依據(jù)要求，采用了較新的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出小功率通用開(kāi)關(guān)電源。它應(yīng)具備小功率通

17、用開(kāi)關(guān)電源紋波小、電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等電路工作異常時(shí)的保護(hù)。具體技術(shù)指標(biāo)為如下：交流輸入電壓：220V（140V240V）；電網(wǎng)頻率：50Hz；開(kāi)關(guān)電源頻率：100KHz；輸出直流電壓Uo：8V（兩路），5V（兩路），3.6V，-8V，-24V各一路；輸出額定電流：2A；額定輸出功率：30W；負(fù)載調(diào)整率SI：-4%+4%；電源效率H：高于84%；空載功率損耗：低于0.5W（230V時(shí)）；輸出紋波電壓：低于120mV。3.3 TOP224Y 的主要性能特點(diǎn)和元件選擇3.3.1 性能特點(diǎn)TOP224Y是TOP Switch -系列中一種最常用的

18、芯片,其封裝形式是TOP220,自帶小散熱片, 是典型的三端集成器件,TOP芯片的引腳圖如圖3-2，三個(gè)管腳分別為控制端C、源極S、漏極D ,其內(nèi)部功率MOSFET 器件的耐壓值高達(dá)700 V , 可設(shè)計(jì)成40 W以上儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源, TOP Switch - 系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)：(1) 將脈寬調(diào)制(PWM) 控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中, 內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管(MOS2FET) 、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路, 通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離, 真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化, 使用安全可靠。(2) 采

19、用漏極開(kāi)路輸出, 并利用控制極反饋電流Ic來(lái)線性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)AC/ DC 變換的, 即屬于電流控制型單片開(kāi)關(guān)電源。(3) 輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí), 可選110V/ 115V/ 230V 交流電, 允許變化15 %。在寬電壓范圍輸入時(shí), 適配85265V 交流電, 但輸出功率峰值POM要比前者降低40 %。(4) 它只有三個(gè)引出端, 能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)頻率的典型值為100 kHz , 允許范圍是90 k110 kHz , 占空比調(diào)節(jié)范圍是117 %67 %。(5) 外圍電路簡(jiǎn)單, 電磁干擾小, 成本低廉。由于芯片本身功耗很低, 電源效

20、率可達(dá)80 %左右, 最高可達(dá)90 %。圖3-2 TOP224Y的引腳圖TOP 224Y芯片的引腳功能簡(jiǎn)介如下：(1) DRAIN：內(nèi)部功率MOSFET漏極接入端。該端同時(shí)還是內(nèi)部電流的檢測(cè)端，該端內(nèi)接高壓電流源，在其啟動(dòng)過(guò)程中，向內(nèi)部功能電路提供偏置電流。(2) CONTROL：占空比控制端。該端內(nèi)接分流調(diào)節(jié)器，在正常工作狀態(tài)下提供偏置電流，該端同時(shí)還是旁路電容，自動(dòng)重啟電路和補(bǔ)償電容的接入端。(3) SOURCE：內(nèi)部功率MOSFET源極接入端，是一次側(cè)電路的公共端，功率的返回端和參考點(diǎn)。3.3.2 線性光耦合器PC817光耦合器亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)

21、輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及

22、實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性PC817通常把發(fā)光器（發(fā)光二極管LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內(nèi)，如圖3-3所示。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）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，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。圖3-3 PC817內(nèi)部框圖本設(shè)計(jì)采用PC817光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)在于：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高?？梢云鸬胶芎玫姆答?zhàn)饔谩?.4 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431TL43

23、1是由美國(guó)德州儀器（TI）和摩托羅拉公司生產(chǎn)的2.536V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，可廣泛用于單片精密開(kāi)關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管。此外，TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓器、延時(shí)電路、精密恒流源等。TL431的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖3-4所示：R3是限流電阻。其穩(wěn)壓原理為：當(dāng)Uo上升時(shí)，取樣電壓UREF也隨之升高，使UREF Uref（內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓），比較器輸出高電平，使VT(內(nèi)部晶體管)導(dǎo)通，Uo開(kāi)始下降。反之，Uo下降會(huì)導(dǎo)致UREF下降，從而UREF Uref，使比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低

