電氣自動(dòng)化論文-供參考

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7、或IE8預(yù)覽本頁，個(gè)別文件很大超過5M,請等幾分鐘后再下載!謝謝!電氣自動(dòng)化畢業(yè)論文全文 -畢 業(yè) 論 文題 目： 電氣自動(dòng)化畢業(yè)論文 單片開關(guān)電源及PCB設(shè)計(jì) 系： 電氣與信息工程系 電氣工程，電氣自動(dòng)化，自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)應(yīng)用控制畢業(yè)設(shè)計(jì)，畢業(yè)論文QQ：405112764 電話 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所

8、有內(nèi)容均真實(shí)、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日目 錄摘 要 IAbstract II第1 章 緒 論 111 概述 112 開關(guān)電源的發(fā)展簡況 113 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 2第2章 方案論證 321 概述 322 系統(tǒng)總體框圖 323 工作原理 3231 TOPSwitch-II的結(jié)構(gòu)及工作原理3232 單片開關(guān)電源電路基本原理 5第3章 單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 731 概述 732 單片開關(guān)電源參數(shù)的設(shè)計(jì) 733 單片開關(guān)電源中電子元器件的選擇 15331 選擇鉗位二極管和阻塞二極管 15332 輸出整流管的選取 18333 輸出濾波電容的選取 19334 反饋電路中整流管的選取 20335

9、 反饋濾波電容的選取 20336 控制端電容及串聯(lián)電阻的選擇 20337 TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器的選擇 20338 光耦合器的選擇 21339 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的選擇 23 34 單片開關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 24341 輸出過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 24342 輸入欠電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 25343 軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 26344 電壓及電流控制環(huán)電路的設(shè)計(jì) 26345 無損緩沖電路 28346 采用繼電器保護(hù)的限流保護(hù)電路 28347 IGBT驅(qū)動(dòng)電路 2935 電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì) 29 351 開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理 30 352 開關(guān)電源EMI的特點(diǎn) 30 353 EMI測試技術(shù) 3

10、0 354 抑制干擾的措施 31 355 電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理 33 356 電磁干擾濾波器的基本電路及典型應(yīng)用 33 357 EMI濾波器在開關(guān)電源中的應(yīng)用 34第4章 PCB電磁兼容性設(shè)計(jì) 3641 概述 3642 PCB上元器件布局 3743 PCB布線 3844 PCB板的地線設(shè)計(jì) 4645 模擬數(shù)字混合線路板的設(shè)計(jì)4846 PCB設(shè)計(jì)時(shí)的電路措施 49第5章 單片開關(guān)電源印制線路板的設(shè)計(jì) 5151 概述 5152 Protel99簡介 52 53 印制線路板的設(shè)計(jì) 52531 設(shè)計(jì)印制線路板的條件 52532 設(shè)計(jì)印制板的步驟 53533 元件布局 53534 布線 5354 單

11、片開關(guān)電源印制線路板的設(shè)計(jì) 55541 單片開關(guān)電源原理總圖 55542 單片開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)圖 55結(jié)束語 56參考文獻(xiàn) 57致 謝 59附 錄 60單片開關(guān)電源及PCB設(shè)計(jì)摘 要：電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術(shù)，電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展，而電源技術(shù)的發(fā)展有效地促進(jìn)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電源技術(shù)主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)的，信息技術(shù)的發(fā)展又對電源技術(shù)提出了更高的要求，從而促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。從日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對提高一個(gè)國家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平，即提高一個(gè)國家單位

12、能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重的作用。在這方面我國與世界先進(jìn)國家的差距很大，作為一個(gè)電源工作者，不僅要設(shè)計(jì)出國際或國內(nèi)先進(jìn)的電源，還要考慮到電源的適應(yīng)性以及電源的成本。只有具有先進(jìn)性能的電源，加上合理的制作成本，才能使我國的電源產(chǎn)業(yè)趕超發(fā)達(dá)國家。這里著重介紹了基于TOP252Y的單片開關(guān)電源，通過運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將普通市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定地電壓電流輸出。首先介紹開關(guān)電源的含義，開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著各種各樣電器的出現(xiàn)以及升級(jí)，它們都需要一個(gè)穩(wěn)

13、定的電源，本文系統(tǒng)介紹了一種較為實(shí)惠又很先進(jìn)的穩(wěn)壓穩(wěn)流輸出單片開關(guān)電源。關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源; 反激式；脈寬調(diào)制。The design of Single-chip Switching Power Supply and its PCB Abstract：Electric and electronic technology has already developed into an intact high science, the development of electric and electronic technology has driven the development of the

14、 technology of the power supply, and the development of power technology has promoted the development of industry of the power supply effectively. The technology of the power mainly serves information industry, the development of the information technology has put forward higher request to the power

