基于TOP243Y的反激式開關(guān)電源

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于TOP243Y的反激式開關(guān)電源所屬院（系）電子信息工程學(xué)院2012年6月10日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書（由指導(dǎo)教師填寫發(fā)給學(xué)生）學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院時間：2012年3月12日學(xué)生姓名指導(dǎo)教師設(shè)計（論文）題目基于TOP243Y的反激式開關(guān)電源主要研究內(nèi)容隨著PWM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PI公司（PowerIntegrations）開發(fā)的TOPSwitch系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關(guān)管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個新的時代。本設(shè)計主要應(yīng)用一款TOP芯片，設(shè)計出一種實用的開關(guān)電源。研究方法根據(jù)TOPSwitch芯片資料選擇芯片型號，設(shè)計電子電路，再應(yīng)用PI公司提供的設(shè)計軟件仿真運行，測試各數(shù)據(jù)指標(biāo)，最后調(diào)試修改電路，最終達(dá)到設(shè)計要求。主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))輸出電壓（18V）、輸出電流（0.8A）、負(fù)載調(diào)整率（±4%）、供電效率（>80%）教研室意見教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字：年月日說明：一式兩份，一份裝訂入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)，一份交學(xué)院（直屬系）。目錄目錄 I摘要 IIIAbstract IV第1章 緒論 -1-1.1 開關(guān)電源的基本概念 -1-1.2 開關(guān)電源的發(fā)展 -2-1.2.1 開關(guān)電源的發(fā)展概況 -2-1.2.2 開關(guān)電源的技術(shù)目標(biāo)和發(fā)展趨勢 -3-1.3 本論文的設(shè)計研究意義 -5-1.4 本設(shè)計的工作環(huán)境 -6-第2章 開關(guān)電源的分類和工作原理 -7-2.1 開關(guān)電源的基本分類 -7-2.2 開關(guān)電源的基本組成和原理 -12-2.3 TOPSwitch-GX系列開關(guān)電源的特點和工作原理 -14-2.3.1 TOPSwitch-GX系列六端開關(guān)電源芯片的特點 -14-2.3.2 TOPSwitch系列電源的工作原理概述 -15-2.3.3 四種反饋電路的基本類型 -16-2.3.4 單片開關(guān)電源的兩種工作模式 -17-第3章 電路結(jié)構(gòu)的選擇 -19-3.1 設(shè)計流程圖 -19-3.2 電路拓?fù)漕愋偷倪x擇 -20-3.2.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇要注意的問題 -20-3.2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比分析 -20-第4章 開關(guān)電源中的器件介紹 -23-4.1 TOP243Y開關(guān)電源芯片 -23-4.1.1 TOPSwitch-GX系列芯片 -23-4.1.2 TOP243Y參數(shù) -28-4.2 TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 -28-4.3 LTV817A型光電耦合器 -30-4.4 電力二極管 -31-4.4.1 普通二極管(GeneralPurposeDiode) -31-4.4.2 快恢復(fù)二極管（FRD） -31-4.4.3 肖特基二極管（SBD） -31-4.5 共模電感 -32-4.6 高頻隔離變壓器EE19 -33-4.6.1 變壓器磁芯、骨架 -33-4.6.2 變壓器線圈繞制方法 -34-4.6.3 變壓器的裝配、浸漬 -36-第5章 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) -37-5.1 系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo) -37-5.2 主要子電路設(shè)計 -37-5.2.1 輸入級和EMI濾波部分 -37-5.2.2 功率轉(zhuǎn)換電路部分 -38-5.2.3 輸出電路 -41-5.2.4 反饋電路 -42-5.3 負(fù)載特性測試分析 -43-5.3.1 負(fù)載特性測試電路圖 -43-5.3.2 負(fù)載性特性測試所用器材 -44-5.3.3 負(fù)載特性測試結(jié)果 -44-第6章 設(shè)計實驗總結(jié) -47-參考文獻(xiàn) -48-致謝 -49-附錄1總體電路圖 -50-附錄2元件清單 -51-基于TOP243Y的反激式開關(guān)電源摘要開關(guān)電源是隨著脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）和電力電子器件的發(fā)展和完善而逐漸興起的一種電源技術(shù)，它通過控制功率開關(guān)管的占空比，來獲得一個穩(wěn)定的輸出電壓。與線性電源相比，開關(guān)電源具有功耗小，體積小，效率高，穩(wěn)壓范圍廣等突出優(yōu)點，在工業(yè)自動化控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國PI公司開發(fā)的TOPSwitch系列高頻開關(guān)電源芯片將自啟動電路、高壓MOSFET、PWM控制電路及保護電路等集成到一個芯片上，提高了電源的效率。TOP系列電源芯片也成為了國際上開發(fā)中小功率開關(guān)電源的優(yōu)選集成電路。本文主要闡述了基于TOP243Y芯片的反激式開關(guān)電源的設(shè)計過程，包括通過PIExpert軟件設(shè)計電路，制作調(diào)試實物電路，最終實現(xiàn)寬壓輸入（AC85-265V）穩(wěn)壓輸出（DC18V）的設(shè)計目標(biāo)。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，反激式，脈寬調(diào)制，TOPSwitchASwitchingPowerofFlybackBacedontheTOP243YAbstractSwitchingpowersupplyisagraduallyrisingpowertechnologybecauseofthedevelopmentofthePulseWidthModulation(PWM)andtheimprovementofthepowerelectronicdevices．Itcanobtainastableoutputvoltagebycontrollingthedutycycleofpowerswitchingtransistor．Comparedwithlinearpowersupply，switchingpowersupplywithlowpowerconsumption，smallsize，highefficiency，widevoltageregulationrangeandmanyotheroutstandingadvantages，hasbeenwidelyappliedinthefieldofindustrialautomationandcontrol，instrumentation，communicationsequipment，digitalproducts，etc．TOPSwitchfamilyhigh-frequencyswitchingpowersupplychip，whichdevelopedbythePIU．S．，integratingtheself-startingcircuit，highvoltageMOSFET，PWMcontrolcircuitandprotectingcircuitontoasingleCMOSchiptoimprovetheefficiency．TOPseriespowersupplychiphasalsobecomethepreferredICinthefieldofdevelopmentofsmallandmedium-powerswitchingpowersupplyattheinternationallevel．ThisarticlefocusesontheTOP243Ychip-basedflybackswitchingpowersupplydesignprocess，includingthedesignofthecircuitbythePIExpert，productionandcommissioningofthephysicalcircuit，toachievethedesigngoalsofthewidevoltageinput(AC85-265V)andstablevoltageoutput(DC18V)．KeyWords：Switchingpowersupply，F(xiàn)lyback，PWM，TOPSwitch緒論開關(guān)電源的基本概念隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子器件與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。