畢業(yè)設(shè)計(jì)小功率通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)： 電子信息工程 姓名： 題目：小功率通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作 日 期： 年 月 日目錄摘 要1第一章 開關(guān)電源的基本概念與發(fā)展21.1 開關(guān)電源的基本概念21.2 開關(guān)電源的發(fā)展2第二章 開關(guān)電源的原理介紹與選擇32.1 開關(guān)電源的基本工作原理32.1.1開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖32.1.2調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理32.1.3 單片開關(guān)電源的兩種工作模式42.2開關(guān)電源的種類選擇42.3 反饋電路的基本類型與選擇82.4單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路分析10第三章 小功率通用開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制113.1性能特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)113.2 開關(guān)電源電路中關(guān)鍵元器件的選擇與設(shè)計(jì)113.2

2、.1 TOP246Y型6端單片開關(guān)電源123.2.2 線性光耦合器PC817123.2.3 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431133.3 開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)153.3.1 開關(guān)電源電路的工作原理153.3.2 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)173.3.3 基于TOP246Y的開關(guān)電源設(shè)計(jì)183.3.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)和繞制方法193.3.5 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)223.3.6 穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)223.4 單片開關(guān)電源印制板的設(shè)計(jì)233.5小結(jié)23小結(jié)并致謝25參考文獻(xiàn)26摘 要本論文圍繞當(dāng)前流行的單片開關(guān)電源芯片進(jìn)行的小功率通用開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作。該開關(guān)電源共選用3片主要的集成電路TOP246Y

3、型6端單片開關(guān)電源、線性光耦合器PC817A及可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431。利用TOP246Y型6端單片開關(guān)電源的PWM技術(shù)控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容有：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇開關(guān)電源電路；（2）設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)；（3）基于TOP246Y對(duì)開關(guān)電源的控制核心部分進(jìn)行設(shè)計(jì)；（4）設(shè)計(jì)高頻變壓器，計(jì)算確定變壓器的變比與繞線匝數(shù)；（5）設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)；（6）設(shè)計(jì)電壓反饋電路。本論文對(duì)開關(guān)電源的濾波、整流、反饋電路等分別作了細(xì)致的研究工作，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算取得了高頻變壓器設(shè)計(jì)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，掌握了開關(guān)電源

4、設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，并對(duì)此進(jìn)行了較為詳盡的闡述。關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源；PWM；占空比；高頻變壓器第一章開關(guān)電源的基本概念與發(fā)展1.1 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)

5、、衛(wèi)星、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(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)。1.2 開關(guān)電源的發(fā)展隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般

6、只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開關(guān)電源。在近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。并且自開關(guān)穩(wěn)壓電源問世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘

7、管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，PWM開關(guān)電源問世，它的特點(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)65%70%，而線性電源的效率只有30%40%。因此，用工作頻率為20kHz的PWM開關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而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。隨著超大規(guī)模芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此，對(duì)開關(guān)電源提出了小型

8、輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進(jìn)了開關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步。1）小型化、薄型化、輕量化、高頻化2） 高可靠性3）低噪聲4）采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制是開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)。第二章 開關(guān)電源的原理介紹與選擇2.1 開關(guān)電源的基本工作原理 2.1.1開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖2.1.1所示。AC DCDC比較器脈寬調(diào)制取樣器振蕩器基準(zhǔn)電壓輸入整流濾波功率轉(zhuǎn)換電路高頻變壓器輸出整流濾波控制電路圖2.1.1 開關(guān)電源電路框圖交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈

9、動(dòng)成份的直流電壓，該電壓通過功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前己集成化，制成了各種開關(guān)電源專用集成電路。控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。2.1.2調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理開關(guān)穩(wěn)壓電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種。在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型,即為PWM技術(shù)。PWM技術(shù)，全稱脈沖寬度調(diào)制（Pulse width Modulation,PWM）技術(shù)，是通

10、過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效地獲得所需波形（含形狀和幅值）的。PWM控制技術(shù)主要是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從事測(cè)量、通信到功率控制與變換的諸多領(lǐng)域。PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源的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)載變化的情況下，控制電路通過被控信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓被控制信號(hào)穩(wěn)定。 調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理如圖2.1.2所示。對(duì)于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Uo可由公式(2.1)計(jì)算：Uo