15、 supply, thus promoted the development of technology of the power supply, and it just had the vigorous information industry and power industry now. Cant do without the participation and support of the technology of the power from daily life to most advanced science, and the power technology and the

16、power industry have very important function in raising the level of a countrys labor productivity, namely improve an output level of national units energy consumption. In this respect, our country and developed country have very great disparity. As a power worker, not only design the international o

17、r domestic advanced power supply, but also consider the adaptability and cost of the power supply. Only the advanced and low-priced power supply could make the power industry of our country catch up with the developed country. Here, I will introduce the Single-Chip Switching Power Supply which based

18、 on the TOP252Y, by using the technology, such as advanced electric and electronic technology, it turns the ordinary electricity into the steadily voltage and current output. At first, I will introduce the meaning of the Switch Mode Power Supply, the Switch Mode Power Supply is a Power supply which

19、utilizing modern electric and electronic technology, controlling the time rate of the ON /OFF of the switch transistor, and keeping the voltage output steadily, the switch power is generally made up with PWM IC and MOSFET 20. With the appearance and upgrading of various electric apparatuses, all of

20、them need one steady power supply, this text systematically introduces a kind of more advanced and very more low-priced single slice of Switch Mode Power Supply which has steadily voltage and current output. Key words: single-chip switching power supply; flyback; PWM.第1章 緒論1.1 概述電源歷來是各種電子設(shè)備中不可缺少的組成部

21、分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。開關(guān)電源（Switching Power Supply）自問世以來，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開關(guān)電源，更是因其高性價(jià)比、簡單的外圍電路、小體積與重量和無工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者，是設(shè)計(jì)開發(fā)各種高效率中、小功率開關(guān)電源的優(yōu)勢器件。隨著生產(chǎn)、生活中自動(dòng)化程度的不斷提高，開關(guān)電源也朝著智能化方向發(fā)展，由微控制器控制的開關(guān)電源將單片開關(guān)電源與單片機(jī)控制相結(jié)合，更加體現(xiàn)了開關(guān)電源的可靠性和靈活性。在21世紀(jì)，隨著各種不同的單片開關(guān)電源芯片及其電路拓?fù)涞膽?yīng)用和推廣，單

22、片開關(guān)電源越來越體現(xiàn)出巨大的實(shí)用價(jià)值和美好前景。1.2 開關(guān)電源的發(fā)展簡況開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對開關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1997年國外首先研制成脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品如UC182

23、5、UC1864。第二個(gè)方向則是對中，小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段：80年代初意法半導(dǎo)體有限公司（SGSThomson）率先推出L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級(jí)、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中，使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適于制作低壓輸出（5.140V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A10A）、高效率（可超過90%）的開關(guān)電源。但從本質(zhì)上講，它仍屬DC/DC電源變換器17。1994年，美國PI公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開關(guān)電源，被人們譽(yù)為“頂級(jí)開關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品為

24、TOPSwitch系列，第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價(jià)格的四端單片開關(guān)電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關(guān)電源，亦稱高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（High Voltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關(guān)電源已形成四大系列、近70種型號(hào)的產(chǎn)品。1.3 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢1955年美國羅耶（GHRoger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年美國查賽（Jen Sen)發(fā)明了自激式

25、推挽雙變壓器，1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開關(guān)頻率，就要減少開關(guān)損耗，而要減少開關(guān)損耗，就需要有高

26、速開關(guān)元器件。然而，開關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備，還會(huì)大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器，而對由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過，對1MHz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開關(guān)損耗，同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。 目前對這種開關(guān)電源的研究很活躍，因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開關(guān)電源高頻

27、化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國家都在致力于數(shù)兆Hz的變換器的實(shí)用化研究。我們這次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是研究TOPSwitch-II開關(guān)電源以及相關(guān)的PCB設(shè)計(jì)制作，力圖使電路簡單且易于調(diào)試，盡最大可能的方便用戶的使用。在本次設(shè)計(jì)中，我們要掌握電路設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，學(xué)會(huì)用計(jì)算機(jī)專用軟件（Protel99）繪制電路原理圖和設(shè)計(jì)制作印制線路板圖，掌握標(biāo)準(zhǔn)化制圖的基本規(guī)則，將理論和實(shí)踐相結(jié)合，提高獨(dú)立分析能力和解決問題的能力，為我們畢業(yè)后走上工作崗位打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。第2章 方案論證2.1 概述整個(gè)系統(tǒng)以TOPSwitch-II芯片為核心，順序流程連接各個(gè)功能模塊，完成了將普通市電轉(zhuǎn)化成所需要的穩(wěn)

