1、扌商要：電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電 子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠工作。目前，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)制造的相控 穩(wěn)壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。 本設(shè)計(jì)的單端正激式開關(guān)電源是一種間接直流變流技術(shù)，本設(shè)計(jì)以正激 電路為主體，采用以TOPSwitch系列開關(guān)電源集成芯片T0P244Y為核心的 脈寬調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)交-直-交-直變流，輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的直流電。 關(guān)鍵詞開關(guān)電源；正激電路；變壓器；脈寬調(diào)制； ABSTRACT Power i s an indispensable part of eIectronic

2、 equ i pment, its performance d i rectly re Iated to eIectron i c equ i pment technicaI indicators and safe work can. At present, switching power suppIy for has the advantages of smaI I s i ze, I i ght we i ght, h i gh eff i c i ency, Iow calorific vaIue and stabIe performsnee advantages and rep I a

3、ce trad it i onal technoIogy of phased manostat, and widely used i n eIectronic equipment. The des ign of the single straight separate-excited switch ing power suppIy is a kind of indi rect de converter technoIogy, thi s des i gn was adopted for the ma i n c i rcu i t, i nduced by TOPSwitch ser ies

4、of switch power integration chip T0P244Y as the core of the puIse width moduI ation ci rcuit i mpIementation de I i vered straight into the voltage output var iabIe fIow straight, de frequency stab i I ity. KEY WORDS Switching power supply； Is induced ci rcuit； Transformer； PuIse width moduI ation -

5、S-Z- 刖s 1開關(guān)電源的發(fā)展及趨勢(shì) 開關(guān)電源的發(fā)展歷史3. 12開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)3 2.開關(guān)電源概念及基本原理4. 2. 1開關(guān)電源概念 5. 2. 1. 1基 本概念 5. 2. 1.2開 關(guān)電源通常由六大部分組成 5. 2. 2開關(guān)電源各部分電路基本原理 5. 2. 2. 1脈 寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理5. 2. 2.2TO PSwitchGX 系列 T0P244Y 芯片6. 2. 2.3單 相二極管整流橋 7. 2. 2.4緩 沖電路（吸收電路） 8. 2. 2.5正 激電路 9 開 路 寸 計(jì) 2.2.6 關(guān) 電 源 中 的 1. . 1 3.開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì) 1. .3

6、3. 1確定磁心 1. . 3. 3.2正 激 式 變 壓 1. .5 3 2 1變 壓器匝數(shù)比的確定 1. .6 3.3變壓器的繞線技術(shù) 1. . 7 3.3. 1 繞 組 1. .7 3.3.2 符 合 安 全 規(guī) 程 低 漏 感 的 繞 制 方 法 1. .8 3. 3. 3 變 壓器 緊 密 耦合的 繞 制方 法 1. .9 單 端 正 激 式開 關(guān)電源 主電 路設(shè) 計(jì) 2. .2 4.1輸 入 電路 設(shè) 計(jì) 2. .2. 4.2正 激 電 路 的 設(shè) 計(jì) 2. .2. 4. 2. 1 復(fù) 位 電 路 2. .2. 4. 2. 2 導(dǎo) 向電 路 和續(xù) 流 電 路 2. .3 4. 2.

7、 3 抑 制 阻 尼 振 蕩 電 路 2. .3 4.3正 激 變 壓 器 設(shè) 計(jì) 2. . 3. 4.4輸 出 電 路 的 設(shè) 計(jì) 2. . 3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2. .4. 5. 1空 載 試 驗(yàn) 2. .4. 5.2帶 金 屬 負(fù) 載 試 驗(yàn) 2. .5. 4) TOPSwitch 漏源極之間電壓Uds波形為. .2. 5.3試 驗(yàn) 過(guò) 程出 現(xiàn) 的 問(wèn) 題 及解 決 4. 5. 5 2. .5 2. 7. 參考文獻(xiàn) 2. 7 11 刖吞 本課題主要是研究基于TOPSwitchGX系列芯片T0P244Y構(gòu)成的，以 脈寬調(diào)制PWM為控制方式的高頻單端正激式開關(guān)電源。本人負(fù)責(zé)主電路的設(shè) 計(jì)。電源