11、=UM*T1/T公式(2.1)式中Um矩形脈沖最大電壓值；T矩形脈沖周期；T1矩形脈沖寬度。當(dāng)Um與T不變時(shí)，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。 圖2.1.2 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源控制原理圖2.1.3 單片開關(guān)電源的兩種工作模式 單片開關(guān)電源有兩種工作模式，一種是連續(xù)模式CUM (Continuous Mode)，另一種是非連續(xù)模式DUM (Discontinuous Mode) 。這兩種模式的開關(guān)電流波形分別如圖2.1.3 (a)，(b)所示。(a) 連續(xù)模式； (b) 非連續(xù)模式圖2.1.3 兩種模式的開關(guān)

12、電流波由圖可見，在連續(xù)模式下，初級(jí)開關(guān)電流是從一定幅度開始增大的，上升到峰值再迅速回零。其開關(guān)電流波形成梯形。這表明，因?yàn)樵谶B續(xù)模式下，儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，所以下一開管周期具有一個(gè)初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級(jí)峰值電流IP和有效值電流IRMS，降低芯片的功耗。但連續(xù)模式要求增大初級(jí)電感量LF，這會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，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。非連續(xù)模式的開關(guān)電流則是從零開始上升到峰值，再降至零的。這意味著儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量必須在每形個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)電流波形呈三角形。非連續(xù)模式下的IP，IRMS

13、值較大，但所需要的IP較小。因此，它適合采用輸出功率較大的，配尺寸較小的高頻變壓器。2.2開關(guān)電源的種類選擇開關(guān)型穩(wěn)壓電源的種類很多，分類方法也有多種。從推動(dòng)功率管的方式來分可分為自激式和它激式，在自激式開關(guān)電源中由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩;它激式開關(guān)穩(wěn)壓電源必須附加一個(gè)振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖加在開關(guān)管上，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截至。按開關(guān)管的個(gè)數(shù)及連接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等，單端式開關(guān)電源僅用一個(gè)開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩個(gè)開關(guān)管，全橋式則采用四個(gè)開關(guān)管。按開關(guān)管的連接方式，開關(guān)電源分為串聯(lián)型與并聯(lián)型開關(guān)電源，串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是串聯(lián)在輸入電

14、壓與輸出負(fù)載之間的，屬于降壓式穩(wěn)壓電路;而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是并聯(lián)在開關(guān)電源之間的，屬于升壓式電路。 1. 單端反激式開關(guān)電源 單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖2.2.1所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，副邊上沒有電流通過，能量儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)繞組中。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器T副邊上的電壓極性顛倒，使初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量通過VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。單端反激式開關(guān)電源電路簡單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實(shí)現(xiàn)單路或

15、多路輸出，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡單，可通過改變高頻變壓器的原、副邊繞組匝比使占空比保持在最佳范圍內(nèi)，且有較好的電壓調(diào)整率。其輸出功率為20100W。它也有其一定的缺點(diǎn)，如開關(guān)管截止期間所受反向電壓較高，導(dǎo)通期間流過開關(guān)管的峰值電流較大。但這可以通過選用高耐壓、大電流的高速功率器件，在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決。單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20200kHz之間。圖2.2.1 單端反激式開關(guān)電源2. 單端正激式開關(guān)電源 單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖2.2.2所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通

16、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VD1，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)問應(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。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，因此這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。 圖2.2.2 單端正激式開關(guān)電源3. 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖2.2.3所示。當(dāng)接入電源

17、后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流，使VT1開始導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，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。與此同時(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，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic開始減小，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中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由

18、變壓器T的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。 自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(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2.2.3 自激式開關(guān)電源4. 推挽式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖2.2.4所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2，兩個(gè)開關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(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闹绷麟妷骸?這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管

19、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)。 圖2.2.4 推挽式開關(guān)電源5. 降壓式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖2.2.5所示。當(dāng)開關(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2.2.5 降壓式開關(guān)電源6. 升壓式開關(guān)電源 升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖2.2.6所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量。當(dāng)開關(guān)管

20、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壓，形成升壓式開關(guān)電源。圖2.2.6 升壓式開關(guān)電源7. 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖2.2.7所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(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)式開關(guān)電源的高壓輸出電路與副邊輸