28、定電流和電壓。2.2 系統(tǒng)總體框圖圖2.1 系統(tǒng)總體框圖圖2.1是本開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖，圖中顯示了主要電路模塊，其中開關(guān)占空比控制電路是基于TOPSwitch-II型芯片的控制電路1。2.3 工作原理2.3.1 TOPSwitch-II的結(jié)構(gòu)及工作原理TOPSwitch-II器件為三端隔離反激式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路，但與其第一代產(chǎn)品相比，它不僅在性能上有進(jìn)一步改進(jìn)，而且輸出功率有顯著提高，現(xiàn)已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。TOPSwitch-II的管教排列圖如圖2.2所示，它有三種封裝形式。其中TO-220封裝自帶小散熱片，屬典型的三端器件，本文主要采用此種封

29、裝形式的芯片。此外還有DIP-8封裝和SMD-8封裝，它們都有8個(gè)管腳，但均可簡化成3個(gè)，兩者區(qū)別是DIP-8可配8腳IC插座，SMD-8則為表面貼片，后者不許打孔焊接。圖2.2 TOPSwitch-II的管教排列圖TOPSwitch-II的三個(gè)管腳分別為控制信號(hào)輸入端C（CONTROL）、主電源輸入端D（DRAIN）、電源公共端S（SOURCE），其中S端也是控制電路的基準(zhǔn)點(diǎn)。它將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到了三端芯片中，TOPSwitch-II的內(nèi)部框圖如圖2.3所示。主要包括10部分：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；脈寬調(diào)制器；門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)；

30、過電流保護(hù)電路；過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路；高壓電流源。圖中Zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHZ的低通濾波器。 TOPSWitch-II的基本工作原理是利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D，達(dá)到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當(dāng)輸出電壓Uo上升時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic上升，從而使得D下降，Uo也隨之下降，最終使Uo不變。TOPSwitch-II器件開關(guān)頻率高，典型值為100kHz，允許范圍為90-110kHz，開關(guān)管占空比由C腳電流以線性比例控制。電路啟動(dòng)時(shí)，由漏極經(jīng)內(nèi)部高壓電流源為C腳提供工作電壓Vc。（實(shí)際電路中C腳外部應(yīng)接入電容，以電容的充電過程控制Vc逐步升高，

31、以完成電路的軟啟動(dòng)過程），其PWM反饋控制回路由Rc、比較器A1和F1等元件組成，控制極電壓Vc為控制電路提供電源，同時(shí)也是PWM反饋控制回路的偏置電壓，比較器A2的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為5.7V，當(dāng)Vc高于5.7V時(shí)，A2輸出高電平，與此同時(shí)PWM控制電流經(jīng)電阻R與振蕩器輸出的鋸齒波電流分別輸入PWM比較器A4的+/-輸入端，這時(shí)因反饋電流較小從A3反向端輸入的鋸齒波信號(hào)經(jīng)門電路G3和G4送至RS觸發(fā)器B2的復(fù)位端+在鋸齒波信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的共同作用下RS觸發(fā)器的輸出端Q被置為高電平，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（PWM信號(hào)）經(jīng)G6，G7兩次反相，送到開關(guān)管F2的柵極，開關(guān)管處于開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)電路啟動(dòng)結(jié)束時(shí)Vc升至門限

32、電壓4.7V，A2輸出高電平驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)動(dòng)作，控制電路的供電切換至內(nèi)部電源；正常工作時(shí)TOPSwitch器件通過外圍電路形成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。圖2.3 TOPSwitch-II的內(nèi)部框圖TOPSwitch器件具有關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路功能，即當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)立即使芯片在低占空比下工作，倘若故障已排除就自動(dòng)重啟動(dòng)恢復(fù)正常工作。在自啟動(dòng)階段（控制極電壓Vc低于門限電壓5.7V時(shí)），控制電路處于低功耗的待命狀態(tài)，此時(shí)由于比較器A2的滯回特性，電子開關(guān)頻繁地在高壓電流源和內(nèi)部電源之間進(jìn)行切換，使得Vc值保持在4.7-5.7V之間。自啟動(dòng)電路由一個(gè)8分頻計(jì)數(shù)器完成延時(shí)功

33、能，阻止輸出級(jí)MOSFET管F2連續(xù)導(dǎo)通，直到8個(gè)充/放電周期完全結(jié)束后才能再次導(dǎo)通。TOPSwitch器件通過預(yù)置V1m值來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。TOPSwitch器件內(nèi)部還設(shè)有過熱保護(hù)電路，當(dāng)芯片結(jié)溫大于135度時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)（MOSFET），從而實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)目的。2.3.2 單片開關(guān)電源電路基本原理TOPSWitch-II單片開關(guān)電源典型電路如圖2.4所示。高頻變壓器在電路中具備能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換著三種功能。由圖可見，高頻變壓器觸及繞組Np的極性（同名端用黑圓點(diǎn)表示），恰好與次級(jí)繞組Ns、反饋繞組NF的極性相反。這表明在TOPSWitch-II導(dǎo)通時(shí)，電能就以磁場能量形式儲(chǔ)存在初級(jí)繞組中

