1、基于TOP225Y開關電源的設計摘 要開關電源具有功耗小，效率高，穩壓范圍廣，體積小等突出優點， 在通信設備數控裝置，儀表儀器影音設備，家用電器等電子電路中得到廣泛應用。TOP系列電源為美國POWER INTEGRATION 公司生產的集成開關電源，具有集成度高，性價比高，外圍電路簡單，性能指標佳以及能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優點。目前已成為國際上開發中，小功率開關電源，精密開關電源及電源模板的優選集成電路。本文設計的基于TOP225Y 芯片離線式 PWM 集成反激式開關電源，闡述了 TOP225Y 的內部結構及工作原理，雙路輸出為 20V 門 A 、15V/ 1A ，同時按照

2、要求，進行電路參數的實際計算，給系統選擇了合適的高頻變壓器，輸出整流濾波電路及反饋電路等，最終給出測試分析和測試結果。關鍵詞：開關電源， 雙路輸出 ， 集成反激式， 整流， 反饋THE DESIGN OF SWITCHING POWER IS BASED ON THE TOP225YABSTRACTSwitching power supply with low consumption, high efficiency, wide voltage, small advantage in communication equipment, CNC equipment, instrument audi

3、o equipment, household appliances, etc widely applied in electronic circuits.TOP U.S. power supply for series of integrated production company need to switch power, has high integration, cost-effective, outer circuit is simple, performance and can form no better efficiency of the isolated transforme

4、r switch power supply, etc. At present has become the international development of small power switch power supply, switching power supply, selection of template and integrated circuits.The paper TOP225Y chip design based on off-line PWM integrated flyback type switch power TOP225Y, expounds the int

5、ernal structure and working principle, double path for 20V door, output, according to 15V / 1A requirement of the circuit parameters calculated, to choose the right system and output rectifier transformer filter circuits and feedback circuit, finally gives test analysis and test results.KEY WORDS: S

6、witching power supply，Double path output，Integrated flyback type，Rectifying，Opt coupler feed back目錄前言1第1章 緒論31.1 開關電源的定義3開關電源的發展和趨式41.3 本論文的設計研究意義5第2章 開關電源的分類及原理62.1 開關電源的分類6開關電源的基本組成和原理10PWM的基本工作原理11TOP Switch系列及其工作原理13第3章 基于TOP225Y開關電源的設計163.1 設計流程圖163.2 技術指標和性能要求173.3 TOP225Y的主要性能特點和元件選擇173.3.1 性

7、能特點173.3.2 線性光耦合器PC817183.3.3 可調式精密并聯穩壓器TL43119開關電源的電路設計203.4.1 TOP225Y芯片原理圖203.4.2 輸入整流濾波電路203.4.3 高頻變壓器的設計213.4.4 箝壓齊納管（VR）和阻斷二極管（VD）的選擇213.4.5 輸入整流電路的設計223.4.6 反饋電路的設計223.5 結果分析233.6 基于TOP225Y開關電源的的原理圖繪制24第4章 總結264.1 開關電源干擾的產生及其抑制26開關電源干擾產生的機理264.1.2 對于開關電源干擾的一些抑制措施274.2 設計的體會與問題總結29謝 辭30參考文獻31前言

8、開關電源自20世紀70年代開始應來，涌現出許多功能完備集成控制電路，使開關電源電路日益簡化，工作頻率不斷提高，效率大大提高，并為電源小型化提供了廣闊前景。三端離線式脈寬調制單片開關集成電路TOP(Threeterminaloffline) 將PWM控制器與功率開關MOSFET合二為一封裝一起，已成為開關電源IC發展主流。采用TOP開關集成電路設計開關電源，可使電路大為簡化，體積進一步縮小，成本也明顯降低開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源，由美國 PI 公司推出的 TOPSwitch 系列開關電源集成芯片更加方便了開關電源的設計和產品化。開關電

9、源的高頻變換電路形式很多，常用的離線式變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。而單端反激型直流穩壓電源配合電流型 PWM 控制電路，具有電路結構簡單、性能穩定等特點。由于多路輸出開關電源廣泛應用在各種復雜小功率電子系統中，具有輸出電壓低、輸出電流變化范圍廣等特點。開關電源因其體積小、重量輕、效率高、安全、可靠等特點，推動了自身及其應用產品的小型化、輕便化，節約了大量的能源和原材料，在國際上被譽為綠色能源，得到了長足的發展。但是，信息處理和控制的功能越來越強大、信息處理速度越來越快，使得供電電壓一降再降，比如3.3V、1.8V、1.2V等等。另外，不論是從當前還是長遠來看，人們對保