24、電平，VT截止、Uo上升。這樣的循環(huán)下去，從動(dòng)態(tài)平衡的角度來(lái)看，就迫使Uo趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到了穩(wěn)定的目的，并且UREF=Uref。圖3-4 TL431的基本接線和電路符號(hào)在本設(shè)計(jì)中就是利用TL431和光耦構(gòu)成反饋電路，其工作原理就是當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)分壓電阻得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流發(fā)生變化，再通過(guò)光電耦合器PC817把電壓反饋到TOP224Y的控制端C端。通過(guò)改變TOP224Y的控制端電流大小，調(diào)節(jié)其輸出占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。3.5 開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)3.5.1 TOP224Y芯片原理圖3-5是用TOP224

25、Y芯片設(shè)計(jì)的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的原理圖。輸入為220V AC（15%），輸出為+15VDC，功率為40W。由于TOP Switch芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分。圖3-5 TOP224Y芯片原理3.5.2 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電容。交流濾波采用技術(shù)成熟的型濾波電路，具體參數(shù)如下：去除差模干擾的、為0.1F/250V；去除共模干擾的、為10nF；濾波線圈為1033Mh，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應(yīng)大于400V

26、，其承受的沖擊電流應(yīng)大于額定整流電流的710倍。還應(yīng)注意，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。本設(shè)計(jì)中,選用四個(gè)IN4007整流二極管構(gòu)成整流橋。在當(dāng)前的供電條件下，電容的值可根據(jù)輸出功率按照3F /W來(lái)取值，再考慮余量后，取=150F/400V。交流電壓輸入范圍為187V253V，即=187V,=253V。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為=3ms，可由式 (2-1) 和(2-2) 式可得輸入直流電壓最小值和最大值為： (2-1) (2-2)式中 系統(tǒng)效率，可選擇80%； 交流電網(wǎng)頻率； 電源輸出功率。3.5.3 箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)當(dāng)TOP224Y的功率MOSFET 管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),

27、 在高頻變壓器T 的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓, 其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成, 它與直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET 管。為此, 必須設(shè)計(jì)箝位保護(hù)電路, 對(duì)尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收。圖3-5中VD1 和VD2 構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對(duì)TOP224Y的損壞, VD1 與VD2 的選擇由反射電壓V OR 決定。V OR 一般取135 V , VD1 箝位電壓V CLO 可由經(jīng)驗(yàn)公式V CLO =115V OR得出, VD2 的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓V max 。本設(shè)計(jì)中VD1 采用反向擊穿電壓為200V 的TVS (瞬態(tài)電壓抑制器) P6KE200 ,

28、VD2 采用反向耐壓為600V 的超快恢復(fù)二極管BYV26C。3.5.4 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。輸出整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的1/6多，是影響開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素，它包括正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以選用肖特基二極管作為整流二極管。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。次級(jí)繞組的反向峰值電壓為：=+Ns/Np (2-3)式中 次級(jí)繞組輸出電壓；輸入交流電壓最大值。對(duì)輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)電容兩端電壓小于35

29、V時(shí)，ESR只與電容的體積有關(guān),本設(shè)計(jì)選擇細(xì)高型120F/35V低ESR電容。輸出濾波電感采用3.3H的穿心電感，它是近年來(lái)問(wèn)世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過(guò)，其直流電阻非常小，一般為。它能主動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，見(jiàn)圖3-5中的。3.5.5 反饋回路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路，可使電壓調(diào)整率達(dá)到0.1%。電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的誤差比較器，通過(guò)光耦PC817A線性關(guān)系的電流變化控制TOP Switch的,從而改變PWM寬度，達(dá)到穩(wěn)定

30、輸出電壓的目的。流入TOP Switch控制腳C的電流與占空比D成反比關(guān)系，如圖3-6所示。圖3-6 TOP Switch占空比與控制電流的關(guān)系為使PWM線性調(diào)節(jié)，控制腳電流應(yīng)在26mA之間，而是受光耦二極管電流控制的，由于PC817A是線性光耦，二極管正向電流在3mA左右時(shí)，三極管的集射電流在4mA左右，而且集射電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化，因此一般選PC817A二極管正向電流為3mA。從TL431的技術(shù)參數(shù)可知，陰極工作電壓的允許范圍為2.537V，陰極工作電流在1100mA內(nèi)變化，一般選20mA即可，不但可穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負(fù)載。對(duì)于圖3-5所示電路中的反饋部分，主要是確定、和的值