8、是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子 設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠工作。目前，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)制造的相控穩(wěn) 壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。 本設(shè)計(jì)的主要目的是將電網(wǎng)電壓（市電），經(jīng)濾波后進(jìn)入單相二極管整 流橋，再經(jīng)大電容濾波得到直流高壓，通過(guò)PWM控制，在正激變換器的變 壓器二次側(cè)得到高頻矩形波電壓，再經(jīng)濾波得到平穩(wěn)的直流輸出；輸出電壓 為12V ,輸出功率約為30W。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求和給定的條件，分析單端正激式開關(guān)電源是由哪幾 部分電路組成, 主電路包括哪些部分。 在大量查閱了有關(guān)開關(guān)電源資料上 的

9、基礎(chǔ)之上 選擇相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)。在主電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要克服的難 點(diǎn)是正激式變化器的設(shè)計(jì)和電路中元器件參數(shù)計(jì)算，尤其是變壓器的磁心尺 寸選取、變壓器的繞制方法?；诶碚撍胶蜁r(shí)間的局限，并請(qǐng)教指導(dǎo)老 師、已畢業(yè)在外從事開關(guān)電源 研究開發(fā)的師兄，在本設(shè)計(jì)中有些元器件參數(shù) 采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法。 1. 開關(guān)電源的發(fā)展及趨勢(shì) 1.1開關(guān)電源的發(fā)展歷史 開關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。早期產(chǎn)品的開關(guān)頻率很低，成本昂貴， 僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)過(guò)晶閘管相位控制式開關(guān) 電源，70年代由分立元件制成的各種開關(guān)電源，均因效率不夠高、開關(guān)頻率 低、電路 復(fù)雜調(diào)試?yán)щy而難于推廣，使之應(yīng)受到限制。7

10、0年代后期以 來(lái)，隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開關(guān)電源專用芯片大量面 世，這種新型節(jié)能電源才重獲發(fā)展。目前，開關(guān)頻率已從20KHz左右提高 到幾百千赫茲至幾兆赫茲。與此同時(shí)，供開關(guān)電源使用的元器件也獲得長(zhǎng)足 發(fā)展。M0S功率開關(guān)管(M0SFET)肖特基二極管(SRD)、瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)、壓敏電阻器(VSR)、熔斷器電阻器(FR)、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲 (RF)、線性光耦合器、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL431)、電磁干擾濾波 器(EMI Filter )、高導(dǎo)磁率磁性材料等一大批新型器件、新材料正在被 廣泛采用。所以這些，都為開關(guān)電源的推廣與普及提供了必要條件 1.2開關(guān)電源的發(fā)展趨

11、勢(shì) 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)用予以電子計(jì)算 機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中。而隨著近些年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷 發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速的發(fā)展，具體的發(fā)展趨勢(shì)可 以總結(jié)為以下幾個(gè)方面： (1) 高頻化 開關(guān)頻率的提高有利于開關(guān)電源的體積減小，重量減輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到 改善。早期開關(guān)電源的頻率僅為幾千赫茲，隨著電力電子器件及磁性材料性 能的不斷改進(jìn)，開關(guān)頻率漸漸地提高。在這個(gè)過(guò)程中，IGBT的出現(xiàn)，使得 開關(guān)電源的容量不斷增大，在許多中等容量范圍內(nèi)，迅速取代了晶閘管相控 電源。并且，IGBT的開關(guān)速度很高，通態(tài)壓降低。但是，隨著開關(guān)頻率的提 高，電源的電磁干擾

12、問(wèn)題也變得突出起來(lái)。如何在提高開關(guān)頻率的情況下， 最大限度的減少電磁干擾對(duì)電源的影響，是一個(gè)擺在科研工作者面前的急需 解決的問(wèn)題。 (2) 非隔離DC/DC技術(shù) 近年來(lái)，非隔離IX； / DC技術(shù)發(fā)展迅速。它們基本上可以分成兩大類。一 類在內(nèi)部含有功率開關(guān)元件，稱DC/ IX ；轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開關(guān)， 需要外接功率MOSFET,稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的 STEP-DOWN、升壓的BOOST,還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以 及正壓轉(zhuǎn)成負(fù)壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的 STEP-DOWNo根據(jù)輸出電流的大小，分為單相 兩

