基于THX208小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、天津理工大學(xué) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告   題目：基于THX208小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)     專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2017年 1月目 錄一、設(shè)計(jì)要求2二、設(shè)計(jì)目的2三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 21. 系統(tǒng)概述22. 單元電路設(shè)計(jì)3四、結(jié)論與展望22五、心得體會(huì)及建議23六、參考文獻(xiàn)24七、附錄241、作品照片252、原理圖263、源程序清單274、答辯PPT縮印稿3020信息傳輸與處理課程設(shè)計(jì)基于THX208小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)-電路設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)要求熟讀詳細(xì)使用手冊(cè)，搭建電路實(shí)現(xiàn)5V/3W的開關(guān)電源，根據(jù)控制芯片原理

2、，設(shè)計(jì)合理的輔助電路，通過(guò)計(jì)算和仿真分析，得到系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)。掌握開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，并對(duì)過(guò)程做了詳細(xì)闡述。1.根據(jù)需要選擇開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.基于THX208設(shè)計(jì)開關(guān)電源的控制核心部分3.輸出電壓可調(diào)范圍： +5V4.輸出 5V 0.5A, CC/CV  二、設(shè)計(jì)目的(1)利用所學(xué)開關(guān)電源的理論知識(shí)進(jìn)行硬件整體設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、提高我們的綜合應(yīng)用能力。 (2)我們這次的課程設(shè)計(jì)是以THX208為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并開發(fā)小功率開關(guān)電源。 (3)掌握各個(gè)接口芯片(如THX208等)的功能特性及接口方法，并能用其實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)。三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)1.系統(tǒng)概述 開關(guān)電源是利用

3、現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)開通和關(guān)斷的就、時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源是一般又脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源主要是進(jìn)行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率轉(zhuǎn)換的裝置，通過(guò)對(duì)主變換回路以及控制回路的控制完成一系列的變換。主變換回路將輸入的交流電轉(zhuǎn)換后傳遞給了負(fù)載，所以它決定了開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換要求以及負(fù)載能力等一系列的技術(shù)指標(biāo)；而控制回路是按照輸入，輸出技術(shù)指標(biāo)的要求來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，控制主變換回路的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)開關(guān)電源控制集成電路主要包括電源電路、濾波整流電路、監(jiān)測(cè)電路以及THX208控制芯片構(gòu)成的控制電路。方案一：?jiǎn)味苏な介_關(guān)電源原理

4、單端正激式開關(guān)電源原理簡(jiǎn)述：電路原理框圖如上所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作原理不太相同。當(dāng)開關(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)有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%，由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)變壓器向負(fù)載傳送能量，可輸出50-200 W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大 方案二：?jiǎn)味朔醇な介_關(guān)電源原理反激

5、式變換器開關(guān)電源工作原理比較簡(jiǎn)單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變換器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源，再通過(guò)THX208控制電路。 從以上兩種方案，很容易看出，按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求，兩者相比較方案二的設(shè)計(jì)（1） 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換效率高穩(wěn)壓性能優(yōu)并且轉(zhuǎn)換效率高; （2） 性能優(yōu)越電壓可調(diào)體積小、重量輕、性價(jià)比高，可普遍使用于生活當(dāng)中，故采用方案二。所以，本設(shè)計(jì) 反激式變換器部分采用普通元器件構(gòu)成模擬部分，利

6、用THX208實(shí)現(xiàn)控制功能，整流、利用PC817B對(duì)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電壓超過(guò)最大值時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)斷開。本系統(tǒng)主要包括三大模塊：整流模塊變壓器模塊及電路監(jiān)測(cè)，保護(hù)模塊?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示整流變壓器THX208輸出5V/3WPC817BTL421A過(guò)壓斷開圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖2.單元電路設(shè)計(jì)（1)各部分概述 反激式變換器 反激變換器工作原理是：主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二次側(cè)二極管關(guān)斷，變壓器儲(chǔ)能；主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，二次側(cè)二極管導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)能向負(fù)載釋放。它和正激變換器不同，正激變換器的變壓器勵(lì)磁電感儲(chǔ)能一般很小，各繞組瞬時(shí)功率的代數(shù)和為零，變壓器只起隔離、變壓作用。而反激變換器的變壓器比較特殊，它兼起儲(chǔ)能