34、，此時(shí)VD2截止。當(dāng)TOPSWitch-II截止時(shí)VD2導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)，刺激反擊是開關(guān)電源的特點(diǎn)。圖中，BR為整流橋，CIN為輸入端濾波電容。交流電壓u經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓UI，經(jīng)初級(jí)繞組加至TOPSWitch-II的漏極上。鑒于在TOPSWitch-II關(guān)斷時(shí)刻，由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì)疊加在直流高壓UI和感應(yīng)電壓UOR上，可是功率開關(guān)管漏籍電壓超過700V而損壞芯片；為此在初級(jí)繞組兩端增加漏極鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管（VDZ1）、阻塞二極管（VD1）組成，VD1應(yīng)采用超快二極管（SRD）。VD2為次級(jí)整流管，COUT是輸出端濾波電容。目前國際上流行

35、采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經(jīng)過VD3、CF整流濾波后獲得反饋電壓UFB，經(jīng)光耦合器重的光敏三極管給TOPSWitch-II的控制端提供偏壓，CT是控制端C的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管VDZ2的穩(wěn)定電壓為UZ2，限流電阻R1兩端的壓降為UR，光耦合器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為UF，輸出電壓Uo由下式設(shè)定：Uo=UZ2+UF+UR （2.1）則其穩(wěn)壓原理簡述如下：當(dāng)由于某種原因致使Uo升高時(shí)，因UZ2不變，故UF隨之升高，使LED的工作電流IF增大，再通過光耦合器使TOPSWitch-II控制端電流Ic增大。但因TOPSWitch-II的輸出占空比D與Ic成反比，故D減小，這就迫使Uo降

36、低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之亦然3。 圖2.4 單片開關(guān)電源典型電路第3章 單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)3.1 概述開關(guān)電源因具有重量輕、體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在電視電聲、計(jì)算機(jī)等許多電子設(shè)備中得到了廣泛的使用。為了進(jìn)一步追求開關(guān)電源的小型化和低成本，人們不斷研制成功一些復(fù)合型單片開關(guān)電源集成電路芯片。如美國電源集成公司（Power Integrations Inc， 簡稱PI公司或Power公司）推出的TOPSwitch-II器件就是其中的代表。TOPSwitch-II器件集PWM信號(hào)控制電路及功率開關(guān)場效應(yīng)管（MOSFET）于一體，只要配以少量的外圍元器件，就可構(gòu)成一個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、性

37、能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便的單端反激式單片開關(guān)電源。3.2 單片開關(guān)電源電路參數(shù)的設(shè)定下面將比較詳細(xì)的敘述這些參數(shù)求得過程并完成電子表格。(1) 確定開關(guān)電源的基本參數(shù)1交流輸入電壓最小值umin=85V2交流輸入電壓最大值umax=265V3電網(wǎng)頻率fL=50Hz4開關(guān)頻率f=100kHz5輸出電壓Uo=24V6輸出功率Po=50W7電源效率=85%8損耗分配系數(shù)Z：Z代表次級(jí)損耗和總損耗的比值。在極端情況下，Z=0表示全部損耗發(fā)生在初級(jí)，Z=1則表示全部損耗發(fā)生在次級(jí)。在此，我們選取Z=0.5。(2) 反饋電路類型及反饋電壓UFB的確定我們可參照表1中的數(shù)據(jù)確定參數(shù)，因?yàn)槲覀儾捎门銽L431的

38、光耦反饋電路，所以UFB的值便一目了然。(3) 輸入濾波電容CIN、直流輸電壓最小值UImin的確定由表2可知在通用85265V輸入時(shí)，CIN、UImin的值都可大概確定，其中，我們確定UImin的值為90V，而輸入濾波電容的準(zhǔn)確值不能從此表中得出。輸入濾波電容的容量是開關(guān)電源的一個(gè)重要參數(shù)。CIN值選的過低，會(huì)使UImin的值大大降低，而輸入脈動(dòng)電壓UR卻升高。但CIN值取得過高。會(huì)增加電容器成本，而且對于提高UImin值和降低脈動(dòng)電壓的效果并不明顯。下面介紹CIN準(zhǔn)確值的方法。表1 反饋電路的類型及UFB的參數(shù)值反饋電路類型UFB/VUo的準(zhǔn)確度/（%）Sv/（%）SI/（%）基本反饋電路

39、5.7101.55改進(jìn)型基本反饋電路27.751.52.5配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路1250.51配TL431的光耦反饋電路1210.20.2表2 確定CIN、UImin值u/VPo/W比例系數(shù)/（F/W）CIN/FUImin/V固定輸入：100/115已知23（23）Po值90通用輸入：85265已知23（23）Po值90固定輸入：23035已知1Po值240我們用以下式子獲得準(zhǔn)確的CIN值： （3.1）在寬范圍電壓輸入時(shí)，umin=85V，取UImin=90V，fL=50Hz，tC=3ms，Po=50W，=85%，一并帶入式（3.1）求出CIN=129.69F，比例系數(shù)CIN/Po=129.6