13、相及多相?？刂品绞缴弦?PWM為主，少部分為PFM。目前一套電子設(shè)備或電子系統(tǒng)由于負(fù)載不同，會(huì) 要求電源系統(tǒng)提供多個(gè)電壓擋級(jí)。如臺(tái)式PC機(jī)就要求有+12 V、+5 V、 +3. 3 V、-12 V四種電壓以及待機(jī)的+5 V電壓，主機(jī)板上則需要2. 5 V、8 V、5 V甚至1 V等。一套AC /DC中不可能給出這樣多的電壓 輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/ DCo (3) 數(shù)字化 高頻開關(guān)電源的另一發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化。過(guò)去在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中, 控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作的。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展成熟， 其優(yōu)點(diǎn)明顯便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減

14、小雜散信 號(hào)的干擾，提高抗干擾能力、便于軟件包的調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)，也便于 自診斷 容錯(cuò)等技術(shù)的植入等。這類電源大體上包括兩個(gè)部分，即硬件和 軟件。其中，硬件部分包括PWM的邏輯部分、時(shí)鐘 放大器環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn) 換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理、驅(qū)動(dòng)、同步整流的檢測(cè)和處理等。而在軟件方 面可以通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM和PFC的數(shù)字式 控制。因此，數(shù)字化是除了上 述的三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)之外，開關(guān)電源同一些新興技術(shù)結(jié)合方面的內(nèi)容也 成為大家研究的方向，比如軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù) 低輸出電壓 技術(shù)、設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)、模塊化技術(shù)等5 2. 開關(guān)電源概念及基本原理 2. 1開關(guān)電源概念 2. 1. 1基本概念

15、凡是用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另外一形態(tài) 的主電路叫做開關(guān)變換器電路；在轉(zhuǎn)變時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)定輸出并有各種保 護(hù)環(huán)節(jié)的 電路，稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源是進(jìn)行AC/DC、DC/DC、DC/AC功 率變換的裝置。這些變換由主回路和控制回路兩大部分完成。主回路將輸入 的交流電傳遞給負(fù)載，它決定開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式，變換要求，功率大小， 負(fù)載能力等。控制回路按輸入 輸出的條件來(lái)檢測(cè)、控制回路的工作狀況。 2.1.2開關(guān)電源通常由六大部分組成 圖2-1開關(guān)電源工作原理框圖g 2. 2開關(guān)電源各部分電路基本原理 2. 2. 1脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理如圖

16、 2-2所示。交流220V輸入電壓經(jīng)過(guò)整 流濾波后變成直流電壓yl,再由功率開關(guān)管VT（或MOSFET）斬波、高頻變 壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過(guò)輸出整流濾波器VD、C2,獲 得所需要的直流輸出電壓Uo脈寬調(diào)制器是這類開關(guān)電源的核心，它能產(chǎn)生 頻率固定而 脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的 高低，達(dá)到耕壓目的。鋸齒波發(fā)牛器提供時(shí)鐘信早。利用誤勞放大器和 PWM比較器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。假如由于某種原因致使Uo下降，脈寬調(diào)制 器就改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即改變占空比D,使斬波后的平均值電壓 升高，導(dǎo)致Uo升高。s j 圖2-2脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原

17、理 2. 2. 2 TOPSwitchGX 系列 T0P244Y 芯片 TOPSwitchGX的引腳排列如圖2-3所示。封裝有6個(gè)引山端，它們 分別是控制端C,線路檢測(cè)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Do利用線路檢測(cè)端（L）可實(shí)現(xiàn)5種功能：過(guò)電壓（0V）保 護(hù)；欠電壓（uv）保護(hù)；電壓前饋（當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)用來(lái)降低最大占空 比）;遠(yuǎn)程通/斷（ON /OFF）和同 步。而利用極限電流設(shè)定瑞（X）,可從 外部設(shè)定芯片的極限電流% 圖2-3 TOPSwitch GX的引腳排 2. 2. 3單相二極管整流橋 當(dāng)輸入電壓U2為交流電時(shí)，經(jīng)二極管整流橋之后即可得到脈動(dòng)連續(xù)的直 流