31、。根據(jù)TL431的特性知，、和之間存在以下關(guān)系,已知Vo=15V.： = (1+/) (2-4)式中 TL431參考端電壓，為2.5V； TL431輸出電壓。先取10K，則由式 (2-4) 算得50K。再確定和，由圖2-5電路可知 (2-5)式中 光耦二極管的正向壓降，由PC817技術(shù)手冊(cè)知，典型值為1.2V。先取300，則由式 (2-5)，可得52。設(shè)計(jì)的實(shí)際取值為：300，52，50K，10K。3.5.6 其他外圍電路的設(shè)計(jì)(1) 為保證開(kāi)關(guān)電源的正常工作，在輸入端串聯(lián)一熔斷絲，防止整個(gè)電路被燒毀。另外，在輸入端并聯(lián)一壓敏電阻。正常工作時(shí)，壓敏電阻的阻值極大，相當(dāng)于斷路，不起作用。當(dāng)遭遇雷

32、擊時(shí)，它的阻值瞬間降至極小，造成短路來(lái)保護(hù)電路。(2) 由于交流電壓經(jīng)整流濾波后得到直流高壓，加在TOP Switch的漏極上。而功率管在關(guān)斷瞬間，又產(chǎn)生尖峰電壓和反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加在漏極上，故在初級(jí)繞組并聯(lián)一穩(wěn)壓管和阻塞二極管，以吸收尖峰高壓。(3) 在次級(jí)繞組產(chǎn)生的電壓或電流尖峰用串聯(lián)電容吸收，使輸出的電壓電流效果更好。3.6 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾, 按噪聲干擾源種類(lèi)來(lái)分, 可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來(lái)分, 可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò), 在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí), 由于PN 結(jié)中有較多的載

33、流子積累, 因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里, 電流會(huì)反向流動(dòng), 致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。開(kāi)關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾。功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過(guò)較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波, 其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開(kāi)關(guān)時(shí), 這種諧波干擾將會(huì)很小。另外, 功率開(kāi)關(guān)管在截止期間, 高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變, 也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。交流輸入回路產(chǎn)生的干擾。無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量, 通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸入

34、輸出線傳播出去而形成的干擾稱(chēng)之為傳導(dǎo)干擾; 而諧波和寄生振蕩的能量, 通過(guò)輸入輸出線傳播時(shí), 都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱(chēng)為輻射干擾。3.6.1 目前抑制干擾的幾種措施形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而, 抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源, 直接消除干擾原因； 其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射, 切斷電磁干擾的傳播途徑； 第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力, 減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道,它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。采用屏蔽技術(shù)可以有

35、效地抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如, 功率開(kāi)關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗, 為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣, 這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容, 開(kāi)關(guān)電源的底板是交流電源的地線, 因而通過(guò)器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾, 解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上, 割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射, 電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響, 可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩, 然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體, 就

36、能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如, 靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾; 電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地, 但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng), 所以仍以接地為好, 這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此, 系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后, 最終都與大地相連。在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則, 如果形成多點(diǎn)接地, 會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路, 當(dāng)磁力線穿過(guò)該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲, 實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此,

37、為降低接地阻抗, 消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地, 利用一個(gè)導(dǎo)電平面( 底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等) 作為參考地, 需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降, 可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中, 應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后, 再連接到公共參考點(diǎn)上。濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如, 在電源輸入端接上濾波器, 可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾, 也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中, 還采用很多專(zhuān)用的濾波元件, 如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán), 它們能夠改善電路的濾

38、波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器, 并正確地安裝和使用濾波器, 是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。3.7 基于TOP224Y的開(kāi)關(guān)電源原理圖及工作原理3.7.1 基于TOP224Y的開(kāi)關(guān)電源原理圖利用Protel99SE軟件繪制出基于TOP224Y的開(kāi)關(guān)電源原理圖，如附錄所示。3.7.2 基于TOP224Y的開(kāi)關(guān)電源工作原理的分析該電路主要包括輸入整流濾波、TOP224Y脈寬調(diào)制、高頻變壓器、電壓反饋整流濾波、輸出整流濾波等部分組成。該電源共使用4片集成電路：TOP224Y單片開(kāi)關(guān)電源（IC1）；線性光耦合器PC817A（IC2）；可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431（IC3、IC4）。(1) 輸入整流濾波