20世紀(jì)80年代以來，計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代。進(jìn)入90年代，開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電氣設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，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和開關(guān)器件構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。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，對開關(guān)電路進(jìn)行控制。開關(guān)電源的這一技術(shù)特點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兩個明顯的優(yōu)點：1.效率高。采用占空比控制的開關(guān)電源，在理想情況下，只進(jìn)行能量的變換而沒有損耗。實際上，電路中開關(guān)器件存在通態(tài)壓降、斷態(tài)漏電流、開關(guān)損耗等非理想因素，電感和電容元件也有等效串聯(lián)電阻和漏電流等非理想因素，所以存在損耗。但電路的總效率仍能達(dá)到85%~98%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靠動態(tài)電阻調(diào)節(jié)的線性電源，通常比相控電源的效率也要高些。2.體積小、重量輕。開關(guān)電源采用較高的開關(guān)頻率，一般高于20kHz這一人耳的聽覺極限。因此電路中的電感、電容等濾波元件和變壓器都大大減少。而線性電源和相控電源通常都需要采用很大的濾波元件和笨重龐大的工頻變壓器。所以在同等功率的條件下，開關(guān)電源的體積和重量僅為線性電源和相控電源時的1/10。另外，開關(guān)電源的效率較高，需要的散熱器也較小，這在很大程度上減小了體積和重量。同時，還節(jié)省了很多硅鋼片、銅、鋁等原材料。開關(guān)電源的發(fā)展開關(guān)電源的發(fā)展概況1955年美國羅耶（GH.Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年美國查賽（JenSen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，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被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(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，就需要有高速開關(guān)元器件。然而，開關(guān)速度提高后，會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會影響周圍電子設(shè)備，還會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，而對由二極管存儲電荷所致的浪涌電流可采用非晶態(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，因為采用這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)MHz級的變換器的實用化研究。綜觀開關(guān)電源發(fā)展的四十年，主要經(jīng)歷了以下三個階段：第一個階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件（POWER-MOSFET、IGBT等），使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡單。第二個階段自20世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。第三個階段從20世紀(jì)90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開始發(fā)展，它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。20世紀(jì)90年代中后期，隨著集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的單片開關(guān)電源集成電路。它將開關(guān)電源中的脈寬控制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，能構(gòu)成高效率無需工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。比較有代表性的是，荷蘭Philips公司2000年研制的TEA1520系列開關(guān)電源；美國Onsemi公司1998~2002年前后開發(fā)的NCP1050、NCP1000系列單片開關(guān)電源；美國Motorola公司1999年推出的MC33370系列五端開關(guān)電源；美國PI公司于1994年最先推出了TOPSwitch系列第一代產(chǎn)品，被人們譽為“頂級開關(guān)電源”，1997年推出了TOPSwitch-Ⅱ系列，1998年推出了TinySwitch系列，2000年推出了TOPSwitch-FX系列，隨后又推出了TOPSwitch-GX系列，并作為主流產(chǎn)品加以推廣。本設(shè)計以TOPSwitch-GX系列中的TOP243Y為核心設(shè)計開關(guān)電源電路。開關(guān)電源的技術(shù)目標(biāo)和發(fā)展趨勢強大的市場需求，始終是開關(guān)電源發(fā)展的重要動力。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。以AC-DC的變換為例，與傳統(tǒng)采用工頻變換技術(shù)的相控電源相比，采用大功率開關(guān)管的高頻整流電源，在技術(shù)上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的是甩掉了體大笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設(shè)備的主機體積相協(xié)調(diào)，并且使電性能得到進(jìn)一步提高。正因為如此，1994年我國原郵電部做出重大決策，要求通信領(lǐng)域推廣使用開關(guān)電源以取代相控電源。幾年來的實踐已經(jīng)證明，這一決策是完全正確的。開關(guān)電源的使用為國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和占地面積。由于變換效率提高，能耗減少，降低了電源周圍環(huán)境的室溫，改善了工作人員的環(huán)境。我國郵電通信部門廣泛采用開關(guān)電源極大地推動了它在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。值得指出的是，近兩年來出現(xiàn)的電力系統(tǒng)直流操作電源，是針對國家投資4000億元用于城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的供電工程改造、提高輸配電供電質(zhì)量而推出的，它已開始采用開關(guān)電源以取代傳統(tǒng)的相控電源。國內(nèi)一些通信公司如中興通訊等均已相繼推出系列產(chǎn)品。目前，國內(nèi)開關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國產(chǎn)開關(guān)電源已占據(jù)了相當(dāng)市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認(rèn)同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個方面：1.小型化、薄型化、輕量化、高頻化——開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。2.高可靠性——開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。3.低噪聲——開關(guān)電源的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。4.采用計算機輔助設(shè)計和控制——采用仿真技術(shù)設(shè)計最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時檢測、記錄并自動報警等。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用?？傊?，人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)并推動著開關(guān)電源以每年超過兩位數(shù)的市場增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。本論文的設(shè)計研究意義開關(guān)電源體積小、效率高，被譽為高效節(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、功能強大的開關(guān)型穩(wěn)壓電源代表著開關(guān)電源發(fā)展的主流方向。