18、電源Uo,如所示圖2-3和圖2-4為單相橋式整流電路接電阻負(fù)載時(shí)的 電路和波形。 圖2-3單相橋式整流電路（電阻負(fù)載） 圖2-4單相橋式整流電路電阻負(fù)載波形 2.2.4緩沖電路（吸收電路） 緩沖電路又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)壓、 du/dtV 或者過(guò)電流和di/dt ,減小器件的開關(guān)損耗。 緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為 du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt, 減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通 時(shí)的電流過(guò)沖和di/dt,減小開通損耗。 另一種分類方法：緩沖電路中儲(chǔ)能元件能量

19、如果消耗在其吸收電阻上， 則稱其為耗能式緩沖電路；如果緩沖電能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或 電源，則稱其為饋能式緩沖電路，或稱為無(wú)損吸收電路。 如無(wú)特別說(shuō)明，通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路叫 做di/dt抑制電路。圖3-5給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電 路圖和開關(guān)過(guò)程集電極電壓Uce和集電極電流ic的波形，其中虛線表示 無(wú)di/dt抑制電路和緩沖電 路時(shí)的波形4 圖2-5 di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形 2.2.5正激電路正激電路包含多種不同的拓?fù)?，典型的開關(guān)正激及其工作波 形分別如圖2-6 和圖2-7 圖2-7正激電路的理想化波 、正激電路的

20、工作過(guò)程 圖2-6中開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其 耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷 態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)；S關(guān)斷后，電感L通過(guò)VD2續(xù)流，VD1關(guān) 斷。變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電 壓為 Ni us (1 )U i( 2. 1) N3 二、變壓器的磁心復(fù)位圖2-6中開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開 始，隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必 須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到 下一次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過(guò)程稱為變壓器的磁心復(fù)位。在正激 電路中，變壓器的繞組W3和二極管

21、VD3組成復(fù)位電路。工作原理是開關(guān)S 關(guān)斷后，變壓器勵(lì)磁電流通過(guò)W3繞組和VD3留回電源，并逐漸線性的下降 為零。變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為 (2.2) 如圖2-8和圖2-9所示為磁心復(fù)位過(guò)程 H 圖2-9正激式變壓 器輸出電壓 u o 2 lon D輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下有U N2 Tn ( 2.3) N2 2) 輸出電感電流不連續(xù)時(shí)有Uo? Ui (2.4) 2. 2. 6開關(guān)電源中的濾波電路 在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，輸出直流電壓的濾波電 路，和其他形式的電電源中的濾波電路沒(méi)什么大的區(qū)別，也是由電容器、電 感器和二極管等電子元件所組成的，由電子元件組成的濾波電路，叫做“濾 波器” ”,o 一、

22、電容濾波電路 電容濾波電路如圖2-10所示 圖2-10橋式整流電容濾波電路 整流電路接入濾波電容后，不僅使輸出電壓變得平滑、紋波顯著減小， 同時(shí) 輸出電壓的平均值也增大了。輸出電壓的平均值近似為： Uo 1.2U2(2.5) 二、DLC型濾波電路 DLC型濾波電路的負(fù)載特性比較好，即外特性比較硬。在脈寬式開關(guān)穩(wěn)壓 電源中，輸出直流電壓的濾波器，必須使用DLC型濾波器。圖2-11是DLC 型濾波電路在Zeta斬波電路中的應(yīng)用。 圖2-11 Zeta斬波電路中的DLC型濾波電路 在脈寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源中，輸出直流電壓Vo的濾波器如果使用CLC 型，其輸出直流電壓Vo的高低，不受脈沖寬度變化控制，因?yàn)?/p>

23、輸出直流電 壓Vo高低不會(huì)有所改變，沒(méi)有穩(wěn)壓作用。當(dāng)使用DLC型的濾波電路，它輸 出的電壓V。是輸入矩形波峰值電壓Vi的平均值，這樣脈沖寬度變化時(shí)，才 能控制輸出直流 電壓Vo的改變和電壓的穩(wěn)定。 3. 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì) 3.1確定磁心的尺寸 對(duì)于某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，選擇磁心尺寸要考慮五個(gè)主要因數(shù): 影響的參數(shù) Ae （磁心橫截面積） Ae （磁心橫截面積） Ae （磁心窗口面積） Ae （磁心窗口面積） Ae （磁心窗口面積） 因數(shù)： 輸出功率 磁通是雙限的，還是單限的 輸入電壓 繞組數(shù)目 繞線方式 每個(gè)制造廠商都用自己不同的方法來(lái)確定磁心尺寸。有些是用圖表的方法， 有些只是簡(jiǎn)單地說(shuō)明在特