10、護環境、節能降耗的要求將會越來越高。因此，這些都對開關電源提出了越來越高的要求?？梢灶A測，開關電源將會隨著外部及自身的技術發展而發展，在未來世界的綠色革命中起到舉足輕重的作用。當前，隨著人們生活水平的提高，更多種類的家用電子設備進入到了普通家庭中，給我們的生活帶來了無限樂趣。DVD播放機就是其中之一。在DVD的播放中，對于信息的解碼、音頻視頻的放大等所需要的供電電壓都有著較高的要求，否則對播放機的性能和機器壽命將會產生很大的影響。另外，從前幾年DVD笨重的外形到現在越來越薄，輕便，精致，美觀等一系列的變化，都需要開關電源小尺寸化的支持。況且，開發出效率更高的開關電源，也是當前節能降耗的要求，符

11、合綠色能源、綠色產品這一趨勢。 第1章 緒論 開關電源的定義隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功

12、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，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。1.功耗小，效率高。在開關電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通截止和截止導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。2.體積小，重量輕。從開關電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器

13、。由于調整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關電源的體積小，重量輕。 3.穩壓范圍寬。從開關電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償。這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓范圍很寬，穩壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。開關電源不僅具有穩壓范圍寬的優點，而且實現穩壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關電源。濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關電源的工作頻率目前基本上是工作在50k

14、Hz，是線性穩壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關電源時，濾波電容的容量只是線性穩壓電源中濾波電容的1/5001/1000。電路形式靈活多樣，有自激式和他激式，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關電源。1.2開關電源的發展和趨式1955年美國羅耶（GH.Roger)發明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現高頻轉換控制電路的開端，1957年美國查賽（Jen Sen)發明了自激式推挽雙變壓器，年美國科學家們提出

15、取消工頻變壓器的串聯開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復時間的縮短等元器件改善，終于做成了千赫的開關電源。 目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關電源中采用雙極性晶體管制成的kHz、用制成的kHz電源，雖已實用化，但其頻率有待進一步提高。要提高開關頻率，就要減少開關損耗，而要減少開關損耗，就需要有高速開關元器件。然而，開關速度提高后，會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲

16、電荷的影響而產生浪涌或噪聲。這樣，不僅會影響周圍電子設備，還會大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關啟-閉所發生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器，而對由二極管存儲電荷所致的電流浪涌可采用非晶態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，以使開關上的電壓或通過開關的電流呈正弦波，這樣既可減少開關損耗，同時也可控制浪涌的發生。這種開關方式稱為諧振式開關。目前對這種開關電源的研究很活躍，因為采用這種方式不需要大幅度提高開關速度就可以在理論上把開關損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開關電源高頻化的一種主要方式。當前，世界上許多國家都在致力于數兆Hz的變換器的實用化研究

17、。1.3 本論文的設計研究意義開關電源體積小、效率高，被譽為高效節能電源，現己成為穩壓電源的主導產品。當今開關電源正向著集成化、智能化的方向發展。高度集成、功能強大的開關型穩壓電源代表著開關電源發展的主流方向。本論文主要圍繞當前流行的集成開關電源芯片進行小功率開關型穩壓電源特性的研究。單片開關電源克服了以往開關電源設計中外圍元件和輔助電路復雜等問題，有力地促進了開關電源的高效化、模塊化和集成化。本文采用TOP224Y研制了一款單片開關電源，論文給出了外圍電路各部分的詳細設計方法，并進行了參數計算，通過實測結果分析，驗證了理論的可行性。具有較強的適用性。本主要內容如下：根據開關型穩壓電源采用全控

18、型電力電子器件作為開關，利用控制開關的占空比來調整輸出電壓，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等新型電源特點，設計并制作出一種額定輸出功率為30W的小功率雙輸出開關電源。本設計的交流輸入電壓范圍是AC140V240V，該電源能同時實現輸入欠壓保護、過壓保護等功能。主要采用TOP225Y、PC817、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合來完成。第2章 開關電源的分類及原理 開關電源的分類開關電源的分類方法有多種。按驅動方式來分可分為自激式和它激式。自激式開關電源由開關管和高頻變壓器構成正反饋環路來完成自激振蕩，它激式開關穩壓電源必須附加一個振蕩器，振蕩器產生的開關脈沖加在開關管上，

19、控制開關管的導通和截止；按開關管的個數及連接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等。單端式僅用一個開關管，推挽式和半橋式采用兩個開關管，全橋式則采用四個開關管；按開關管的連接方式可分為串聯型與并聯型開關電源。串聯型開關電源的開關管是串聯在輸入電壓與輸出負載之間的，屬于降壓式穩壓電路，而并聯型開關電源的開關管是與輸出負載相并聯的，屬于升壓式電路；此外，還可分為隔離與非隔離型，調頻、調幅及兩者混合型等。1.單端反激式開關電源單端反激式開關電源的典型電路如圖2-1所示。當開關管VT1導通時，高頻變壓器T初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管VD1處于截止狀態，副邊上沒有電流通過，能量儲存在高頻

