12W TOPSwitch開關(guān)電源原理分析論文

1、12W TOPSwith開關(guān)電源原理分析制作人：胡添娣自我介紹 大家好！我是來自機貿(mào)072的胡添娣，現(xiàn)在在南海凱訊電器電子技術(shù)部門擔(dān)任技術(shù)文員，我們部門負責(zé)的是充電機開發(fā)，由于開發(fā)的充電機都要用到開關(guān)電源自動控制電路穩(wěn)定輸出電壓，所以這次論文撰寫了開關(guān)電源的原理分析主要內(nèi)容一、TOP Swith開關(guān)管簡介、工作原理二、TOP222開關(guān)電源工作原理三、實際工作中遇到的問題及解決方法一、TOP Swith開關(guān)管簡介、工作原理1、TOPSwitch簡介TOPSwitch器件為三端單片開關(guān)電源控制IC，是一種將占空比PWM和場效應(yīng)管MOSFET合二為一的新型集成芯片。具有自身偏置和保護功能的變換器，用

2、線性控制電流來改變占空比，利用CMOS和集成盡可能多的功能實現(xiàn)高效率。與三極管和分立元件電路相比，它減少了偏置電流，集成化使其省略了幾個外部功率電阻器。2、TOPSwith功能 在寬值輸入交流電壓85265V時，最大輸入功率由60W擴大到90W；在單值輸入交流電壓110V/115V/230V時，輸出功率由100W擴大到150W，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域也拓寬到小型電視機和顯示器、音響放大器。以TOP222為例對開關(guān)電源做出簡單的分析。3、 TOP222反激式原理圖 4、工作流程5、主體電路簡介輸入交流220V整流濾波后，得出300V直流用單個開關(guān)管TOP222進行開關(guān)控制，固定控制電路中的控制信號的頻

3、率。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管占空比PWM使300V直流電壓流過變壓器原邊，將能量儲存在變壓器中；在變壓器關(guān)斷時，能量通過耦合副邊輸出，電壓取樣得到誤差通過反響控制占空比PWM到達輸出恒定。6、工作原理分析1輸入濾波電路： 開關(guān)電源輸入電路包括低通濾波和橋式整流濾波兩大局部，雖然都是“濾波，但它們的作用、功能不同，采用的方法也不一樣。分為1低通濾波2交流電壓輸入整流濾波電路波形圖示意圖1輸入濾波電路1低通濾波的作用：防止輸入電網(wǎng)輸入噪聲干擾，同時抑制不需要的浪涌電壓、尖峰電壓的進入。阻止、限制開關(guān)電源所產(chǎn)生的噪聲，高頻電磁干擾信號通過輸入電線進入電網(wǎng)干擾電網(wǎng)和其它用電設(shè)備。在圖2-4中，C1、C2為X電容

4、聚酯電容是抗差模干擾元件，用于抑制正態(tài)噪聲，電感L1是抗模干擾元件，用于抑制共態(tài)噪聲。2交流電壓輸入整流濾波電路，因開關(guān)電源的工作方式是DC TO DC，即直流電壓轉(zhuǎn)直流電壓，所以要先將輸入交流電壓作整流濾波處理，以得到較小波幅的直流電壓。現(xiàn)采用橋式整流電路，輸入濾波電容的容量是由輸出保持時間以及直流輸入電壓要求的紋波電壓大小決定，而且流經(jīng)電容的紋波電流在電容的允許值范圍內(nèi)。濾波電容采用電解電容。輸入濾波電路波形示意圖 整流濾波后，輸出為303V，在衰減十倍電壓如圖2-7b測得的電壓紋波值為0.87210=8.7V；從波形可以看出，電源電路整流出來后的電壓有8.7V左右的浮動，波動周期為10m

5、S，開關(guān)電源工作頻率f=100KHz；周期T=1/100K=10uS。說明電壓紋波是由電容充放電引起，8.7V紡波值這對于198308V的電壓來說，這個微小的變化可以忽略不計。2 變壓器初級繞組吸收電路 整流濾波過后，穩(wěn)壓管P6KE200和二極管FR107介于變壓器T1原邊繞組的兩端，由于變壓器T1原邊繞組的另一端接開關(guān)管TOP222的漏電極，當TOP222關(guān)斷時，變壓器漏感會產(chǎn)生反向電壓，該電壓會燒壞開關(guān)管TOP222。所以在此穩(wěn)壓管P6KE200是用于消除尖峰電壓、穩(wěn)定電路；二極管FR107是用于防止變壓器在關(guān)斷時，由變壓器產(chǎn)生的反向電壓，燒壞開關(guān)管TOP222將反向尖峰電壓箝位在220V