24、定的應(yīng)用場(chǎng)合下各種磁心可以傳遞能量，還有些是用 含義模糊的是式子來(lái)說(shuō)明，這些式子采用不同的工程單位，會(huì)使人困惑。下 面介紹估計(jì)初始磁心尺寸的兩種方法。 磁心尺寸選擇方法一 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，確定功率是在表4T的哪個(gè)功率范圍內(nèi)。從符合要求的 磁心制造廠商中，選擇尺寸最接近或稍大一點(diǎn)的磁心。 表3-1輸出功率與大致的磁心尺寸的關(guān)系 確磁心尺寸選擇方法二這種方法首先假設(shè)變壓器是單繞組。每增加一個(gè)繞 組并考慮安全規(guī)則要求，就需要增加繞線面積和磁心尺寸。它將綜合影響 磁心的 口利用因數(shù)5, O在確定 基本的單繞組電感磁心尺寸時(shí)，可用 這個(gè)窗口利用因數(shù)來(lái)調(diào)整。 首先，確定單繞組電感的磁心尺寸。這可以通過(guò)式（3

25、1）來(lái)求得。 0. 68Poutdw 103 WaAcq d Bmaxf1 丿 式中dw -次繞組的導(dǎo)線截面積，單位為cir mi 1或in2； Bmax工作時(shí)的最大磁通密度，單位為G； f 工作頻率; Pout 電源的總輸出功率。 當(dāng)用MKS （米一千克一秒）制時(shí)，使用下面公式: 0. 68Pout dw WaAcoutw(3.2) B f 式中dw 一次繞組的導(dǎo)線截面積，單位為cm2 ； 1 Bmax工作時(shí)的最大磁通密度，單位為T； f 工作頻率; Pout電源的總輸出功率，單位為Wo 其次，要確定窗口利用因數(shù), 計(jì)算總的窗口利用因數(shù)。 口利用因數(shù)可 以從 表3-2中得到。 正激式變壓器有

26、兩個(gè)主要的作用：第一，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電隔 離；第二，升高或降低經(jīng)脈寬調(diào)制以后的交流電壓幅值。 3.2.1變壓器匝數(shù)比的確定第一步，確定一次繞組需要的匝數(shù)。這時(shí)，要 用到選定的磁心和磁性材料的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到的參數(shù)，同時(shí)，磁通密度的最 低值也應(yīng)該確定下來(lái)，CGS制時(shí)，一次繞組匝數(shù)可以用下式確定： 3. 6) 第二步，根據(jù)一次繞組匝數(shù)，確定二次繞組的匝數(shù)。 輸出整流器的壓降是不能忽略的，于是二次繞組匝數(shù)用下式確定： 用這個(gè)公式可以算出在預(yù)期的最小輸入電壓值下需要的二次繞組匝數(shù)。 如果輸入電壓低于這個(gè)值時(shí)，調(diào)節(jié)器將失去調(diào)節(jié)作用。 這樣算得的匝數(shù)通常不是整數(shù)，但大多數(shù)磁心只能繞整數(shù)匝，因此要取 最

27、接近的整數(shù)來(lái)近似。這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓誤差的增加。我們就要核對(duì)這個(gè) 誤差是否會(huì)超出所設(shè)計(jì)的電源容許的范圍。比較原來(lái)每匝電壓值與取整后每 匝輸出電壓，如果這些輸出電壓誤差太大，首先考慮換一種更高或者更低正 向?qū)▔航档恼鳂?。如果這些輸出電壓還不滿足要求，就可以在原來(lái)的輸 出繞組上增加一匝線圈，并重新計(jì)算加匝后的輸出的電壓值，同時(shí)檢查誤差 是否在可以接受的范圍內(nèi)。如果這樣修改，結(jié)果仍無(wú)法接受，只好回到最開 始的地方，重新增加一次繞組匝數(shù)，然后重新計(jì)算二次繞組匝數(shù)。下一步 要考慮怎樣安排二次繞組。也就是二次側(cè)是否需要隔離，用中間抽頭還是不 用中間抽頭，是否要用自耦變壓器式的二次側(cè)。 在自耦變壓器中較低