21、出電路之間沒有絕緣隔離，統(tǒng)稱為斬波型直流變換器。 圖2.2.7 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源一般來說，功率很小的電源（1100W）采用電路簡單、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)境干擾很大、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?；诒驹O(shè)計(jì)中開關(guān)型穩(wěn)壓電源是采用全控型電力電子器件作為開關(guān)，利用控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等特點(diǎn)。本設(shè)

22、計(jì)旨在設(shè)計(jì)并制作出一種額定輸出功率為60W的通用的小功率開關(guān)電源，主要采用TOP246Y、PC817A 、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能。因此，本設(shè)計(jì)就選擇了基于TOP246Y的單端反激式開關(guān)電源。2.3 反饋電路的基本類型與選擇 單片開關(guān)電源的反饋電路有4種基本類型：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。它們的簡化電路如圖2.3所示。(a) 基本反饋電路；(b) 改進(jìn)型基本反饋電路；(c) 配TL431的光耦反饋電路；(d) 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路圖2.3 反饋電路的4種基本類型(a) 基本反饋

23、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%。(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。 (c) 配TL431的光耦反饋電路，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(duì)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。(d) 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，由VDZ提供參考電壓UZ

24、，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(duì)Uo進(jìn)行調(diào)整。 由于本設(shè)計(jì)旨在針對(duì)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。2.4單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路分析系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖2.4所示。由于單端反激式開關(guān)電源電路簡單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡單，因此該電源采用單端反激式電路。圖2.4 單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路由圖可見，高頻變壓器初級(jí)繞組NP的極性與次級(jí)繞組NS、反饋繞組NF的極性相反。在導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)整流管VD2截止，此時(shí)電能

25、以磁能量形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中；當(dāng)截止時(shí)，VD2導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換這三大功能。圖中，BR為整流橋，CIN為輸入端濾波電容，COUT是輸出端濾波電容。交流電壓UAC經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓，經(jīng)初級(jí)繞組加至的漏極上。在功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級(jí)繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢(shì))UOR，兩者疊加在直流輸入電壓巧上，加至內(nèi)部功率開關(guān)管MOSFET的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管VDZ1和阻塞二極管VD1組成，VD1宜采用超快恢復(fù)二極管。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，變壓器

26、的初級(jí)極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致VD1截止，因而鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)尖峰電壓就被VDZ1吸收掉。該電源的穩(wěn)壓原理簡述如下：反饋繞組電壓經(jīng)過VD3，CF整流濾波后獲得反饋電壓UFA，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給的控制端提供偏壓。CT是控制端C的旁路電容。輸出電壓Uo通過電阻分壓器R1、R2分壓并獲得取樣電壓，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后輸出誤差電壓，然后通過光耦去改變TOP246Y的控制端電流 ，的輸出占空比D與IC成反比，故D減小，這就迫使Uo降低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之，Uo減小，導(dǎo)致UF減小，Ic減小，進(jìn)而D減小，最終使Uo減

27、小，同樣起到穩(wěn)壓作用。由此可見，反饋電路正是通過調(diào)節(jié)的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。第三章 小功率通用開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制3.1性能特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)小功率通用開關(guān)穩(wěn)壓電源具有輸出紋波電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。采用了較新的電路結(jié)構(gòu)，采取一系列措施來降低輸出紋波，能在輸出過壓、過流、過熱和電路工作異常時(shí)進(jìn)行保護(hù)。具有一定創(chuàng)新性和先進(jìn)性。線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓穩(wěn)定度很高，紋波電壓很小，其缺點(diǎn)是電源效率低，需使用笨重的工頻變壓器。而單片開關(guān)電源的效率很高，體積小，能省去工頻變壓器，輸出直流電壓的紋波含量比同功率線性電源大，可與其他相應(yīng)的穩(wěn)壓器構(gòu)成理想的高效、精密穩(wěn)壓電源。-GX適合制作低成本、