本論文主要圍繞當(dāng)前流行的集成開關(guān)電源芯片進(jìn)行小功率開關(guān)型穩(wěn)壓電源特性的研究。單片開關(guān)電源克服了以往開關(guān)電源設(shè)計中外圍元件和輔助電路復(fù)雜等問題，有力地促進(jìn)了開關(guān)電源的高效化、模塊化和集成化。本文采用TOP243Y研制了一款單片開關(guān)電源，論文給出了外圍電路各部分的詳細(xì)設(shè)計方法，并進(jìn)行了參數(shù)計算，通過實測結(jié)果分析，驗證了理論的可行性。具有較強的適用性。本設(shè)計主要內(nèi)容如下：根據(jù)開關(guān)型穩(wěn)壓電源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，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等新型電源特點，設(shè)計并制作出一種輸出電壓18V，額定輸出電流0.8A的小功率開關(guān)電源。本設(shè)計的交流輸入電壓范圍是AC85V~265V，該電源能同時實現(xiàn)輸入過流保護、過壓保護等功能。主要采用TOP243Y、LTV817A、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合來完成。本設(shè)計的工作環(huán)境硬件環(huán)境：各種元器件，電路板；軟件環(huán)境：PIExpert8.0開關(guān)電源設(shè)計軟件，Protel99SE電路板設(shè)計軟件。開關(guān)電源的分類和工作原理開關(guān)電源的基本分類開關(guān)電源的分類方法有多種。按驅(qū)動方式來分，可分為自激式和它激式：自激式開關(guān)電源由開關(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)通和截止。按開關(guān)管的個數(shù)及連接方式分，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等：單端式僅用一個開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩個開關(guān)管，全橋式則采用四個開關(guān)管。按開關(guān)管的連接方式分，可分為串聯(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)在輸入電壓與輸出負(fù)載之間的，屬于降壓式（Buck）穩(wěn)壓電路，而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是與輸出負(fù)載相并聯(lián)的，屬于升壓式（Boost）電路。此外，還可分為隔離與非隔離型，調(diào)頻、調(diào)幅及兩者混合型等。單端反激式開關(guān)電源反激式開關(guān)電源的典型電路如圖2.1所示。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。反激式開關(guān)電源以主開關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器一次側(cè)線圈內(nèi)不斷儲存能量；而開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將一次側(cè)線圈內(nèi)儲存的電感能量通過整流二極管給負(fù)載供電，直到下一個脈沖到來，開始新的周期。開關(guān)電源中的高頻變壓器起著非常重要的作用：一是通過它實現(xiàn)電場-磁場-電場能量的轉(zhuǎn)換，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓；二是可以實現(xiàn)變壓器功能，通過高頻變壓器的初級繞組和多個次級繞組可以輸出多路不同的直流電壓值，為不同的電路單元提供直流電量；三是可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電源變壓器的電隔離作用，將熱地與冷地隔離，避免觸電事故，保證用戶端的安全。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11單端反激式開關(guān)電源單端反激式開關(guān)電源電路簡單，所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實現(xiàn)單路或多路輸出。并且開關(guān)管的驅(qū)動簡單，可通過改變高頻變壓器的原、副邊繞組匝數(shù)比使占空比保持在最佳范圍內(nèi)，具有較好的電壓調(diào)整率。其輸出功率為20～100W，工作頻率在20～200KHz之間，是開關(guān)電源設(shè)計中最常用的一種拓?fù)浞绞?。但是，它也有一定的缺點，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)管的峰值電流較大等。不過，這些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。本次設(shè)計采用的就是這一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,VD2也導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲存能量：當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感L通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12單端正激式開關(guān)電源在電路中還設(shè)有箝位線圈與二極管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。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，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50～200W的功率。但變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大。因此，實際應(yīng)用并不多。3.自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源自激式開關(guān)電源的典型電路如圖2.3所示。接入電源后R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1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。同時，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，這時二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在VT1截止時，L2中沒有感應(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。像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負(fù)載輸出所需的電壓。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且工作在反激狀態(tài)，具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s13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2.4所示。它屬于雙端式變換電路，使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，在外激勵方波信號的控制下交替導(dǎo)通與截止，在變壓器T次級繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸DSTYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s14推挽式開關(guān)電源這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，缺點是開關(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100～500W范圍內(nèi)。5.降壓式（Buck）開關(guān)電源降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖2.5所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，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中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，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STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s15降壓式（Buck）開關(guān)電源6.