28、的電壓輸出端的繞組是共用的。 3. 3變壓器的繞線技術(shù) 開關(guān)電源變壓器的物理繞制方法是很重要的，它會(huì)使電源性能差別很 大。好的繞線方法是可以使電源性能變得非常好，反之也使電源噪聲很大， 性能變差。開關(guān)電源變壓器與50/60HZ的工頻變壓器相比，設(shè)計(jì)要求更為苛 刻。變壓器的繞制，主要有三個(gè)方面的因素要考慮： 1）電源是否必須符合所有的安全規(guī)范。 2）繞組之間耦合要好。 3）所有繞組的漏感應(yīng)盡可能小。這些因數(shù)有些是相互影響的，所有需要采 取折中辦法。 3. 3. 1繞組符合安全規(guī)程 如果開關(guān)電源的輸入電壓峰值高于40V,就要受到一個(gè)或多個(gè)國(guó)際安全規(guī) 程組織所制訂的規(guī)程約束。這些組織一般相互借鑒對(duì)方

29、的安全規(guī)程，但設(shè) 計(jì)者仍要再查看自己的產(chǎn)品所銷往的市場(chǎng)對(duì)這方面的要求。國(guó)際電工委員會(huì) IEC是這些標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者，其標(biāo)準(zhǔn)為歐共體的安全規(guī)程組織所采用。 其余的安全規(guī)程組織，如美國(guó)UL、加拿大標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)CAS和日本的VCCI 起努力，在IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用統(tǒng)一的安全規(guī)程。這將使同一套標(biāo)準(zhǔn)在 全世界范圍都可使用。但在這套協(xié)調(diào)好后的標(biāo)準(zhǔn)被采用之前，世界上各個(gè)國(guó) 家的這些標(biāo)準(zhǔn)還是存在差別的。 在每個(gè)國(guó)家，不同的市場(chǎng)也有不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如，電信市場(chǎng)與病人相 關(guān)的醫(yī)療市場(chǎng)就有不同的安全規(guī)程要求。所以，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程開始之前， 確定產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是非常重要的。市場(chǎng)的不同，也是IEC標(biāo)準(zhǔn)也努力協(xié)調(diào) 的一部分。

30、 在“離線式”或輸入交流電壓90-260V的開關(guān)電源中，通常使用的磁心 是E-E磁心和E-E磁芯派生出來(lái)的一些磁芯。這些磁心都有骨架，這使得 它們制造比較容易。爬線距離或輸入繞組和輸出繞組表面的距離不能小于 4mmo因此，在繞 制變壓器時(shí)可以在骨架中繞線區(qū)的兩端放置2mm厚的絕緣帶，把繞線繞在邊 沿的帶子之間。這些邊沿的帶子在絕緣的繞組之間總共增加了 4mm的距 離。常見 的符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的變壓器如圖3-1 o ?mtn 圖3-1 導(dǎo)線從骨架中引出的時(shí)候也要繞上絕緣帶，這也是由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定導(dǎo)線通 過(guò)這4mm空間時(shí)的要求。輸入和輸出端也要有4mm的距離。 3. 3. 2低漏感的繞制方法 漏感是指沒(méi)

31、有耦合到磁心或其他繞組的可測(cè)量的電 感量。它的影響就像一個(gè)獨(dú)立的電感串接在繞組的引線上一樣。它是導(dǎo)致功 率開關(guān)管漏極或集電極和輸出二極管陽(yáng)極上的尖峰的原因。這是由于它的磁 通無(wú)法被二次繞組所匝鏈。 對(duì)于已選定的磁心和計(jì)算好的繞組，可以根據(jù)以下公式估算漏感。 3.9) 式中K 取3 Lmt 整根繞線線繞在骨架上平均每匝的長(zhǎng)度，單位為in nx繞 組所包含的匝數(shù) W1繞組的寬度，單位為in Tins一繞線的絕緣厚度，單位為in bw制作好的變壓器所有繞組 的厚度，單位為in公式給出了影響繞組漏感的主要因素。變壓器設(shè)計(jì)者能 夠控制的主要因素是 選擇磁心中柱長(zhǎng)的磁心。繞組越寬，漏感越小。一次 二次耦合