40、9F/50W=2.6F/W，這恰好在（23）F/W允許的范圍之內(nèi)。(4) 確定UOR、UB的值表3 確定UOR、UB值u/V初級(jí)感應(yīng)電壓UOR/V鉗位二極管反向擊穿電壓UB/V固定輸入：100/1156090通用輸入：85265135200固定輸入：23035135200當(dāng)TOPSwitch-II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)上。感應(yīng)電壓UOR就與UI相疊加后，加至內(nèi)部功率開關(guān)管（MOSFET）的漏極上。與此同時(shí)，初級(jí)漏感也釋放能量，并在漏極上產(chǎn)生尖峰電壓UL。由于上述不利情況同時(shí)出現(xiàn)，極易損壞芯片，因此需給初級(jí)增加鉗位保護(hù)電路。利用TVS器件來吸收尖峰電壓的瞬間能量，使上

41、述三種電壓之和（UI+UOR+ UL）低于MOSFET的漏-源擊穿電壓U(BR)DS值。(5) 根據(jù)UImin和UOR來確定最大占空比DmaxDmax的計(jì)算公式為 （3.2）已知UOR=135V，UImin=90V，將UDS(ON)設(shè)為10V，一并代入式（3.2），求得Dmax=62.79%，這與典型值67%已經(jīng)很接近了。Dmax隨u的升高而減小。(6) 確定初級(jí)紋波電流IR與初級(jí)峰值電流IP的比值KRP定義比例系數(shù) （3.3）表4 根據(jù)u來確定KRPu/VKRP最小值（連續(xù)模式）最大值（不連續(xù)模式）固定輸入：100/1150.41.0通用輸入：852650.41.0固定輸入：230350.6

42、1.0由表4可確定KRP=0.4(7) 確定初級(jí)波形參數(shù)1輸入電流的平均值IAVG （3.4）已知Po=50W，=85%，UImin=90V，求得IAVG=0.65A2初級(jí)峰值電流IP （3.5）把IAVG=0.65A，KRP=0.4，Dmax=62.79%代入式（3.5）得，IP=1.29A3初級(jí)脈動(dòng)電流IR由式（3.3）可得 IR= KRPIP=0.41.29A=0.52A4初級(jí)有效值電流IRMS （3.6）將IP=1.29A，Dmax=62.79%，KRP=0.4代入式（3.6）的得，IRMS=0.83A(8) 芯片及結(jié)溫的確定所選芯片的極限電流最小值ILIMT（min）應(yīng)滿足下式ILI

43、MT（min）IP/0.9 （3.7）即ILIMT（min）1.43A，于是我們就選取了TOP225YTJ由下式確定 （3.8）TOP225的設(shè)計(jì)功耗為1.7W，=20/W，TA=40，代入式（3.8）得TJ=74。一般來說，TJ應(yīng)在25到100之間，才能使開關(guān)電源長期正常運(yùn)行。(9) 初級(jí)電感量Lp的計(jì)算在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，由初級(jí)傳輸給次級(jí)的磁場能量變化范圍是LpIpLp（Ip-IR）。初級(jí)電感量由下式?jīng)Q定： （3.9）式中，Lp的單位是H。已知開關(guān)電源的輸出功率為50W，初級(jí)脈動(dòng)電流與峰值電流的比例系數(shù)KRP=0.4，開關(guān)頻率f=100kHz，損耗分配系數(shù)Z=0.5，電源效率=85%，IP=

44、1.29A，將這些數(shù)值代入式（3.9）得 Lp=1021.79 H (10) 選擇高頻變壓器并查找其參數(shù)可從設(shè)計(jì)手冊中查出，當(dāng)Po=50W時(shí)可供選擇的鐵氧體磁芯型號(hào)。若用常規(guī)漆包線繞制，可選EE30或EE35型，型號(hào)中的數(shù)字表示磁芯長度A=30mm或35mm。EE型磁芯的價(jià)格低廉，磁損耗低且適應(yīng)性強(qiáng)。若采用三重絕緣線，則選EF30型磁芯。在此我們采用常規(guī)漆包線，故選用EE30型磁心。由手冊中查出SJ=1.09cm，l=5.77cm， AL=4.69H/匝，b=13.7mm。(11) 計(jì)算次級(jí)匝數(shù)Ns對于100V/115V交流輸入，次級(jí)繞組可取1匝/V；對于230V交流或?qū)挿秶斎霊?yīng)取0.6匝/