39、電路部分：由熔斷絲、壓敏電阻、兩級(jí)復(fù)合式EMI濾波器、單相整流橋組成。CN1接220V交流電，CN2為控制開(kāi)關(guān)。熔斷絲FU1和壓敏電阻RV1對(duì)整個(gè)電路起保護(hù)作用。正常工作時(shí)RV1阻值很大，可以認(rèn)為是斷路對(duì)電路無(wú)影響；當(dāng)遇高壓時(shí)，阻值瞬間變小，造成短路，保護(hù)后面電路。兩級(jí)復(fù)合式EMI濾波器含共模扼流圈L1、L2,濾除電網(wǎng)中的共模干擾；濾波電容CX1、CX3濾除電網(wǎng)中的差模干擾，稱(chēng)為“X電容”；濾波電容CY1CY4同樣濾除電網(wǎng)中的共模干擾，將其減至最小，稱(chēng)為“Y電容”。之后電流由單相整流橋整流，由正弦交流變?yōu)橹绷鳌?2) 輸出整流濾波電路部分：主要由整流二極管、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。首先二極管D

40、8D12對(duì)次級(jí)線圈電流整流，當(dāng)電流為正時(shí)，電流通過(guò)D8、D9、D12并輸至濾波電路部分，在D10、D11處截止），當(dāng)電流為負(fù)時(shí)剛好相反，原因是D10、D11兩路輸出負(fù)電壓。濾波電路主要采用了LC- 型復(fù)式濾波器，使輸出電壓電流平滑。在D11一路，R8限流、濾波，經(jīng)ZD1穩(wěn)壓和CE15濾波后輸出。其中，在3.6V一路，電流在經(jīng)LC- 型濾波器后有加一個(gè)有TL431組成的局部反饋電路。即輸出電壓經(jīng)R6、R7分壓后與TL431的基準(zhǔn)電壓比較，得到的誤差電壓通過(guò)影響Q1的導(dǎo)通程度來(lái)改變輸出電壓，最終使其穩(wěn)定。R5為Q1提供偏壓。(3) 反饋部分：反饋回路采用“光耦PC817TL431”。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，

41、L6會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，此壓降作為反饋信號(hào)通過(guò)光耦反饋至TOP224Y。之所以選擇這一路作為反饋回路，主要是它輸出的電壓低、電流大，反饋后穩(wěn)壓效果更好。L6產(chǎn)生的壓降通過(guò)電阻R11、R12分壓后，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較輸出誤差電壓，然后通過(guò)光耦去改變TOP224Y的控制端電流，進(jìn)而使占空比發(fā)生變化，最終使輸出電壓保持穩(wěn)定。光耦起著傳送誤差信號(hào)和電氣隔離的作用，反饋繞組電壓經(jīng)D7整流和C1濾波后對(duì)光耦的三極管提供偏壓。R9為取樣電阻，C2、CE3、R10使取樣及誤差電壓穩(wěn)定。結(jié) 論設(shè)計(jì)此類(lèi)高性?xún)r(jià)比的開(kāi)關(guān)電源，不僅要掌握各種TOP Switch系列產(chǎn)品的工作原理和應(yīng)用電路，還必須了

42、解有關(guān)通用及特種半導(dǎo)體器件、模擬與數(shù)字電路、電磁兼容、熱力學(xué)等多方面的知識(shí)。所以需要查閱大量資料，進(jìn)行知識(shí)的分解與融合，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中還需反復(fù)修正。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)需要對(duì)電子技術(shù)有較熟練的掌握。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源所實(shí)現(xiàn)的功能或者目的，需要將其分解為若干個(gè)模塊，分別弄清它們的原理和功能以及怎么去使用。然后，再將它們連接成為一個(gè)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)基本概念和原理知識(shí)作了分析，采取了由部分到整體的設(shè)計(jì)思路，對(duì)涉及的電路單元作了詳細(xì)分解和原理介紹。先后設(shè)計(jì)出該開(kāi)關(guān)電源的濾波、整流、反饋等電路及外圍電路。通過(guò)反復(fù)思考有了一定的收獲，并取得了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。但是，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的元器件計(jì)算及選型沒(méi)有深入涉及。總之，通過(guò)此次設(shè)計(jì)，熟悉和掌握了PROTEL繪圖軟件。另外對(duì)電子技術(shù)有了新的更高的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)它的實(shí)際運(yùn)用有了較全面的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過(guò)翻閱大量的資料，提高了自己