32、的好壞對(duì)一次漏感也有很大的影響。這點(diǎn)可以從把一次繞組分成兩 半，二次繞組夾在中間或交錯(cuò)在中間的繞法中看出來(lái)。 另外一個(gè)比較麻煩的變壓器寄生參數(shù)是線圈的匝間電容，這可以分布在整個(gè) 繞組各個(gè)線圈之間的小電容來(lái)表示。一次輸入電壓較高的變壓器，繞線間的 分布 電容是一個(gè)問(wèn)題。特別是離線式或高輸入電壓的開關(guān)電源中，這個(gè)問(wèn)題就更 突出了。這個(gè)寄生電容是由于同一繞組鄰近線圈的電位不同而引起的。式2 表示的就是一個(gè)繞組中兩匝之間存儲(chǔ)的能量，并且這個(gè)公式說(shuō)明了這些電容 產(chǎn)生的原因。在開工轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)能量就以尖峰的形式釋放。 (3. 10) 式中S繞組之間的距離，單位為m d導(dǎo)線直徑，單位為m 如果線圈一層接著一

33、層來(lái)回繞，分布電容存儲(chǔ)的能量就很大。最后，線 圈間的電壓差也很大，甚至有可能接近絕緣擊穿電壓。這會(huì)得到很糟的結(jié) 果。圖3-2所示的就是三種不同的繞制方法。 圖3-2 這些減小分布電容的繞制方法可以極大地減小導(dǎo)線間的絕緣壓力，減小 了相鄰線圈間由于絕緣被擊穿而產(chǎn)生電弧的可能性。 本設(shè)計(jì)所采用的是三明治繞法，所謂三明治繞法是指繞組先繞一半，再 繞另一繞組，繞完第二個(gè)繞組后把前面?zhèn)€繞組剩下的再繞完，即一組線圈內(nèi) 外都有包 住另一組線圈。這種繞法可以減少漏感。 3. 3. 3變壓齋緊密耦合的繞制方法 一次與二次，二次與二次繞組的緊密耦合，是變壓器設(shè)計(jì)者最理想的目標(biāo) 面有幾種緊密耦合的繞法： 絞合繞法

34、這種方法是通過(guò)一對(duì)絞合的導(dǎo)線來(lái)增加繞組間的耦合。就是把兩根或更 多的導(dǎo)線絞合在一起，然后把它們同時(shí)繞到骨架上。絞得太緊，容易損壞絕 緣層。這種方法保證所有的線繞在相鄰近的位置，所有可以提供最好的耦合 效果。即使繞 組的匝數(shù)不一樣，繞組只有部分是絞合在一起的，這種方法 也有助于提高繞組間的耦合因數(shù)。 ,多線繞組法 這種繞線技術(shù)就是把兩根或多根導(dǎo)線放在一起同時(shí)繞，不過(guò)并沒(méi)有把這 些導(dǎo)線絞合在一起。大部分時(shí)候是把它們緊挨在一起的。 當(dāng)然，如果一次電壓峰值高于40V時(shí)，不能用多線繞組或絞合繞組的繞 制方法來(lái)同時(shí)繞一次和二次繞組。輸入電壓低于AC206V時(shí)，安全規(guī)程機(jī)構(gòu) 要求一次、二次繞組之間放三層1m

35、il的聚酯薄膜。這會(huì)破壞這兩個(gè)繞組間 的耦合。為了提高一次、二次繞組之間的耦合，可以把這兩個(gè)繞組交叉在 一起（見圖4-1） o這種繞法比起只是簡(jiǎn)單地把二次繞組繞在一次繞組上的 繞法，所花的勞動(dòng)量更 大。因此，在一次、二次繞組匝數(shù)比超過(guò)15-20:1時(shí) 候，推薦使用這種交錯(cuò)繞法。這就包括輸入電壓為AC240V或比這高而輸出 電壓不高于DC+5V的電源。從圖4-3就可以看出，交叉繞法在輸入電壓 AC480V的離線反激式電路中的效果。 從這兩張波形圖中，容易看出它們之間的尖峰能量的區(qū)別。通常這些 能量消耗在一次側(cè)的鉗位或吸收電路中。 采用上述變壓器繞線技術(shù)，盡管會(huì)增加變壓器的成本，但是效果比較 好，