45、V?，F(xiàn)已知u=85265V，Uo=24V，考慮到在次級(jí)肖特基二極管上還有0.4V的正向?qū)▔航礥F1，因此次級(jí)匝數(shù)為（Uo+ UF1）0.6匝/V=（24V+0.4V）0.6匝/V=14.64匝。由于次級(jí)繞組上還存在導(dǎo)線電阻，也會(huì)形成壓降，實(shí)取Ns=15匝。(12) 計(jì)算初級(jí)匝數(shù)Np （3.10）已知Ns=15匝，UOR=135V，Uo=24V，UF1=0.4V，將這些值一同帶入式（3.10），可求得Np=82.99，實(shí)取83匝。(13) 計(jì)算反饋繞組匝數(shù) （3.11）配有TL431的光耦反饋電路UFB 一般取12V，UF2取0.7V，UF1=0.4V，Ns=15，將這些值連同Uo=24V一起

46、帶入式（3.11），求得NF=7.8匝。實(shí)取8匝。(14) 根據(jù)初級(jí)層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，用下式計(jì)算有效骨架寬度bE=d（b-2M） (3.12)暫且將d設(shè)為2，M取為3mm，b=13.7mm，將其帶入式（3.12）求得，bE=15.4mm再利用下式計(jì)算初級(jí)導(dǎo)線的外徑（帶絕緣層）DPM：DPM= bE/NP （3.13）將bE=15.4mm，NP=83帶入式（3.13）求得，DPM=0.19mm。扣除漆皮后，裸體導(dǎo)線的內(nèi)徑DPm=0.15mm。 (15) 驗(yàn)證初級(jí)導(dǎo)線的電流密度J是否滿足初級(jí)有效值電流IRMS=0.83A之條件。計(jì)算電流密度的公式為 （3.14）將DPm=0.15mm

47、，IRMS=0.83A代入式（3.14）中得到J=7.22A/mm2。若J10 A/mm2，應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線并配以較大尺寸的磁芯和骨架，使J10 A/mm2。若J4 A/mm2，宜選較細(xì)的導(dǎo)線和較小的磁芯骨架，使J4 A/mm2，亦可適當(dāng)增加NS的匝數(shù)。查表可知，與直徑0.15mm接近的公制線規(guī)0.16mm，比0.15mm略粗一點(diǎn)，完全可滿足要求。因0.14mm的公制線規(guī)稍細(xì)，故不選用。(16) 計(jì)算磁芯中的最大磁通密度BM （3.15）將IP=1.29A，Lp=1021.79 H，Np=83匝，磁芯有效橫截面積SJ=1.09cm，一并代入式（3.15）中，得到BM=0.25T。(17) 磁芯

48、的氣隙寬度式（3.16）中，的單位是mm。將SJ=1.09cm，Np=83匝，Lp=1021.79 H，磁芯不留間隙時(shí)的等效電感AL=4.69H/匝一并代入式（3.16）得到，=0.89mm。氣隙應(yīng)加在磁芯的磁路中心處，要求0.051mm。 （3.16）(18) 計(jì)算留有氣隙時(shí)磁芯的等效電感 （3.17）將Lp=1021.79 H，Np=83匝代入式（3.17）得到，ALG=0.15H/匝。(19) 計(jì)算次級(jí)峰值電流ISP次級(jí)峰值電流取決于初級(jí)峰值電流IP和初、次級(jí)的匝數(shù)比n，有公式 （3.18）已知IP=1.29A，Np=83，Ns=15，不難算出n=5.5，代入式（3.18）得到ISP=7

49、.14A(20) 計(jì)算次級(jí)有效值電流ISRMS次級(jí)紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)KRP與初級(jí)完全相同，區(qū)別僅是對次級(jí)而言，KRP反映的是次級(jí)電流在占空比為（1-Dmax）時(shí)的比例系數(shù)5。因此，計(jì)算次級(jí)有效值電流ISRMS時(shí)，需將式（2.6）中的IRMS、Ip、Dmax依次換成ISRMS、ISP、（1-Dmax）。由此得到公式 （3.19）將ISP=7.14A，Dmax=62.79%，KRP=0.4代入式（3.19）中求得，ISRMS=3.52A。(21) 計(jì)算出濾波電容上的紋波電流IRI先求出輸出電流Io=Po/Uo=50W/24V=2.08A，再代入式（3.20）： （3.20）將ISRMS=