7、電感的作用，稱為儲(chǔ)能變壓器（或電感-變壓器）如圖2圖2 反激式變換器TL431電路安全控制前面提到TL431的內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖3所示的電路，當(dāng)R7和R8的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)Vo的分壓引入反饋，若電壓增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致R7，R8兩端的電壓之和大于5V從而導(dǎo)致TL431啟動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致PC817B導(dǎo)通，關(guān)閉THX208。圖3 保護(hù)電路 THX208原理描述啟動(dòng)階段，上電時(shí) VR 關(guān)閉；FB 上拉電流源關(guān)閉；OE 由功率管輸入啟動(dòng)電流到VCC；OB 控制功率管的

8、基極電流，限制功率管集電極電流（即 THX208 啟動(dòng)接受電流），從而保證功率管的安全；在 VCC 電壓上升到 8.8V，啟動(dòng)階段結(jié)束，進(jìn)入正常階段。正常階段，VCC 電壓應(yīng)保持在 4.89.0V，VR 輸出 2.5V 基準(zhǔn)；FB 上拉電流源開啟；振蕩器輸出 OSC1 決定最大占空比，輸出 OSC2 試圖觸發(fā)電源進(jìn)入開周期、及屏蔽功率管開啟電流峰；若 FB 小于 1.8V（約在 1.2-1.8V 之間）振蕩器周期將隨之增加，F(xiàn)B 越小振蕩器周期越寬、直至振蕩器停振（此特性降低了開關(guān)電源的待機(jī)功耗）；若外圍反饋試圖使 VCC 大于 10V，則內(nèi)電路反饋到 FB 使 VCC 穩(wěn)壓在 10V（利用此

9、特性可以不采用外圍反饋電路，由內(nèi)電路穩(wěn)定輸出電壓，但穩(wěn)壓精度較低）；開周期，OB 為功率管提供基極電流，OE 下拉功率管的發(fā)射極到 IS，而且OB 采用斜坡電流驅(qū)動(dòng)（指 OB 開電流是 IS 的函數(shù)，當(dāng) IS=0V 時(shí) OB 開電流約 24mA，然后 OB 開電流隨 IS 線性增加，當(dāng) IS 增加到 0.6V 時(shí) OB 開電流約 40mA，此特性有效地利用了 OB 的輸出電流，降低了 THX208 的功耗），若 IS 檢測(cè)到 FB 指定電流則進(jìn)入關(guān)周期；關(guān)周期，OB 下拉，功率管不會(huì)立即關(guān)斷，但 OE 箝位 1.5V（功率管關(guān)斷后基極反向偏置，提高了耐壓）；在開或關(guān)周期，如檢測(cè)到功率管超上限電

10、流，則上限電流觸發(fā)器優(yōu)先置位，強(qiáng)制 FB 下降，占空比變小，從而保護(hù)功率管和變壓器；在下一個(gè)關(guān)周期開始沿或 FB 小于 1.8V，上限電流觸發(fā)器復(fù)位。另外，THX208 內(nèi)置熱保護(hù)，在內(nèi)溫度高于 125后調(diào)寬振蕩器的周期，使 THX208 溫度不超過(guò) 135；內(nèi)置斜坡補(bǔ)償，在 THX208 大占空比或連續(xù)電流模式時(shí)能穩(wěn)定開/關(guān)周期。若 VCC 降到 4.2V 左右，振蕩器關(guān)閉，OSC1、OSC2 低電平，電源保持關(guān)周期；VCC 繼續(xù)下降到 3.6V 左右，THX208 重新進(jìn)入啟動(dòng)階段特點(diǎn)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成。THX208引腳圖，如圖4 所示，每部電路

11、方塊圖如圖5所示。 圖4 THX208引腳圖 圖5 內(nèi)部電路方塊圖1CT 定時(shí)電容與開關(guān)頻率的關(guān)系由內(nèi)部電流源對(duì) CT 電容進(jìn)行 50uA10100nF 之間根據(jù)反饋回路的頻率特性進(jìn)行選取，推薦使用 10nF。恒流充電形成時(shí)鐘的上升沿，在充電電壓至 1.6V 時(shí)，內(nèi)部電路將以 1.9mA 的下拉電流對(duì) CT 放電，形成時(shí)鐘的下降沿，完成一個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)時(shí)鐘周期約為：T=CT*48000 (S)Fs=1/T (Hz)盡管雙極型電路也能工作在較高的頻率下，但對(duì)于雙極功率開關(guān)而言，仍需考慮存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)開關(guān)損耗的影響。通常比較合適的開關(guān)頻率約在 70KHz 以下。在一般的應(yīng)用場(chǎng)合可將 THX208 的