36、可以提高整個(gè)電源的性能。對(duì)于整個(gè)電源的長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)說(shuō)，可以節(jié)省 資金。 4. 單端正激式開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)好的單端正激式開關(guān)電源電路如圖4-1 250 V 1A X 4. 1輸入電路設(shè)計(jì) 輸入電路主要包括保險(xiǎn)絲F1、一次整流和低通濾波兩部分組成。一次整 流部 分采用單相橋式整流電路，選用的元器件為二極管，如圖所示為D5、D7、 D8、 D10o此四個(gè)二極管集成于整流橋，如4-2所示。 圖4-2 4. 2正激電路的設(shè)計(jì) 正激電路部分主要由變壓器T1,二極管D3, D4, D6,變壓器T2的一次 繞組（相當(dāng)于續(xù)流電感）,C7, C8和C5, C6, R6, R7所連接的電路構(gòu)成。 構(gòu)成各種電路

37、如下： 4. 2.1復(fù)位電路 二極管D3, D4變壓器繞組Nr構(gòu)成復(fù)位電路，防止變壓器的激磁電感飽 4. 2.2導(dǎo)向電路和續(xù)流電路 在圖4T中，D6是有兩個(gè)彼此反向的二極管串聯(lián)而成的。與變壓器同名 端相連接二極管是導(dǎo)向二極管，與非同名端連接的是續(xù)流二極管，變壓器T1 副邊的 兩個(gè)二極管與變壓器T2次繞組可構(gòu)成TOP管開通后的二次整流電路（由 二極管導(dǎo)向）和TOP管關(guān)斷后的續(xù)流電路。設(shè)計(jì)中選擇的D6型號(hào)為 MBR20100o 4. 2. 3抑制阻尼振蕩電路 如圖4T所示，C5、R6,C6、R7相串聯(lián)，其中C5、R6相串聯(lián)后再與 輸出整流管D6相并聯(lián)，此構(gòu)成的電路能夠抑制阻尼振蕩。 4. 3正激變

38、壓器設(shè)計(jì) 變壓器T1主要參數(shù)和繞制方法如下： 1）骨架磁心為EI33；磁心有效橫截面積Ae=1.18cm2o 2）匝數(shù)比為n=100/6,其中Np二25匝,Nr=75匝，Nm二6匝*3 （6匝，每匝 3股）。 3）采用三明治繞法，不需要?dú)庀丁?變壓器T2主要參數(shù)如下： 1）骨架磁心為EI25,磁心有效橫截面積Ae二0.4crrT2。 2）匝數(shù)比為n=15/12,其中N1=15匝*4 （15匝，每匝4股）,N2P2 匝。 3）一般繞法。 4. 4輸出電路的設(shè)計(jì) 輸出電路主要由電容C7, C8,R17和D12構(gòu)成，起到的作用如下： 1）C7, C8相并聯(lián)，起到平滑濾波作用，使得輸出能夠到平滑的直流

39、電 壓。 2）R17和發(fā)光二極管D12相串聯(lián)后接入電路去起到指示作用，方便于調(diào) 試工作和檢查。 5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 5.1空載試驗(yàn) 在試驗(yàn)前，在電路的交流輸入端串聯(lián)了個(gè)40W的燈泡，這樣做是為了防 止電路通電后出現(xiàn)把交流電源短路現(xiàn)象，起到保護(hù)作用。試驗(yàn)結(jié)果如下： 1) 輸出直流電壓為11.4V 基本符合設(shè)計(jì)要求：Uref* (1+R14/R16) = 2V。輸出電壓波形為 2) TL431的參考腳電壓為2. 23Vo測(cè)量約為2. 5V 3) 變壓器聲音很小的噪聲。 4) TOPSwitch漏源極之間電壓Uds波形為： 因此，空載試驗(yàn)結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。 5. 2帶金屬負(fù)載試驗(yàn) 在直流輸出端接金屬負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，輸出結(jié)果不是理想。試驗(yàn)結(jié)果如下: 1）輸出電壓在6. 612. 0V之間波動(dòng)。 2）萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)變壓器噪聲變大（有時(shí)LED會(huì)熄滅） 3）TOP管和金屬電阻發(fā)熱厲害，尤其是TOP管。 4）TOPSwitch漏源極之間電壓Uds波形為 此波形比較接近分析結(jié)果，屬于變壓器初級(jí)繞組電流不連續(xù)型。每周期 突起