50、3.52A，Io=2.08A代入式（3.20）中計(jì)算出，IRI=2.84A(22) 計(jì)算次級(jí)裸導(dǎo)線直徑有公式 （3.21）將ISRMS=3.52A，J=7.22A/mm2代入式（3.21）中求出，DSm=0.31mm。實(shí)選0.315mm的公制線規(guī)。需要指出，當(dāng)DSm0.4mm時(shí)應(yīng)采用0.40mm的兩股導(dǎo)線雙線并繞Ns匝。與單股粗導(dǎo)線繞制方法相比，雙線并饒能增大次級(jí)繞組的等效橫截面積，改善磁場耦合程度，減少磁場泄感及漏感。此外，用雙線并繞方式還能減小次級(jí)導(dǎo)線的電阻值，降低功率損耗。導(dǎo)線外徑（單位是mm）的計(jì)算公式為 （3.22）將b=13.7mm，M=3，Ns=15匝一并代入式（3.22）中得到

51、，DSM=0.51mm。選用導(dǎo)線直徑DSm0.31mm而絕緣層外徑DSM0.51mm的三重絕緣線。(23) 確定次級(jí)整流管、反饋電路整流管的最高反向峰值電壓：U（BR）S、U（BR）FB有公式 （3.23） （3.24）將Uo=24V，UFB=12V，UImax=375V，Ns=15匝，Np=83匝，NF=8匝，分別代入式（3.23）和式（3.24）中計(jì)算出，U（BR）S=91.77V，U（BR）FB=48.14V。表5：設(shè)計(jì)24V、50W開關(guān)電源的電子數(shù)據(jù)表格ABCDEF1輸入中間過程輸出單位參數(shù)說明2參數(shù)數(shù)據(jù)保留數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果24V、50W開關(guān)電源3umin85V交流輸入電壓最小值4umax

52、265V交流輸入電壓最大值5fL50Hz電網(wǎng)頻率6f100kHz開關(guān)頻率7Uo24V直流輸出電壓8Po50W輸出功率985%電源效率10Z0.5損耗分配系數(shù)11UFB12V反饋電壓12tc3ms整流橋?qū)〞r(shí)間13CIN129.7F輸入濾波電容1415輸入TOPSWitch-II的變量16UOR135V初級(jí)繞組感應(yīng)電壓17UDS（ON）10VTOPSWitch-II的漏-源導(dǎo)通電壓18UF10.4V次級(jí)繞組肖特基整流管正向壓降19UF20.7V反饋電路中高速開關(guān)整流管正向壓降20KRP0.4%初級(jí)繞組脈動(dòng)電流IR與峰值電流IP比例系數(shù)2122輸入高頻變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)23EE30鐵氧體磁芯型號(hào)24

53、SJ1.09cm2磁芯有效橫截面積25l5.77cm有效磁路長度26AL4.69H/匝磁芯不留間隙時(shí)的等效電感27b13.7mm骨架寬度28M3mm安全邊距（安全邊界寬度）29d2層初級(jí)繞組匝數(shù)30Ns15匝次級(jí)繞組匝數(shù)3132直流輸入電壓參數(shù)33UImin90V直流輸入電壓最小值34UImax375V直流輸入電壓最大值3536初級(jí)繞組電流波形參數(shù)37Dmax62.79%最大占空比（對應(yīng)于umin時(shí)）38IAVG0.65A輸入電流平均值39IP1.29A初級(jí)繞組峰值電流40IR0.52A初級(jí)繞組脈動(dòng)電流41IRMS0.83A初級(jí)繞組有效電流值4243變壓器初級(jí)繞組設(shè)計(jì)參數(shù)44LP1021.79

54、H初級(jí)繞組電感量45NP83匝初級(jí)繞組匝數(shù)46NF8匝反饋繞組匝數(shù)47ALG0.15H/匝磁芯留間隙后的等效電感48BM0.25T最大磁通密度（BM=0.20.3T）49BAC0.2T磁芯損耗交流磁通密度（峰-峰值0.5）50r1976磁芯無氣隙時(shí)的相對磁導(dǎo)率510.89mm磁芯的氣隙寬度（0.051mm）5216.85mm有效骨架寬度53DPM0.19mm初級(jí)繞組導(dǎo)線的最大外徑（帶絕緣層）54e0.05mm估計(jì)的絕緣層總厚度(厚度2)55DPm0.15mm初級(jí)繞組導(dǎo)線的裸線直徑56公制0.16mm初級(jí)繞組導(dǎo)線規(guī)格57SP0.0516mm初級(jí)繞組導(dǎo)線的橫截面積58J7.22A/mm電流密度J=

55、410A/mm5960變壓器次級(jí)繞組設(shè)計(jì)參數(shù)61ISP7.14A次級(jí)繞組峰值電流62ISRMS3.52A次級(jí)繞組有效值電流63IO2.08A直流輸出電流64IRI2.84A輸出濾波電容上的紋波電流6566SSmin0.546mm次級(jí)繞組線圈最小橫截面積67公制0.315mm次級(jí)繞組導(dǎo)線規(guī)格68DSm0.31mm次級(jí)繞組導(dǎo)線最小直徑（裸線）69DSM0.51mm次級(jí)繞組導(dǎo)線最大直徑（帶絕緣層）70NSS0.39mm次級(jí)繞組絕緣層最大厚度7172電壓極限參數(shù)73UDmax573V最高漏極電壓估算值（包括漏感的作用）74U（BR）S91.77V次級(jí)繞組整流管最高反向峰值電壓75U（BR）FB48.1