12、 CT 電容按330PF 配置，此時(shí)對(duì)應(yīng)的工作頻率約為66KH 左右。2.FB反饋與控制在正常工作狀態(tài)，F(xiàn)B 的電壓將決定最大開關(guān)電流的值，此電壓越高開關(guān)電流3K（近似等效值）。此外在 FB 電壓23K（近似等效值）。此外在 FB 電壓低于 1.8V 時(shí)，將使振蕩周期加大，開關(guān)頻率下降，低于 1.8V 越多，開關(guān)頻率將越低。外接 FB 電容將對(duì)反饋帶寬產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響某些外部參數(shù)，比如瞬態(tài)特性。如圖6圖6對(duì)于 CFB 電容的值，典型的應(yīng)用可在10100nF 之間根據(jù)反饋回路的頻率特性進(jìn)行選取，推薦使用 10nF。3過(guò)溫度保護(hù)IC 內(nèi)部集成了精確的過(guò)溫度保護(hù)功能。在芯片內(nèi)部溫度達(dá)到 125時(shí)，

13、熱保護(hù)電路動(dòng)作，將時(shí)鐘信號(hào)下拉，使開關(guān)頻率降低，降低功耗。開關(guān)頻率隨溫度的升高而降低，直至振蕩器關(guān)閉。 如圖所示圖74功率管驅(qū)動(dòng)特性與高耐壓偏置技術(shù)功率管采用斜坡電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流隨輸出功率增加而增加，在 FB=0 時(shí)，OB 電流約為 24mA,在 FB=6V 時(shí)，OB電流約為 35mA，小輸出時(shí)的驅(qū)動(dòng)功耗得到顯著的降低。IC 內(nèi)部集成了獨(dú)特的偏置技術(shù)，在功率管關(guān)斷時(shí)，OB 輸出立即下拉到地，同時(shí)偏置 OE 輸出到約 1.5V，反向偏置發(fā)射結(jié)，加速 Ic 電流的下降速度，擴(kuò)展了有效的安全工作區(qū)，開關(guān)管承受反向的CB 電壓，使得開關(guān)管達(dá)到 700V 的電壓承受能力。如圖7圖 8偏置波形如圖9所示

14、：圖9 5.過(guò)壓與欠壓保護(hù) IC 具有帶遲滯的欠電壓保護(hù)功能。在VCC 電壓達(dá)到 8.8V 時(shí) IC 開始啟動(dòng)，這個(gè)初始的啟動(dòng)電壓有驅(qū)動(dòng)電阻提供，輸入的高電壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻注入開關(guān)管的基極，放大的 Ic 電流在 IC 內(nèi)部經(jīng)過(guò)限制電路對(duì) VCC 電容充電，從而形成驅(qū)動(dòng)電壓。在 IC 正常工作時(shí)應(yīng)保持 VCC 電壓在4.8-9V 之間（包括滿負(fù)載輸出的情況），若 VCC 電壓下降到 4.2V 則振蕩器將進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，VCC 進(jìn)一步降低到 3.6V時(shí)，IC 即開始重新啟動(dòng)如圖10所示圖10 IC 內(nèi)部 VCC 具有一個(gè)上限電壓比較器控制，若 VCC 試圖大于 10V，則比較器動(dòng)作，F(xiàn)B 將被下拉，鎖

15、定 VCC 至 10V，達(dá)到過(guò)電壓的限制功能。利用此能可以方便地實(shí)現(xiàn)前端的電壓反饋功能，也可避免輸出開環(huán)時(shí)的輸出電壓大幅度升高現(xiàn)象，保障負(fù)載的安全。因?yàn)榇颂匦缘拇嬖?，VCC 的設(shè)計(jì)應(yīng)保持在合適的范圍，避免在大輸出負(fù)載時(shí) VCC 的上升過(guò)高， IC過(guò)壓限制動(dòng)作導(dǎo)致的輸出電壓下降現(xiàn)象。6最大開關(guān)電流限制IC 具有逐周期電流限制功能。每個(gè)開關(guān)周期均對(duì)開關(guān)電流進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到 FB設(shè)定的電流或防上限電流時(shí)即進(jìn)入關(guān)周期，電流的檢測(cè)具有實(shí)時(shí)前沿消隱功能，屏蔽開關(guān)尖峰，避免開關(guān)電流的錯(cuò)誤檢測(cè)。合理的溫度補(bǔ)償則消除了溫度的影響，相對(duì)常規(guī)的 MOSFET（溫度變化時(shí)的 Ron 變化很大）開關(guān)芯片，開關(guān)電流在一個(gè)較