28、高效率、小尺寸、全密封式開關(guān)電源模塊或電源適配器（adapter）。本設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V265V，這屬于全世界通用的電壓范圍，該電源能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能。因此，該開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)主要采用TOP246Y型6端彈片開關(guān)電源、線性光耦合器PC817與可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431等集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。該開關(guān)電源的基本技術(shù)指標(biāo)為：（1）交流輸入電壓UACI：220V（85V265V）；（2）電網(wǎng)頻率：50Hz；（3）開關(guān)電源f：132kHz；（4）輸出直流電壓Uo： 9V、12V；（5）輸出額定電流Io：3A、2.4A；（6）額定輸出功

29、率Po：60W；（7）負(fù)載調(diào)整率SI：-4%+4%；（8）電源效率H：高于84%（當(dāng)交流電壓UACI=85V時(shí)，滿載效率可達(dá)85%；當(dāng)UACI=230V時(shí)，電源效率高達(dá)90%）；（9）空載功率損耗：低于0.52W（UACI=230V時(shí)）；（10）輸出紋波電壓：不高于120mV（峰峰值）。3.2 開關(guān)電源電路中關(guān)鍵元器件的選擇與設(shè)計(jì)隨著PMW技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開關(guān)電源的設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司POWER Integration Inc開發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開關(guān)電源

30、集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率開關(guān)管、PMW控制電路及保護(hù)電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個(gè)新的時(shí)代。本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)TOP Switch的第三代產(chǎn)品TOP246Y型6端單片開關(guān)電源，并根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇線性光耦合器PC817和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431來設(shè)計(jì)單端反激式開關(guān)電源。3.2.1 TOP246Y型6端單片開關(guān)電源3.2.1.1 TOP246Y的管腳功能TOP246Y采用TO-220-7C封裝形式，其外形如圖3.2.1.1所示。它有六個(gè)管腳，依次為控制端C、線路檢測(cè)端L、極限電源設(shè)定端X、源極S、開關(guān)

31、頻率選擇端F和漏極D。各管腳的具體功能如下：圖3.2.1.1 TOP246Y外形及管腳圖控制端C：誤差放大電路和反饋電流的輸入端。在正常工作時(shí)，利用控制電流Ic的大小可調(diào)節(jié)占空比，并可由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，利用該端可激發(fā)輸入電流，同時(shí)該端也是旁路、自動(dòng)重啟和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。線路檢測(cè)端L：輸入電壓的欠壓與過壓檢測(cè)端，同時(shí)具有遠(yuǎn)程遙控功能。TOP246Y的欠壓電流Iuv為50A，過壓電流Iav為225A。若L端與輸入端接入的電阻R1為1M，則欠壓保護(hù)值為50VDC，過壓保護(hù)值為225VDC。極限電流設(shè)定端X：外部電流設(shè)定調(diào)整端。若在X端與源極之間接入不同的電阻，則開關(guān)電流可限

32、定在不同的數(shù)值，隨著接入電阻阻值的增大，開關(guān)允許流過的電流將變小。源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級(jí)電路的公共點(diǎn)和電源回流基準(zhǔn)點(diǎn)。開關(guān)頻率選擇端F：當(dāng)F端接到源極時(shí)，其開關(guān)頻率為132kHz，而當(dāng)F端接到控制端時(shí)，其開關(guān)頻率變?yōu)樵l率的一半，即66kHz。漏極D：連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在啟動(dòng)時(shí)可通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流提供內(nèi)部偏置電流。 3.2.1.2 TOP246Y的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 該開關(guān)電源脈寬調(diào)制器路主要由控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器誤差放大器（PWM）、門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、關(guān)斷自動(dòng)重起動(dòng)電路及高壓電流源等部分組成。3.2.2 線性光耦合器

33、PC817 光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號(hào)的器件。通常是把發(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3.2.2.1。當(dāng)輸入端加電信號(hào)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。圖3.2.2.1 PC817內(nèi)部框圖普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)（開關(guān)信號(hào)），不適合傳輸模擬信號(hào)。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(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，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。 圖3.2.2.2 PC817集電極電

34、壓Vce與發(fā)光二極管正向電流If關(guān)系PC817光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。圖3.2.2.2 PC817集電極電壓Vce與發(fā)光二極管正向電流If關(guān)系。3.2.3 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 本設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓和反饋電路采用常用的三端穩(wěn)壓器TL431來完成，其特性功能如圖3.2.3.1所示。在反饋電路的應(yīng)用中運(yùn)用采樣電壓通過TL431限壓，再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到TOP249Y的控制端C 端。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)