升壓式（Boost）開關(guān)電源升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖2-6所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電感L儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，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STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s16升壓式（Boost）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2.7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，電感L儲存能量，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，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出電路之間沒有絕緣隔離，統(tǒng)稱為斬波型直流變換器。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s17反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源開關(guān)電源的基本組成和原理開關(guān)穩(wěn)壓電源通常由整流濾波電路、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、基準(zhǔn)電壓、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路組成。開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖2.8所示：整流電源整流電源開關(guān)管濾波二次整流二次濾波采樣輸出比較器PWM控制基極驅(qū)動高頻變壓器MOSFET為核心為反饋采集電壓放大誤差輸入電路功率轉(zhuǎn)換輸出電路基準(zhǔn)電壓控制電路頻率振蕩發(fā)生器交流輸入直流輸出圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s18開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖首先，交流電經(jīng)輸入部分整流電路和濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電。然后，該直流電又通過功率轉(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（控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達(dá)到電壓的穩(wěn)定輸出）來實現(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，最后實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。本次設(shè)計所采用的TOP243Y芯片的就集成化的實現(xiàn)了這部分電路的功能。TOPSwitch-GX系列開關(guān)電源的特點和工作原理TOPSwitch-GX系列六端開關(guān)電源芯片的特點（1）TOPSwitch-GX內(nèi)部主要由控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、頻率抖動振蕩器、脈寬調(diào)制器、并聯(lián)調(diào)整器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差比較器、門驅(qū)動級和輸出級、高壓功率開關(guān)管（MOSFET）、偏置電路、過流保護電路，以及過壓、欠壓檢測及保護電路，過熱保護電路，上電復(fù)位電路，軟啟動電路，輕載時自動降低開關(guān)頻率電路，停止邏輯，開啟電壓為1V的電壓比較器等組成。通過高頻變壓器使輸出端電壓和電網(wǎng)實現(xiàn)隔離，使之具有體積小、效率高、安全可靠的特點。（2）輸入交流電壓范圍很寬，可以是固定230VAC±15%，或者寬范圍85~265VAC，但在寬范圍輸入情況下，最大輸入功率降低40%左右。輸入信號的頻率范圍為47~440Hz。（3）開關(guān)頻率典型值為132KHz，在輕載時可以工作在半頻工作模式，最大占空比可達(dá)80%，電源效率80%左右，最大可達(dá)到90%。（4）TOPSwitch-GX有六個引出端，它們分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設(shè)定端X、源極S、開關(guān)頻率選擇端F、漏極D。控制端C具有多項功能：①該端電壓VC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動極提供偏壓；②通過控制該端的電流來調(diào)整占空比；③作為電源支路與自動重啟動/補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進(jìn)行補償。（5）TOPSwitch通過反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。例如當(dāng)某種原因?qū)е码娫吹妮敵鲭妷篤O降低時，則將經(jīng)過光耦反饋電路使IC↓→D↑→VO↑，從而實現(xiàn)VO的穩(wěn)定。（6）能有效地降低開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）。（7）外圍電路簡單，成本低廉，外部只需要接整流濾波器、高頻變壓器、漏極箝位保護電路、反饋電路和輸出電路。這能增加電路的可靠性和降低成本。TOPSwitch系列電源的工作原理概述TOPSwitch系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖2.9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，能方便的實現(xiàn)多路輸出，開關(guān)管驅(qū)動簡單，因此本電源采用單端反激式電路。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s19單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路由圖2.9可見，高頻變壓器初級繞組NP的極性與次級繞組NS、反饋繞組NF的極性相反。在TOPSwitch導(dǎo)通時，次級整流管VD2截止，此時電能以磁能量形式存儲在初級繞組中；當(dāng)TOPSwitch截止時，VD2導(dǎo)通，能量傳輸給次級。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲、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)初級繞組加至TOPSwitch的漏極上。在功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級繞組上還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動勢)UOR，兩者疊加在直流輸入電壓上，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箝位保護電路。箝位電路由瞬態(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，變壓器的初級極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致VD1截止，因而箝位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，初級極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時尖峰電壓就被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TOPSwitch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TOP243Y的控制端電流IC，芯片內(nèi)部再根據(jù)IC的變化改變占空比D，調(diào)節(jié)開關(guān)管的開閉時間比例，改變輸出電壓。例如，某種情況下，輸出電壓UO升高，此時，反饋電路檢測得到UF增大，Ic增大，又因為TOPSwitch芯片的輸出占空比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)TOPSwitch的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。