16、寬的范圍都可以非常精準(zhǔn)，這樣將允許設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)方案時(shí)不必留有太大的余量即可滿足較大的工作溫度范圍，提高電路的使用安全性。 對(duì)于 THX208，其典型的最大開關(guān)電流限制值約為 0.23A,在一個(gè)設(shè)計(jì)在 80V反射電壓的反激式電源中，可以容易地實(shí)現(xiàn)大于 4W 輸出功率，且滿足寬的溫度范圍。7散熱的要求對(duì)于一個(gè)典型的功率開關(guān)而言，應(yīng)使用必要的散熱措施，以避免過(guò)高的溫度導(dǎo)致熱保護(hù)。IC 內(nèi)部主要的發(fā)熱是開關(guān)管的開關(guān)損耗產(chǎn)生的熱量，因此恰當(dāng)?shù)纳嵛恢檬?IC 的 Pin8 腳，一 簡(jiǎn)單的使用方法Pin8 腳鋪設(shè)一定面積的 PCB 銅箔， 尤其在銅箔之上鍍錫處理將大大增加。如圖11所示圖11THX208與

17、變壓器的設(shè)計(jì)OB口對(duì)電壓進(jìn)行偏置，當(dāng)電壓達(dá)到相應(yīng)值時(shí)THX208進(jìn)行工作變壓器進(jìn)行充電，如圖12圖12 THX208余變壓器的設(shè)計(jì)1. 磁心參數(shù)Core : EE13,TDK PC40 Ae=17 mm2 Aw=33.5mm2Bobbin : EE13, 10PIN, 5+5PIN,VELOX 420-SEO , 94V0Lp=2.5mH ±5%2. 繞線圖圖133.線圈數(shù)據(jù) （2）仿真1.打開WAVE 6000 軟件，菜單欄選擇“文件”中的“新建文件”，在彈出的窗口中編寫程序，然后保存后綴為“*.asm”的程序。2.菜單欄選擇“項(xiàng)目”中的“編譯”，如果程序無(wú)誤即編譯成功，否則修改程

18、序直至編譯成功。3.打開Proteus軟件，新建文件FileNew Design，同樣在彈出的原理圖編輯窗口中繪制原理圖，然后保存。4.加載程序，選擇SourceAdd/Remove Source Files，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊“New”選擇在WAVE 6000軟件中編寫保存的程序如“*.asm”，點(diǎn)擊“OK”即加載成功。5.在Proteus軟件中的左下方點(diǎn)擊圖標(biāo)仿真調(diào)試開始，即可看到仿真調(diào)試的結(jié)果。四、結(jié)論與展望開關(guān)電源具有如下特點(diǎn)： (1) 開關(guān)器件節(jié)能（效率一般可達(dá)85%以上）。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗比較小，但是效率較高，一般在80%90%，高的甚至可

19、達(dá)90%以上； (2) 體積小、重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量大大減輕，只有同容量線性電源的1/5，體積也在很大程度上縮小了； (3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在90270 V內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓的變化在±2%以下。合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率； （4）安全可靠，具有各種保護(hù)功能。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，因此當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在20KHz以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而

20、減小功耗；特別是由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)下，因此損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境而損 壞。 因此采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，在硬件連接方面方面更加熟練。本次設(shè)計(jì)采用了THX208芯片，與以往其他電路方向相比出現(xiàn)了許多新的功能，使我接觸了許多新的東西。以前在學(xué)開關(guān)電路時(shí)只是對(duì)其理論知識(shí)有了初步的理解。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，對(duì)它的工作原理有了更深的理解。五、心得體會(huì)及建議此次課程設(shè)計(jì)是這個(gè)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次比較完整的直流電壓表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過(guò)對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，撐受能力及耐力也都得到了不同程度的提升。通過(guò)本次設(shè)計(jì)我的收獲非常豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)，各種管道的安裝方式，我都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我從各個(gè)角度對(duì)設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識(shí)也對(duì)自己提出了新的要求