35、電阻典型值為0.22，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2.530V。圖3.2.3.1三端穩(wěn)壓器TL431的特性功能TL431是由美國德州儀器（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，可廣泛用于單片精密開關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。此外，TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路、精密恒流源等。TL431大多采用DIP-8或TO-92封裝形式，引腳排列分別如圖3.2.3.2所示。圖中，A為陽極，使用時(shí)需接地；K為陰極，需經(jīng)限流電阻接正電源；UREF是輸出電壓Uo的設(shè)定端，外接電

36、阻分壓器；NC為空腳。 圖3.2.3.2 TL431的電氣符號(hào)圖和等效電路圖TL431的等效電路如圖3.2.3.3所示，主要包括：誤差放大器A，其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓，反相端則接內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓Uref，并且設(shè)計(jì)的UREF=Uref，UREF通常狀態(tài)下為2.5V，因此也稱為基準(zhǔn)端；內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓源Uref；NPN型晶體管VT，它在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用；保護(hù)二極管VD，可防止因K-A間電源極性接反而損壞芯片。TL431的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖3.7所示。 圖3.2.3.3 TL431的電路符號(hào)R3是IKA的限流電阻。其穩(wěn)壓原理為：當(dāng)Uo上升時(shí)，取樣電壓U

37、REF也隨之升高，使UREFUref，比較器輸出高電平，使VT導(dǎo)通，Uo開始下降。 反之，Uo下降會(huì)導(dǎo)致UREF下降，從而UREFUref，使比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低電平，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。 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，再通過光耦去改變TOP246Y控制C端電流的大小，調(diào)節(jié)TOP246Y的輸出占空比，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的

38、。 3.3 開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V265V，這屬于全世界通用的電壓范圍，該電源能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能。因此，該開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)主要采用TOP246Y型6端單片開關(guān)電源、線性光耦合器PC817與可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431等集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。該開關(guān)電源的基本技術(shù)指標(biāo)為：固定交流輸入電壓UACI：220V（85V265V）；電網(wǎng)頻率：50Hz；輸出：12V/3A,9V/2.4A,額定輸出功率Po：60W；負(fù)載調(diào)整率SI：4%；電源效率H：高于84%；空載功率損耗：低于0.52W（U=230V時(shí)）；輸出紋波電壓：不高

39、于120mV（峰峰值）。3.3.1 開關(guān)電源電路的工作原理電路主要包括輸入整流濾波、TOP246Y脈寬調(diào)制、高頻變壓器、電壓反饋整流濾波、輸出整流濾波等幾部分，其電路原理圖如圖3.3.1所示。 該電源共使用3片集成電路：TOP246Y型6端單片開關(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）。電阻R13用來從外部設(shè)定功率開關(guān)管的漏極極限電流，使之略高于滿載或輸入欠壓時(shí)的漏極峰值電流ID(PK)。這就允許在電源起動(dòng)過程中或輸出負(fù)載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下，采用較小尺寸的高頻變壓器。當(dāng)輸入直流電壓過壓時(shí)。R13還能自動(dòng)降低最大占空比Dmax，對(duì)最大

40、負(fù)載功率加以限制。R13為欠壓或過壓檢測(cè)電阻，并能給線路提供電壓前饋，以減少開關(guān)頻率的波動(dòng)。取R5=2M時(shí)，僅當(dāng)直流輸入U(xiǎn)I電壓達(dá)到100V時(shí)，電源才能起動(dòng)。GX的欠壓電流IUV=50A，過壓電流IOV=225A。有公式 UUV=IUVR5 公式 (3.1) UOV=IOVR5 公式(3.2) 將R5=2M分別代入式（1）和式（2）中得到，UUV=100V（DC），UOV=450V（DC）。過壓時(shí)最大占空比Dmax隨流入X端的電流IX的增大而減小，當(dāng)IX從90A增加到190A時(shí)，最大占空比Dmax就從78（對(duì)應(yīng)于UUV=100V）線性地降低到47（對(duì)應(yīng)于375V）。在掉電后，欠壓檢測(cè)能在C1放