四種反饋電路的基本類型單片開關(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2.10所示圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s110反饋電路的4種基本類型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（a）基本反饋電路，其優(yōu)點是電路簡單、成本低廉、適于制作小型化、經(jīng)濟型開關(guān)電源；其缺點是穩(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，當(dāng)UO發(fā)生波動時，在LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對UO進(jìn)行調(diào)整。由于本設(shè)計旨在針對精密開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行的設(shè)計與制作，所以選擇配TL431的光耦反饋電路。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CCM(ContinuousCurrentMode)，另一種是非連續(xù)模式DCM(DiscontinuousCurrentMode)。這兩種模式的開關(guān)電流波形分別如圖2.11所示。由圖可見，在連續(xù)模式下，一次繞組開關(guān)電源是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。在開關(guān)電流波的模式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個開關(guān)周期具有一個初始能量。采用連續(xù)模式可減小一次繞組峰值電流和有效值電流，降低芯片的功耗。但連續(xù)模式要求一次繞組電感量，這會導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用與功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。不連續(xù)模式的開關(guān)電流是從零開始上升大峰值，再降至零的，這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個開關(guān)周期內(nèi)完成釋放掉，其開關(guān)電流波呈三角形。不連續(xù)模式下的一次繞組峰值電流和有效值電流值較大，但所需要的LP較小，因此，它適用與輸出功率大的TOPSwitch芯片，配尺寸較小的高頻變壓器。本次設(shè)計采用的就是不連續(xù)模式。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s111兩種模式的開關(guān)電源電流波形電路結(jié)構(gòu)的選擇設(shè)計流程圖開始生產(chǎn)準(zhǔn)備開始生產(chǎn)準(zhǔn)備設(shè)計過程根據(jù)常規(guī)的設(shè)計要求選擇一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計變壓器導(dǎo)線規(guī)格確定半導(dǎo)體器件的型號設(shè)計輸出電壓選擇整流器與濾波電容設(shè)計驅(qū)動電路選擇控制方式和控制IC設(shè)計基本功能設(shè)計電壓反饋和交叉調(diào)整電路設(shè)計啟動電路和VCC電路根據(jù)要求設(shè)計過電壓過電流和緊急保護電路設(shè)計接口電路和功能設(shè)計需要的散熱器和熱轉(zhuǎn)移方面的考慮考慮PCB布置和結(jié)構(gòu)測試所有功能對設(shè)計進(jìn)行修改在測試室進(jìn)行測試選用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？黑箱計算變壓器設(shè)計輸出濾波器和整流器功率開關(guān)和驅(qū)動電路設(shè)計控制器設(shè)計輸出反饋設(shè)計啟動電路設(shè)計保護電路設(shè)計高層功能設(shè)計熱分析和設(shè)計實驗電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計測試與設(shè)計結(jié)果區(qū)別優(yōu)化設(shè)計EMI/RMI測試圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11設(shè)計流程圖在本設(shè)計中，由于采用了TOPSwitch智能芯片，其本身集成了保護電路、關(guān)斷電路、自動重啟電路等，并且PI公司提供了智能化的電路設(shè)計軟件，所以，在設(shè)計時可以省去上面的幾個環(huán)節(jié)，只需對芯片進(jìn)行好選型和拓?fù)溥x擇。電路拓?fù)漕愋偷倪x擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇要注意的問題（1）升壓或降壓：輸入電壓是否總比輸出電壓高或低，如果不是就不能選擇Buck變換器或Boost變換器。（2）占空比：輸入電壓和輸出電壓是否相差5倍以上，如果是，就可能要用變壓器。計算合適的占空比，不要使占空比太小或太大。（3）需要多少組輸出電壓：如果多于一組，除非再后接電壓調(diào)節(jié)器，否則就可能需要變壓器，輸出電壓組數(shù)很多時，建議用多個變換器，這樣做的結(jié)果比較理想。（4）是否需要隔離：考慮電壓的高低，如果需要隔離就需要變壓器。（5）EMI有什么要求：EMI的要求很重要，通常不采用輸入電流不連續(xù)的那些拓?fù)洌鏐uck變換器，Boost變換器，最好讓變換器工作于電流連續(xù)模式。（6）成本高低：對離線式電源來說，也可以用IGBT，否則就考慮MOSTET。（7）電源是否需要空載工作：如果電源需要空載工作，變換器就要工作于電流斷續(xù)模式，除非是同步整流。（8）是否能夠同步整流：同步整流不管負(fù)載大小如何，都可以是變換器工作于電流連續(xù)模式。（9）輸出電流的大?。喝绻敵鲭娏骱艽?，選用電壓模式要比電流模式控制好。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比分析Buck電路存在著很多限制，變換電路上只有一個電感，沒有變壓器，這就意味著輸入和輸出之間不可能有隔離。Buck變壓器只能對輸入電壓進(jìn)行降壓變換，如果輸入電壓比輸出電壓低，變換器就不能正常工作，而且Buck電路只有一路輸出，如果需要多路輸出電壓，除非愿意采用第二級電壓調(diào)節(jié)器，如接線性調(diào)節(jié)器，Buck電路就不能使用；雖然Buck電路既可以工作于電流連續(xù)狀態(tài)，又可以工作于電流斷續(xù)狀態(tài)，但是輸入電流總是斷續(xù)的，這就意味著每個周期里，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，輸入電流為零，輸入電流斷續(xù)會使EMI濾波器要比別的電路拓?fù)涓螅褺uck電路不應(yīng)用門極驅(qū)動。Boost電路一個周期時間內(nèi)，開關(guān)導(dǎo)通時，電壓加于電感上，電流以某一斜率上升，并將能量儲存在電感中，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，電流將過二極管流向輸出電容和負(fù)載。但是Boost變換器只有一個輸出電壓，無法得到多個輸出電壓，輸出電壓和輸入電壓沒有隔離，輸出電壓不能比輸入電壓低，即使完全關(guān)斷開關(guān)，輸出電壓只能等于輸入電壓（忽略二極管的導(dǎo)通壓降）。如果你需要只有一組輸出且不用隔離的電源，那么Boost變換器只需要處理只有一個繞組的電感即可。正激式變換器需要有一個最小負(fù)載，電感必須足夠大，才能保證脈動電流的峰值小于最小負(fù)載電流，否則電流就不會連續(xù)，并引起輸出電壓上升，所以正字式變壓器不能工作在空載狀態(tài)，因為無窮大的電感是不現(xiàn)實的。正激式變換器的變壓器不能存儲能量，因此不像反激式變換器那樣有功率上的限制，變換器只有一個電感，用來平滑輸出電容上的電流，正激式變換器可以做到500W甚至更大，這對MOSFET的要求比較高。反激式變換器，開關(guān)導(dǎo)通時，能量存儲于變壓器原邊的電感中，注意變壓器的同名端，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，漏極電壓要高于輸入電壓，變壓器副邊電壓高于地，使二極管導(dǎo)通，向輸出電容和負(fù)載提供電源。反激式變化器可以在變壓器副邊有多少個繞組，方便地輸出多組電壓。各個輸出電壓和原邊隔離，而且各組輸出電壓可以任意大小，僅僅通過調(diào)節(jié)器的變比就能實現(xiàn)。這種電阻可以工作于電流模式，也可以工作于電流斷續(xù)模式，而且反激式變換器最常見的工作模式是電流斷續(xù)模式。本設(shè)計的開關(guān)電源的輸入是我們所用的日常的交流電，而輸出的電壓是18V，輸出的最高電流是0.8A。因為Buck變化器和Boost變化器是不用變壓器的，是非隔離式的，而且都是針對小功率的，只能單方面的升壓或降壓，且不能多路輸出，調(diào)試上不出現(xiàn)問題，但考慮到盡量縮小電源體積帶來的EMI的高要求和隔離電源的目標(biāo)，所以不采用Buck變化器和Boost變換器。正激電路的優(yōu)點很多，但是正激變換器的變壓器是不能夠存儲能量的，雖然沒有功率上限，但是正激電路多采用雙正激開關(guān)電路用在較大的功率場合，而且對于要求嚴(yán)格的MOSFET管，以現(xiàn)有的條件限制無法滿足。從實驗室現(xiàn)有的材料，我準(zhǔn)備采用輸出功率更大、設(shè)計靈活性更強、高效節(jié)能的集成電源芯片。綜合上述因素與設(shè)計目標(biāo)，以及采購芯片的因素，最終選擇了以TOP243Y作為核心制作反激式開關(guān)電源。開關(guān)電源中的器件介紹TOP243Y開關(guān)電源芯片TOPSwitch-GX系列芯片TOPSwitch-GX系列是美國PowerIntegrations公司繼TOPSwitch-FX之后，于2000年底新推出的第四代單片開關(guān)電源集成電路，它是三端離線式PWM開關(guān)的英文縮寫（ThreeTerminalOffLinePWMSwitch）被譽為“頂級開關(guān)電源”并將作為主流產(chǎn)品加以推廣。下面闡述TOPSwitch-GX系列芯片的性能特點、產(chǎn)品分類和工作原理。1.性能特點（1）該系列產(chǎn)品除具備TOPSwitch-FX系列的全部優(yōu)點之外，還將最大輸出功率從75W擴展到250W，適合構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開關(guān)電源。