20、變壓器的初級繞組中。當開關管VT1截止時，變壓器T副邊上的電壓極性顛倒，使初級繞組中存儲的能量通過VD1整流和電容C濾波后向負載輸出。圖2-1 單端反激式開關電源單端反激式開關電源電路簡單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實現單路或多路輸出。并且開關管的驅動簡單，可通過改變高頻變壓器的原、副邊繞組匝數比使占空比保持在最佳范圍內，具有較好的電壓調整率。其輸出功率為20100W，工作頻率在20200kHz之間，是開關電源設計中最常用的一種拓撲方式。但是，它也有一定的缺點，如開關管截止期間所受反向電壓較高，導通期間流過開關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

21、器件，在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決。2.單端正激式開關電源單端正激式開關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。當開關管VT1導通時, VD2也導通，這時電網向負載傳送能量，濾波電感L儲存能量：當開關管VT1截止時，電感L通過續流二極管VD3繼續向負載釋放能量。在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD1，它可以將開關管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管VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200W的功率。但變壓器結構復雜，體積也較大。因此，實際應用并不多。 圖2

22、-2 單端正激式開關電源3.自激式開關穩壓電源自激式開關電源的典型電路如圖2-3所示。接入電源后R1給開關管VT1提供啟動電流，使VT1導通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應出使VT1基極為正，發射極為負的正反饋電壓，使VT1很快飽和。同時，感應電壓給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，Ic減小，在L2中感應出使VT1基極為負、發射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時二極管VD1導通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸入電壓又經R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次達到飽

23、和狀態，電路就這樣重復振蕩下去。像單端反激式開關電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負載輸出所需的電壓。自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態，具有輸入和輸出相互隔離的優點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。 圖2-3 自激式開關電源4.推挽式開關電源推挽式開關電源的典型電路如圖2-4所示。它屬于雙端式變換電路，使用兩個開關管VT1和VT2，在外激勵方波信號的控制下交替導通與截止，在變壓器T次級繞組得到方波電壓，經整流濾波變為所需要的直流電壓。圖2-4 推挽式開關電源這種電路的優點是兩個開關管容易驅動，缺點

24、是開關管的耐壓要達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。5.降壓式開關電源降壓式開關電源的典型電路如圖2-5所示。當開關管VT1導通時，二極管VD1截止，輸入的整流電壓經VT1和L向C充電，這一電流使電感L中的儲能增加。當開關管VT1截止時，電感L感應出左負右正的電壓，經負載RL和續流二極管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2-5 降壓式開關電源6.升壓式開關電源升壓式開關電源的穩壓電路如圖2-6所示。當開關管VT1導通時，電感L儲存能量。當開關管VT1截止時，電感L感應出左負右正的電壓，

25、該電壓疊加在輸人電壓上，經二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。圖2-6 升壓式開關電源7.反轉式開關電源 反轉式開關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電源，無論開關管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩定電壓，電路均能正常工作。當開關管VT1導通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關管VT1截止時，電感L中的電流繼續流通，并感應出上負下正的電壓，經二極管VD1向負載供電，同時給電容C充電。降壓式、升壓式、反轉式開關電源的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒有絕緣隔離，統稱為斬波型直流變換器。 圖

26、2-7 反轉式開關電源2.2開關電源的基本組成和原理流濾波電路、功率轉換電路、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、基準電壓、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路組成。開關穩壓電源的電路原理框圖如圖2-8所示：輸入整流濾波功率轉換電路高頻變壓器輸出整流濾波取樣器比較器脈寬調制振蕩器基準電壓DCAC圖2-8 開關電源的原理框圖首先，交流電經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換電路進人高頻變壓器被轉換成所需的電壓值，最后再將這個電壓經輸出部分整流濾波電路的整流、濾波后變為所需要的直流電供給用電設備

27、。這中間，電源的穩壓是靠反饋控制電路（控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例，以達到電壓的穩定輸出）來實現的。即:輸出電流經取樣器送至比較器，使之與基準電壓電路中的電流相比較，然后由脈寬調制電路根據比較結果來進行脈寬調制，從而控制功率轉換電路中相應功率輸出的大小，最后實現輸出電壓的穩定。目前，這部分電路目前己集成化，制成了各種開關電源的專用集成電路。2.3 PWM的基本工作原理開關電源有兩種基本形式：一種是脈沖寬度調制（PWM）其特點是固定開關的頻率。通過改變脈沖寬度來調節占空比（D）；另一種是脈沖頻率調制PFM，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關頻率的方法來調節占空比。二者的電路不同單作