56、4V反饋電路整流管的最高反向峰值電壓(24) 部分參數(shù)的補(bǔ)充1對于表5中交流磁通密度有兩個(gè)計(jì)算公式： （3.25） （3.26）式中最大磁通密度BM=0.25T，KRP=0.4，代入式（3.25）算出BAC=0.2。式（3.26）可作為驗(yàn)證公式7。2磁芯無氣隙時(shí)的相對磁導(dǎo)率與磁芯不留間隙時(shí)的等效電感AL、有效磁路長度l、磁芯有效橫截面積SJ之間，存在下述關(guān)系式 （3.27）將AL=4.69H/匝，l=5.77cm，SJ=1.09 cm2，代入式（3.27）得到=1.98H/匝cm3.3 單片開關(guān)電源中電子元器件的選擇3.3.1 選擇鉗位二極管和阻塞二極管(1) 瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理瞬態(tài)電壓

57、抑制器亦稱瞬變電壓抑制二極管，其英文縮寫為TVS ( Transient voltage Suppressor)，是一種新型過壓保護(hù)器件。由于它的響應(yīng)速度極快、鉗位電壓穩(wěn)定、體積小、價(jià)格低，因此可作為各種儀器儀表、自控裝置和家用電器中的過壓保護(hù)器。還可用來保護(hù)單片開關(guān)電源集成電路、MOS 功率器件以及其他對電壓敏感的半導(dǎo)體器件10。瞬態(tài)電壓抑制器是一種硅PN結(jié)器件，其外型與塑封硅整流二極管相似，見圖3.1中（a）。常見的封裝形式有DO41、A27K、A37K，它們在75 以下的額定脈沖功率分別為2W、5W、15W，在25 、1/120s條件下可承受的浪涌電流分別可達(dá) 50A、80A、200A。

58、外形尺寸有2.75.2、5.09.4（mm）等規(guī)格。其鉗位電壓從0.7V到3kV。TVS的符號(hào)與穩(wěn)壓管相同 ，見圖3.1中（b），伏安特性如圖3.1中（c）所示。圖3.1中(c)中 ，UB、IT分別為反向擊穿電壓（即鉗位電壓）、測試電流。UR為導(dǎo)通前加在 器件上的最大額定電壓。有關(guān)系式UR0.8UB。 IR是最大反向漏電流。Uc是在1ms時(shí)間內(nèi)器件可承受的最大峰值電壓。有關(guān)系式UCUBUR。IP是瞬時(shí)脈沖峰值電流。因IP、IT、IR分別屬于A、 mA、A這三個(gè)數(shù)量級(jí)，故IPIT IR。TVS的峰值脈沖功率PP與干擾脈沖的占空比（D）以及環(huán)境溫度（TA）有關(guān)。當(dāng)D時(shí)PP，反之亦然。而當(dāng)TA時(shí)PP

59、。PP值通常是在脈寬1ms、脈沖上升沿為10s、D=0.01的條件下測出的，使用時(shí)不得超過此值。 （a）外形 （b）符號(hào) （c）伏安特性圖3.1 瞬態(tài)電壓抑制器瞬態(tài)電壓抑制器在承受瞬態(tài)高電壓（例如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓）時(shí) ，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子設(shè)備或元器件不受損壞。鉗位時(shí)間定義為從零伏達(dá)到反向擊穿電壓最小值所需要的時(shí)間。TVS的鉗位時(shí)間極短，僅1ns，所能承受的瞬態(tài)脈沖峰值電流卻高達(dá)幾十至幾百A。其性能要優(yōu)于壓敏電阻器（VSR），且參數(shù)的一致性好。 (2) 阻塞二極管1反向恢復(fù)時(shí)間tIr反向恢復(fù)時(shí)間tIr的定義是電流通過零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)

60、向反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時(shí)間間隔。它是衡量高頻整流及續(xù)流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)。反向電流的波形如圖3.2所示。圖3.2中，IF為正向電流，IRM為最大反向 恢復(fù)電流，tIr為反向恢復(fù)電流，通常規(guī) 定Irr=0.1IRM。當(dāng)tt0時(shí)，iF=IF。 當(dāng)tt0時(shí)，由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓，因此正向電流迅速減小，在 t=t1時(shí)刻，iF=0。然后整流管上流過反向電流iR，并且iR逐漸增大；在 t=t2時(shí)刻達(dá)到最大反向電流IRM。此后反向電流逐漸減小，并且在t=t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復(fù)過程與電容器放電過程有相似之處。由t1到 t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間tr