（2）采用TO-220-7C封裝的TOP242～TOP249產(chǎn)品，新增加了線路檢測端（L）和從外部設(shè)定極限電流端（X）這兩個引腳，用來代替TOPSwitch-FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加靈活、方便。（3）將開關(guān)頻率提高到132kHz，這有助于減小高頻變壓器及整個開關(guān)電源的體積。（4）當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時，能自動將開關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz（半頻模式下則由66kHz降至15kHz），可降低開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率。（5）采用了被稱作EcoSmart的節(jié)能新技術(shù)，顯著降低了在遠(yuǎn)程通／斷模式下芯片的功耗，當(dāng)輸入交流電壓是230V時，芯片功耗僅為160mW。2.產(chǎn)品分類根據(jù)封裝形式和最大連續(xù)輸出功率的不同，TOPSwitch-GX系列可劃分成三大類、共14種型號，詳見表4.1。型號中的后綴P、G、Y分別表示DIP-8B、SMD-8B、TO-220-7C封裝。表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11TOPSwitch-GX的產(chǎn)品分類及最大連續(xù)輸出功率產(chǎn)品型號固定交流輸入（110/115V/230V±15％）寬范圍交流輸入（85V～265V）密封式電源模塊敞開式電源密封式電源模塊敞開式電源TOP242P/G9W15W6.5W10WTOP242Y10W22W7W14WTOP243P/G13W25W9W15WTOP243Y20W45W15W30WTOP244P/G16W30W11W20WTOP244Y30W65W20W45WTOP245Y40W85W26W60WTOP246Y60W125W40W90WTOP247Y85W165W55W125WTOP248Y105W205W70W155WTOP249Y120W250W80W180W3.TOPSwitch-GX的引腳功能TOPSwitch-GX的引腳排列如圖4.1所示。其中，TO-220-7C封裝有6個引出端，它們分別是控制端C，線路檢測端L，極限電流設(shè)定端X，源極S，開關(guān)頻率選擇端F，漏極D。漏極(D)引腳：高壓功率MOSFET的漏極輸出。通過內(nèi)部的開關(guān)高壓電流源提供啟動偏置電流。漏極電流的內(nèi)部流限檢測點?？刂?C)引腳：誤差放大器及反饋電流的輸入腳，用于占空比控制。與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器相連接，提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流。也用作電源旁路和自動重啟動／補償電容的連接點。線電壓檢測(L)引腳：(僅限Y、R或F封裝)過壓(OV)、欠壓(UV)、降低DCMAX的線電壓前饋、遠(yuǎn)程開／關(guān)和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。外部流限(X)引腳：(僅限Y、R或F封裝)外部流限調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程開／關(guān)控制和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。頻率(F)引腳：(僅限Y、R或F封裝)選擇開關(guān)頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開關(guān)頻率為132kHz，連接到控制引腳則開關(guān)頻率為66kHz。P和G封裝只能以132kHz開關(guān)頻率工作。源極(S)引腳：這個引腳是功率MOSFET的源極連接點，用于高壓功率的回路。它也是初級控制電路的公共點及參考點。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11TOPSwitch-GX的引腳排列3.TOPSwitch-GX的工作原理采用Y封裝的TOPSwitch-GX系列產(chǎn)品，其內(nèi)部框圖如圖2所示。電路主要由18部分組成：（1）控制電壓源；（2）帶隙基準(zhǔn)電壓源；（3）頻率抖動振蕩器；（4）并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；（5）脈寬調(diào)制器（含PWM比較器和觸發(fā)器）；（6）過流保護電路；（7）門驅(qū)動級和輸出級；（8）具有滯后特性的過熱保護電路；（9）關(guān)斷／自動重起動電路；圖STYLEREF1\s4.2TOPSwitch-GX的內(nèi)部框圖（10）高壓電流源；（11）軟起動電路；（12）欠壓比較器；（13）電流極限比較器；（14）線路比較器；（15）線路檢測端和極限電流設(shè)定端的內(nèi)部電路；（16）輕載時自動降低開關(guān)頻率的電路；（17）停止邏輯；（18）開啟電壓為1V的電壓比較器。它與TOPSwitch-FX的主要區(qū)別為：新增加了第（16）、（17）、（18）項單元電路；給電流極限調(diào)節(jié)器也增加了軟起動輸出端；將頻率抖動振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)頻率提升到132kHz（全頻模式）或66kHz（半頻模式）；給頻率抖動振蕩器增加了一個“停止邏輯”（STOPLOGIC）電路，使之工作更為可靠。TOPSwitch-GX的工作原理仍然是利用反饋電流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VO降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC減小，占空比則增大，輸出電壓隨之升高，最終使VO維持不變。4.內(nèi)部極限電流與外部可編程極限電流TOPSwitch-GX的漏極極限電流，既可由內(nèi)部設(shè)定，亦可從外部設(shè)定。這是它與TOPSwitch-Ⅱ的另一顯著區(qū)別。其內(nèi)部自保護極限電流ILIMIT的最小值、典型值和最大值見表4.2，測試條件為芯片結(jié)溫TJ=25℃。ILIMIT會隨環(huán)境溫度的升高而增大。TOPSwitch-GX在每個開關(guān)周期內(nèi)都要檢測MOSFET漏-源極導(dǎo)通電阻RDS(ON)上的漏極峰值電流ID(PK)。當(dāng)ID(PK)>ILIMIT時，過流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動級，將MOSFET關(guān)斷，起到過流保護作用。將TOPSwitch-GX與TOPSwitch-Ⅱ進(jìn)行比較后不難發(fā)現(xiàn)，TOPSwitch-GX的極限電流容許偏差要小得多。例如TOP223P/Y的容差為1.00±0.1A，相對偏差達(dá)(±0.1/1.00)×100％=±10％。而TOP244P/G的容差為1.00±0.07A，相對偏差減小到(±0.07/1.00)×100％=±7％。這表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y來設(shè)計開關(guān)電源時，由于TOP244P/G不需要留出過多的極限電流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitch-Ⅱ僅為67％），因此在相同的輸入功率／輸出電壓條件下，TOPSwitch-GX要比同類TOPSwitch-Ⅱ的輸出功率高出10％～15％，并且還能降低外圍元件的成本。為方便用戶使用，也可從外部通過改變極限電流設(shè)定端（X）的流出電流IX（用負(fù)值表示，單位是μA），來設(shè)定極限電流I′LIMIT值。I′LIMIT的設(shè)定范圍是（30％～100％）·ILIMIT。表STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s12內(nèi)部自保護極限電流值TOPSwitch-GX系列產(chǎn)品型號極限電流ILIMIT（A）最小值典型值最大值TOP242P/G/Y0.4180.450.481TOP243P/G0.6970.750.802TOP243Y0.8370.900.963TOP244P/G0.9301.001.070TOP244Y1.2561.351.445TOP245Y1.6741.801.926TOP246Y2.5112.702.889TOP247Y3.3483.603.852TOP248Y4.1854.504.815TOP249Y5.0225.405.778TOP243Y參數(shù)由參考文獻(xiàn)可知，在寬電壓范圍輸入（85-265VAC）時，由芯片TOP243Y構(gòu)成的反激式電源的輸出功率可達(dá)30W，符合設(shè)計要求。芯片TOP243Y的主要參數(shù)為：工作頻率f=132kHz；最大占空比Dmax=78%；最大允許電流ILIMIT=0.963A；內(nèi)部MOSFET開關(guān)管的最大阻斷電壓Vbdss=700V。TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器本設(shè)計的基準(zhǔn)電壓采用常用的三端穩(wěn)壓器TL431來完成。