41、電時(shí)減少輸出干擾，只要出現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)失效或者輸入電壓低于40V的情況，都會(huì)使-GX關(guān)閉。當(dāng)開關(guān)電源受到450V以上的沖擊電壓時(shí)，R11同樣可使TOP249關(guān)斷，避免元器件受到損壞。圖3.3.1高效率60W通用開關(guān)電源電路原理由VDZ1和D9構(gòu)成的漏極鉗位電路，能吸收在MOSFET關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)MOSFET不受損壞。VDZ1采用鉗位電壓為200V的P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器。將電容C1電阻R1、R2和VDZ1并聯(lián)后，能減少鉗位損耗。選擇全頻工作方式時(shí)，開關(guān)頻率設(shè)定為132kHz。為了減小次級(jí)繞組和輸出整流管的損耗，現(xiàn)將兩路次級(jí)繞組都分成兩路，每路單獨(dú)使用兩只共

42、陰極肖特基對(duì)管（D1、D2、D3、D4）并聯(lián)工作，輸出濾波電路由C4、C5、C6、L1、C10、C11、C12、L2、C13、C14構(gòu)成?？蛰d時(shí)，TOP246Y能自動(dòng)降低開關(guān)頻率，使得在交流230V輸入時(shí)電源損耗僅為520mW。TOP246Y具有頻率抖動(dòng)特性，這對(duì)降低電磁干擾很有幫助。只要合理地選擇安全電容C20和EMI濾波器（L3、C21、C22）的元件值，就能使開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁輻射符合CISPR22（FCCB）/EN55022B國際標(biāo)準(zhǔn)。將C20的一端接UI的正極，能把TOP246Y的共模干擾減至最小。需要指出，C20和C21、C22都稱作安全電容，區(qū)別只是C20接在高壓與地之間，能濾除

43、初、次級(jí)耦合電容產(chǎn)生的共模干擾，在IEC950國際標(biāo)準(zhǔn)中稱之為“Y電容”。C21、C22則接在交流電源進(jìn)線端，專門濾除電網(wǎng)線之間的差模干擾，被稱作“X電容”。 精密光耦反饋電路由PC817、TL431等組成。輸出電壓UO通過電阻分壓器R7、R8、R12獲得取樣電壓，與TL431中的2.50V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓，再經(jīng)過光耦去改變TOP246Y的控制端電流IC，使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)UO保持不變。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D10、C17整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。3.3.2 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)在輸入端先通過EMI濾波器（由L3、C11、C12構(gòu)成）來防止電磁干擾，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

44、如圖3.3.2所示。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電源的抗干擾能力及系統(tǒng)和可靠性。圖3.3.2 EMI濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考與本設(shè)計(jì)類似相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，本電源就采用AlAP-IA型的EMI濾波器，并合理選擇了EMI濾波器（L3、C11、C12）的參數(shù)值：取L3=20mH、C11=0.1F 、C12=0.1F。為更好抑制EMI，濾波器可采用如圖3.9所示電路，其中L1、L2、C1可除去差模干擾，L3、C2、C3可除去共模干擾。初步濾波之后，加接單相整流橋，交流輸入電壓最大值為 UACImax=265V，經(jīng)整流濾波后得到其直流輸入電壓最大值UACImax，由公式（3.3）得到：UDCImax=UAC

45、Imax* (1.21.4)=345V。而輸入整流橋的最大反向電壓UBR=UDCImax=345V，則輸入整流橋的反向擊穿電壓URM應(yīng)滿足：URM=（23）UBR=600V。由于電路的輸入電流IACImax限制在3.15A以下，即IACImax=3.15A。當(dāng)交流輸入電壓為固定輸入220V時(shí)，輸入濾波電容通常與輸出額定功率Po的值相當(dāng)，并且UACImin=85V，UACImax=265V，由公式（3.3）和（3.4）計(jì)算得：UDCImin=UACImin*(1.21.4) 公式（3.3）UDCImax=UACImax*(1.21.4)公式（3.4）計(jì)算得到：UDCImin=110V，UDCIm