6、內(nèi)。3輸出整流濾波 從原理圖2-4輸出電路由4個主要元件組成高速整流二極管VD2、濾波電容C2、LC濾波器L1、C3，其作用是將副邊繞組產(chǎn)生的100KHz脈動電流進行整流濾波，使輸出電壓是流平滑穩(wěn)定符合直流參數(shù)標準。1 輸出整流復(fù)合LT5233是一只超快速二極管，其反向恢復(fù)時間只有35nS，符合高頻使用要求，因高此電源的開關(guān)頻率達100KHz，輸出二極兩端突變電壓速度極快只有幾十個納秒，普通工頻二極管反向恢復(fù)時間trr較長達毫秒級，如用在高頻開關(guān)電源輸出工作下，會因反向短路電流過大而發(fā)熱損壞。二極兩端的電壓波形如圖2-7a所示。3輸出整流濾波2C2是輸出濾波電容其作用是將整流二極管VD2整流后

7、的脈動電壓進行濾波處理，使脈動電壓變?yōu)檩^平滑的直流電壓輸出。3L1是濾波電感，C3 是濾波電容，L1，C3組成LC濾波器其作用是進一步將輸出的紋波電壓降低，使輸出電流更平滑。實測輸出波形效果如圖2-7b所示。輸出整流濾波波形示意圖輸出整流濾波波形示意圖 圖2-7a 輸出整流管兩端的電壓波形 圖2-7b 濾波后輸出的電壓波形 4偏置繞組與RC補償網(wǎng)絡(luò)1 偏置繞組經(jīng)D3和C4整流濾波，又經(jīng)光耦U1輸出，產(chǎn)生開關(guān)管TOP222需要的偏置電壓。2RC補償網(wǎng)絡(luò):電容C5作為一個旁路電容接在控制腳與源極腳之間，可濾除經(jīng)控制腳加到內(nèi)部MOSFER柵極的驅(qū)動充電電流尖峰，并且確定自動再啟動頻率，C5與R3共同

8、維持補償控制回路的性能。偏置繞組與RC補償網(wǎng)絡(luò)波形示意圖偏置繞組與RC補償波形示意圖 圖2-10 偏置繞組與RC補償 5輸出電壓取樣電路 本電源輸出直流電壓為12V，采用TL431基準源作核心元件，用電阻取樣的方式提取誤差信號經(jīng)TL431比較放大，通過控制光耦反響到TOP222的控制端到達穩(wěn)定12V輸出的目的。根據(jù)資料顯示TL431基準電壓為2.5V，輸出電壓12V經(jīng)過R4、R5和R6分壓后，送到TL431的控制比較輸入端。當分壓后得到的電壓大于2.5V，TL431開通第三腿，給光耦P521第二腳一個低電平，光耦正偏開通，偏置電壓電流流向TOP222的控制腳，使控制腳電壓上升從而減小輸出占空比

9、；輸出電壓下降。當分壓后的電壓小于2.5V，TL431關(guān)閉第三腿，光耦無偏壓關(guān)閉，TOP222控制腳電壓下降而增大輸出占空比，輸出電壓上升。輸出電壓取樣電路波形示意圖 5輸出取樣電路波形 圖2-8 輸出電壓波形6高頻變壓器繞制參數(shù)計算及繞制示意圖高頻變壓器是開關(guān)電源的重要元件之一，其主要的作用是起到隔離和將高壓DC轉(zhuǎn)換成所需功率的DC電壓輸出，其參數(shù)的設(shè)計決定了整個電源的質(zhì)量好壞，如設(shè)計不當，不但工作不正常，嚴重時會損壞開關(guān)管和其它元器件。故設(shè)計高頻變壓器時，必須滿足以下條件：1變壓器的原邊與副邊繞組的變比滿足要求數(shù)值。2當輸入電壓最高，占空比最大時，磙芯應(yīng)不飽和。3當輸出功率最大時，變壓器溫

10、升在允許的范圍內(nèi)。4應(yīng)滿足所需功率的電感量。5應(yīng)符合必要的平安規(guī)格。6.1 高頻變壓器繞制參數(shù)計算6.1 高頻變壓器繞制參數(shù)計算6.2 變壓器繞制示意圖開關(guān)電源樣板圖光耦是由一個感光二極管和一個二極管組成的。為了保證電源工作的平安性，由樣板反面可以看到，光耦兩端不能走線，其平安距離大約6mm。三、實際工作中遇到的問題及解決方法1 通電后開關(guān)管TOP222燒壞分析與處理開始通電時，并沒有加散熱片，檢測后發(fā)現(xiàn)是因流過開關(guān)管TOP222電流過大，導(dǎo)致開關(guān)管TOP222溫度過高，散熱不及時，燒壞了開關(guān)管TOP222。2 輸出級短路分析與處理換過開關(guān)管后，發(fā)現(xiàn)沒有電流和電壓輸出，用萬用表檢查發(fā)現(xiàn)是輸出級短路。剛開始疑心是焊接技術(shù)不過關(guān)，沒有按照原理圖焊接，焊錫碰到不應(yīng)該碰到的元件造成短路，仔細的檢查了幾遍，并沒有發(fā)現(xiàn)這個問題，后來發(fā)現(xiàn)是在安裝散熱片時，沒有用一個絕緣體把復(fù)合二極管和散熱片隔開，散熱片直接接地，