在反饋電路的應(yīng)用中運用采樣電壓通過TL431限壓，再通過光電耦合器LTV817A把電壓反饋到TOP243Y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，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)0.1~100mA，動態(tài)電阻典型值為0.22Ω，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2.5～30V。TL431是由美國德州儀器（TI）和摩托羅拉公司生產(chǎn)的2.5~36V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其性能優(yōu)良，價格低廉，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4.3所示。圖中，A為陽極，使用時需接地；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，外接電阻分壓器；NC為空腳。（a）TO-92封裝（b）DIP-8封裝圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s13TL431的封裝和符號TL431的等效電路如圖4.4所示，主要包括：①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)計的UREF=Uref，UREF通常狀態(tài)下為2.5V，因此也稱為基準(zhǔn)端；②內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓源Uref；③NPN型晶體管VT，它在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用；④保護二極管VD，可防止因K-A間電源極性接反而損壞芯片。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s14TL431等效電路TL431的基本接線和電路圖形符號如圖4.5所示。R3是IKA的限流電阻。其穩(wěn)壓原理為：當(dāng)UO上升時，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導(dǎo)通，UO開始下降。反之，UO下降會導(dǎo)致UREF下降，從而UREF<Uref，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。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s15TL431的基本接線圖和電路圖形符號在本設(shè)計中就是利用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)生波動時，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，再通過光耦去改變TOP243Y控制C端電流的大小，調(diào)節(jié)TOP243Y的輸出占空比，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。LTV817A型光電耦合器圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s16LTV817A光耦內(nèi)部原理圖光電耦合器（OpticalCoupler，OC）也叫光電隔離器（OpticalIsolation，OI），簡稱光耦。圖4.6是LTV817A的內(nèi)部原理圖。它是一種以紅外光進(jìn)行信號傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實際上是一只發(fā)光二極管，受輸入電流控制，發(fā)出不同強度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。它的光——電反應(yīng)也是隨著光的強弱改變而變化的。這就實現(xiàn)了“電——光——電”功能轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號傳遞。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向信號傳輸，輸入端和輸出端完全實現(xiàn)了隔離。不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強的抗干擾能力。因為它是一種發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小?？蓮V泛用于級間耦合、信號傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋回路，通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓。達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。電力二極管電力二極管可分為普通二極管,快恢復(fù)二極管,肖特基二極管三種。普通二極管(GeneralPurposeDiode)普通二極管又稱為整流二極管（RectifierDiode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。本設(shè)計中在整流橋部分采用1N4007（額定電流1A）?？旎謴?fù)二極管（FRD）快恢復(fù)二極管是恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管，簡稱為快速二極管?？焖俣O管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的PIN結(jié)構(gòu)。采用外延型PIN結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)外延二極管(FastRecoveryEpitaxialDiodes，F(xiàn)RED)，其反向恢復(fù)時間更短(可低于50ns），正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在400V以下?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級，前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，有的甚至達(dá)到20~30ns。本設(shè)計中在箝位電路中，用FR106(額定電流1A，恢復(fù)時間250ns）做箝位阻斷二極管，在偏置電路中，用MUR110（額定電流1A，恢復(fù)時間30ns）做偏置二極管。肖特基二極管（SBD）以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管(SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點很多，主要是：反向恢復(fù)時間很短(10~40ns)，正向恢復(fù)過程中不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的不足之處是：當(dāng)反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。本設(shè)計中在輸出端采用SB1100（額定電流1A）整流，在箝位電路中用P6KE200A做瞬態(tài)電壓抑制二極管。共模電感圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s17共模電感共模電感(CommonmodeChoke)，也叫共模扼流圈，常用于電腦的開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號。在板卡設(shè)計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。由于本次設(shè)計的開關(guān)電源頻率達(dá)到132KHz，所以也在線路中用到了共模電感，如圖4.7。共模電感實質(zhì)上是一個雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。圖4.7中可以明顯看到兩個線圈，這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。高頻隔離變壓器EE19開關(guān)電源中的高頻變壓器起著非常重要的作用：一是通過它實現(xiàn)電場-磁場-電場能量的轉(zhuǎn)換，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓；二是可以實現(xiàn)變壓器功能，通過高頻變壓器的初級繞組和多個次級繞組可以輸出多路不同的直流電壓值，為不同的電路單元提供直流電量；三是可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電源變壓器的電隔離作用，將熱地與冷地隔離，避免觸電事故，保證用戶端的安全?？紤]到變壓器對漏磁及繞制工藝的嚴(yán)格要求，我決定先用PI公司提供的設(shè)計軟件PIExpert直接生成高頻隔離變壓器的具體參數(shù)及繞制說明，然后交由專業(yè)變壓器生產(chǎn)廠訂做。變壓器磁芯、骨架“EE19”是指變壓器磁芯的形狀為兩個“E”形，長度為19mm，如圖4.8所示。除了EE形，常見的磁芯形狀還有EI形、EEL形等。骨架通常是有固定規(guī)格的，可以裝配不同尺寸的磁芯，所以根據(jù)磁芯的形狀和尺寸就可以確定唯一的變壓器。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s18EE19變壓器磁芯圖4.9是本設(shè)計采用的EE19變壓器的骨架三視圖，根據(jù)該圖來確定引腳的距離，為最后繪制PCB圖、制板提供方便。骨架上下兩面各有一個凹槽，用來嵌入EE磁芯或者EI磁芯。