46、ax=345V。此處取C20=680F,耐壓400V的電解電容。3.3.3 基于TOP246Y的開關(guān)電源設(shè)計(jì)利用TOP246Y設(shè)計(jì)了一種新型單端反激式開關(guān)電源，其輸出分別為9V/2.4A、12V/3A，電路原理如圖3.3.1所示。該電源設(shè)計(jì)的要求為：輸入電壓范圍為交流85265V，輸出功率為60W。由此可見，選擇TOP246Y能夠滿足此要求。從該電路原理圖中可以看出，電阻R13用來從外部設(shè)定功率開關(guān)管的漏極極限電流，使之略高于滿載或輸入欠壓時(shí)的漏極峰值電流ID(PK)。這就允許在電源起動(dòng)過程中或輸出負(fù)載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下，采用較小尺寸的高頻變壓器。將F端與S端短接可將TOP246Y設(shè)為

47、全頻工作方式，開關(guān)頻率為132kHz。當(dāng)輸入直流電壓過壓時(shí)，R13還能自動(dòng)降低最大占空比Dmax，對(duì)最大負(fù)載功率加以限制。而R5為欠壓、過壓檢測(cè)電阻，在線路檢測(cè)端L與直流輸入電壓UDCI端連接電阻R5可進(jìn)行線路檢測(cè)，并能給線路提供電壓前饋，以減少開關(guān)頻率的波動(dòng)。取R5=2M時(shí)，僅當(dāng)直流輸入電壓UDCI達(dá)到100V時(shí)，電源才能起動(dòng)。-GX的欠壓電流IUV=50A，過壓電流IOV=225A。因此其欠壓保護(hù)工作電壓為100V，過壓保護(hù)工作電壓為450V，即TOP246Y在本電路中的直流電壓范圍為100450V，一旦超出了該電壓范圍，TOP246Y將自動(dòng)關(guān)閉。另外，空載時(shí)，TOP246Y能自動(dòng)降低開關(guān)

48、頻率，使得在交流230V輸入時(shí)電源損耗僅為520mW。TOP246Y具有頻率抖動(dòng)特性，這對(duì)降低電磁干擾很有幫助。當(dāng)然，在過壓時(shí)最大占空比Dmax隨流入X端的電流IX的增大而減小，當(dāng)IX從90A增加到190A時(shí)，最大占空比Dmax就從78%（對(duì)應(yīng)于UUV=100V）線性地降低到47%（對(duì)應(yīng)于375V）。在掉電后，欠壓檢測(cè)能在C1放電時(shí)減少輸出干擾，只要出現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)失效或者輸入電壓低于40V的情況，都會(huì)使-GX關(guān)閉。當(dāng)開關(guān)電源受到450V以上的沖擊電壓時(shí)，R5同樣可使TOP249關(guān)斷，避免元器件受到損壞。但一般說來，由于交流輸入電壓在85265V范圍內(nèi)，經(jīng)整流濾波后的直流輸入電壓就在110345V

49、范圍內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)超出100450V的范圍，所以本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源相對(duì)安全。另外，在TOP246Y的外端加接了由VDZ1和D9構(gòu)成的漏極鉗位電路。在功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器初級(jí)漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓UL，那么就利用由VDZ1和D9構(gòu)成的漏極鉗位電路來保護(hù)MOSFET不受損壞。同時(shí)，高頻變壓器初級(jí)漏感在初級(jí)繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓（即反向電動(dòng)勢(shì)）UOR，兩者疊加在直流輸入電壓UDCImax上，加至內(nèi)部功率開關(guān)管MOSFET的漏極上。這就要求功率MOSFET至少能承受700V高壓，UBRDS700V。所以，UOR+UDCImax+UL700V，將UOR=73V，UDCImax=345V帶入式中得

50、UL200V。因此，U1采用鉗位電壓為200V的P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器,在MOSFET截止瞬間，初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)尖峰電壓就被U1吸收掉。 3.3.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)和繞制方法高頻變壓器是開關(guān)電源中進(jìn)行能量儲(chǔ)存與傳輸?shù)闹匾考?，開關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣，不僅對(duì)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。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