以EE磁芯為例，兩磁芯相對插入骨架中，即構(gòu)成一個閉合的磁通回路。骨架也有不同規(guī)格，以適應(yīng)不同大小的磁芯。本設(shè)計中采用的骨架如圖4.10所示。凸點和倒角所對應(yīng)的引腳為1號，俯視逆時針順序依次為1-10號引腳。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s19EE19變壓器骨架三視圖圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s110EE19變壓器骨架變壓器線圈繞制方法圖4.11為變壓器的電特性原理圖，圖4.12為繞線的結(jié)構(gòu)圖，其中實心圈指進(jìn)線，空心圈指出線。參照這兩幅圖在變壓器骨架上繞制線圈。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s111EE19變壓器的電特性原理圖圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s112變壓器繞制結(jié)構(gòu)圖如圖所示，變壓器共有三組線圈，分別為1-2組、3-4組、5-6組（1-6分別代表骨架上1-6號引腳），三組繞制方法不同：（1）1-2組①1-2側(cè)為初級繞組（Pri），單線繞制，逆時針方向，2號引腳進(jìn)線，1號引腳出線，在骨架中柱上繞55圈（55T），磁線直徑為30AWG。②55圈較多，需要繞兩圈，第一圈從低到高緊密排列，第二圈從高向低繞，盡量均勻地分布。③繞制完畢后加1層絕緣膠帶以進(jìn)行絕緣。（2）3-4組①3-4側(cè)為偏置繞組（Bias），雙線繞制，逆時針，4進(jìn)3出，在1-2繞線絕緣膠帶上繞7圈（7T），磁線為25AWG。②7圈要均勻分布，從低到高繞制。③繞制完畢后加3層絕緣膠帶進(jìn)行絕緣。（3）5-6組①5-6側(cè)為次級繞組，輸出18V。單線，逆時針，6進(jìn)5出，在3-4繞線絕緣膠帶上繞9圈，磁線為三層絕緣線（T.I.W），線粗為25AWG。②9圈均勻分布，從低到高繞制。③繞制完畢后加2層絕緣膠帶進(jìn)行絕緣。（“AWG”指“美國線規(guī)”，是變壓器繞線直徑的單位?！癟.I.W”為“三層絕緣線”，是一種高性能絕緣導(dǎo)線，絕緣強度高，繞制的線圈電流密度大。）變壓器的裝配、浸漬繞制完成后，將EE磁芯相對裝入骨架中，粘接固定好，在外側(cè)用絕緣膠帶固定，最后用絕緣漆浸漬，完成制作。圖4.13為制作完成的EE19變壓器。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s113EE19高頻隔離變壓器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)以TOP243Y為核心，設(shè)計一款反激式開關(guān)電源，要求達(dá)到：（1）交流輸入電壓UI：AC85V~265V（2）電網(wǎng)頻率：50Hz；（3）開關(guān)電源頻率：132Hz；（4）輸出直流電壓UO：18V；（5）輸出額定電流Io：0.8A；（6）額定輸出功率Po：14.4W；（7）負(fù)載調(diào)整率：-4%~+4%（17.28~18.72V）；（8）電源效率：>80%；主要子電路設(shè)計輸入級和EMI濾波部分輸入級和EMI濾波部分包括輸入整流、直流濾波和EMI濾波三部分。輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時也防止開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾。L1為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閾值的整流橋。輸入濾波電容C1、C2的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對于寬范圍輸入的開關(guān)電源，C1、C2的容量可按比例系數(shù)來選??；固定輸入時，比例系數(shù)變成1：1。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。如圖5.1，交流電壓經(jīng)D1、D2、D3、D4構(gòu)成的整流橋整流為310V脈動直流電壓（當(dāng)輸入為220V時），后經(jīng)C1和L1、L1和C2構(gòu)成兩次濾波（L1為共模電感）。EMI濾波方面，共模電感L1和高頻隔離變壓器原副邊上并聯(lián)的電容C5都起到了濾除電磁干擾的作用，C1、C2起到仰制正態(tài)噪聲的作用。圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s11輸入級和EMI濾波部分圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s12變壓器兩邊的濾波電容C5由PIExpert計算得，圖5.1、圖5.2中：F1：限流1A的保險管；D1、D2、D3、D4：1N4007二極管；L1：6mH共模電感；C1、C2：18μF、400V電容；C5：2.2nF、250V電容。功率轉(zhuǎn)換電路部分功率轉(zhuǎn)換電路分為反激式電路拓?fù)?、高頻隔離變壓器、箝位保護電路三部分。反激式電路拓?fù)淙鐖D5.3所示，是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，變壓器T初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。反激式開關(guān)電源以主開關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器一次側(cè)線圈內(nèi)不斷儲存能量；而開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將一次側(cè)線圈內(nèi)儲存的電感能量通過整流二極管給負(fù)載供電，直到下一個脈沖到來，開始新的周期。圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s13反激式電源拓?fù)涓哳l隔離變壓器在開關(guān)電源起著非常重要的作用，它在電路中實現(xiàn)了電場-磁場-電場能量的轉(zhuǎn)換，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓；它也實現(xiàn)了變壓器功能，通過高頻變壓器的初級繞組和次級繞組可以輸出直流電壓值，為負(fù)載提供直流電量；最后它實現(xiàn)了電氣隔離，將高低壓側(cè)隔離開來，將熱地與冷地隔離，避免觸電事故，保證用戶端的安全。圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s14高頻隔離變壓器EE19箝位保護電路如圖5.5，是指在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，而且在初級繞組上還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動勢)UOR，兩者疊加在直流輸入電壓上，加至內(nèi)部功率開關(guān)管的漏極上，因此必須在漏極增加箝位保護電路。箝位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管TVS和阻塞二極管DB組成，DB宜采用超快恢復(fù)二極管。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器的初級極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致DB截止，因而箝位電路不起作用。在開關(guān)管截止瞬間，初級極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時尖峰電壓就被TVS吸收掉。圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s15箝位保護電路圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s16反激式變換電路由PIExpert計算得，圖5.6中：VR1：肖特基二極管P6KE200A，作瞬態(tài)電壓抑制二極管；D5：快恢復(fù)二極管FR106，作箝位阻斷二極管；T1：EE19高頻隔離變壓器。偏置電路從變壓器副邊取電壓，為光耦中的發(fā)光二級管和TOP243Y中的開關(guān)管提供工作點和工作電壓。其中，偏置電壓為12V。圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s17偏置電路由PIExpert電路得，圖5.7中：D6：快恢復(fù)二極管MUR110，作偏置二極管；C7：1μF、50V電容，作偏執(zhí)電容。輸出電路輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容、電感構(gòu)成，輸出整流二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一，是影響開關(guān)電源效率的主要因素。肖特基二極管是近年來問世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件，由于其反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流可達(dá)到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無法比擬的。因此適合作為開關(guān)電源中的低壓整流管，且具有提高效率的功能。如圖5.8所示，D7為整流二極管，C