51、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(jí)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)。3.3.4.1 該開關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)計(jì)算在單端反激式開關(guān)電源中，高頻開關(guān)變壓器既是儲(chǔ)能元件又是傳遞能量的主體，設(shè)計(jì)難度較大，是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括變壓器變比n，初、次級(jí)繞組匝數(shù)NP、NS和反饋繞組匝數(shù)NF等。1. 選擇恰當(dāng)?shù)拇判九c骨架由于該電源的輸出功率較為60W，高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小，一般應(yīng)選用能夠滿足132kHz開關(guān)頻率的錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用EI或EE型，變壓器的初、次級(jí)繞組應(yīng)相間繞制。參考其他同類型相關(guān)的

52、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，本設(shè)計(jì)就選用R2KDP錳鋅鐵氧體材料制成的EE22型鐵氧體磁芯，R2KDP屬于高頻低功耗電源鐵氧體材料。 當(dāng)開關(guān)電源的額定輸出功率PO=60W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= 60W/（85%90%）= 70W。輸入直流最小電壓UDCImin=110V；最大導(dǎo)通時(shí)間ton=Dmax/f；占空比（也稱導(dǎo)通比）是漏極脈寬調(diào)制信號(hào)中的低電平通態(tài)時(shí)間ton與開關(guān)周期T的百分比，而開關(guān)周期T=ton+toff，則Dmax= ton /T= ton /（ton + toff）為設(shè)定的最大占空比，通常取Dmax=0.4；開關(guān)頻率f=132kHz

53、；電源預(yù)測(cè)效率值H=（85%90%）。2. 初級(jí)感應(yīng)電壓UOR的計(jì)算關(guān)斷且次級(jí)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電壓會(huì)感應(yīng)到初級(jí)。初級(jí)感應(yīng)電壓UOR是開關(guān)管斷開期間初級(jí)感應(yīng)到的電壓值。UDCImin=110V，則由公式（3.5）計(jì)算：UOR=UDCIminton / toff =UDCIminDmax/(1-Dmax) 公式（3.5）計(jì)算得到：UOR=73V。3. 確定變壓器各繞組匝數(shù) （1）變壓器變比的計(jì)算 當(dāng)TOP246Y中的MOSFET關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器初級(jí)中的能量開始向次級(jí)傳遞，次級(jí)兩路繞組的電壓US1、US2可表示為：US = UDCIminton / toffNS/NP 公式（3.6） 變

54、壓器次級(jí)電壓與輸出電壓的關(guān)系為： US1=UO+UL+UF=12+0.3+0.4=12.7V；US2=UO+UL+UF=9+0.3+0.4=9.7V；其中變壓器次級(jí)繞組壓降UL為0.3V，輸出整流共陰極肖特基對(duì)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 公式（3.7） 計(jì)算得n1=0.093、n2=0.07。 （2）變壓器初級(jí)、次級(jí)及反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算 根據(jù)單端反激式變壓器的工作磁通密度及法拉第電磁感應(yīng)定律=-NdB/dtS，另外參考同類型相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，可得到初級(jí)線圈匝數(shù)NP、次級(jí)線圈匝數(shù)NS，

55、即NP =43匝， NS1 = NPUS1/ UOR = 4匝。NS2 = NPUS1/ UOR =3匝。（3）反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算公式為： NB=NP(UB+UF)/ UOR 公式（3.8）將NB =12V，UF =0.7V帶入得NB = 4匝。 3.3.4.2高頻變壓器繞制的注意事項(xiàng) 高頻變壓器的結(jié)構(gòu)如圖3.3.4.1所示，NP、NS、NF分別代表初級(jí)、次級(jí)和反饋級(jí)的繞組，110為骨架的引出端。 圖3.3.4.1 該單端反激式開關(guān)電源變壓器繞制示意圖（1）初級(jí)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(jí)繞組的分布電容；優(yōu)點(diǎn)之二是初級(jí)繞組能被其他繞組所屏蔽，可降低初級(jí)繞組對(duì)相鄰元件的電噪聲。 另外初級(jí)繞組的起始端應(yīng)接到的漏極端，利用初級(jí)繞組的其余部分和其他繞組將它屏蔽，減小從初級(jí)耦合到其他地方的電磁干擾。初級(jí)繞組最好設(shè)計(jì)成兩層或兩層以下以降低初級(jí)分布電容和漏感。在初級(jí)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柑之間應(yīng)同軸，以便使耦合最強(qiáng)，減小漏電感。（2）反饋繞組的最佳位