28、用效果相同，均可達到穩壓之目的，都屬于時間比率控制方式TRC。脈寬調制式開關電源的工作原理:交流220V輸入電壓經過整流濾波電路變成直流電壓，在由開關功率管斬波和高頻電壓器降壓，得到高頻矩形波電壓，經整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓，脈寬調制器是這類開關電源的核心，它能產生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動符號，控制開關功率管的通斷狀態，來調節輸出電壓的高低達到穩壓目的，鋸齒波發生器用于提供穩定的時鐘頻率信號。利用誤差放大器和PWM比較器形成閉環調壓系統，加入由于某種原因是Vo升高時脈寬調制器就改變驅動信號的脈沖寬度，亦即改變占空比（D），使斬波后的平均值電壓下降，導致Vo降低，反之亦然。脈沖頻率

29、調制式開關電源則是用固定脈寬發生電路代替PWM中的鋸齒波發生器，并且利用壓控振蕩器來完成v/f轉換。其穩壓原理是：當Vo升高時，遙控制器輸出驅動信號的脈沖寬度入變窄而周期變短，使得占空比D下降。Vo降低，反之亦然。見圖2-9： 圖 2-9 脈寬調制式開關電源的工作原理2.4 TOP Switch系列及其工作原理美國功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美國功率集成公司又推出了TOP Switch系列器件。TOP Switch系列器件和TOP Switch系列器件相比，內電路作了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為

30、方便，性能又有了增強，性能價格比更高。與TOP Switch系列器件相比，TOP Switch系列器件在輸入電壓為100V、115V或230VAC時，系統功率從（0100）W提高到（0150）W，在三種電壓下均可工作時，系統的功率從（050）W提高到（090）W，從而使得TOP Switch器件可在如電視、監視器以及音頻放大器等許多新的應用范圍內使用。TOP Switch 主要用于AC/DC 轉換器，具有體積小，重量輕，寬輸入范圍（85V-265V），提供了PI Expert專家系統設計軟件，便于用戶更快地設計出自已的產品。采用TOP Switch器件的開關電源與采用分立的MOSFET功率開關

31、及PWM集成控制器的開關電源相比，具有以下特點：1、成本低廉。使用TOP Switch器件，比用其他開關電源節省很多個元器件，從而使產品的大小和重量減少；TOP Switch因采用了源極調節板和可控的MOSFET通態驅動，故電磁干擾(EMI)和EMI濾波器的成本可明顯降低；2、系統效率高。TOP Switch系采用CMOS工藝制作，并在芯片中集成了盡可能多的功能，故與采用二極管或分立的功率開關電路相比，偏置電流顯著降低；開關電源所需的功能集成于芯片中后，外部的電流傳感電阻和初始起動偏壓電流的電路均可除去，系統效率大大提高。特別是TOP Switch器件專門針對反激式功率變換電路進行了優化，使最

32、大值占空比可達70%，TOP100TOP104，TOP200TOP204/TOP214的效率可達90%，TOP209/TOP210的效率也可超過80%；電源設計簡化。TOP Switch芯片是一個自偏置、自保護的電流-占空比線性控制轉換器。通常在控制極和源極之間，緊靠其管腳，并聯一個外部旁路電容。電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產生壓降，經RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產生的鋸齒波電壓相比較，產生脈寬調制信號并驅動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現電路的軟啟動。當控制極電壓Uc達到5.7V時，內部高壓電流源關閉，此

33、時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構成電壓負反饋控制環，調節輸出級MOSFET的占空比以實現穩壓。當輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關電源的電壓減小。當控制極電壓低于4.7V時，MOSFET管關閉，控制電路處于小電流等待狀態，內部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關斷/自動復位滯回比較器可使Uc保持在4.7V5.7V之間。自動重啟電路具有一個八分頻計數器，可以阻止輸出級MOSFET再次導通，直到八個放電-充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控制在%左右可有效地限制芯片的功耗。自動重啟動

34、電路一直工作到Uc進入受控狀態為止。該電源的穩壓原理簡述如下：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TOPSwitch截止時，VD2導通，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。交流電壓經過整流濾波后得到直流高壓，經初級繞組加至TOPSwitch的漏極上。在功率MOSFET關斷瞬間，高頻變壓器漏感會產生尖峰電壓，另外在初級繞組上還會產生感應電壓(即反向電動勢)UOR，兩

35、者疊加至內部功率開關管MOSFET的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護電路。鉗位電路由瞬態電壓抑制器或穩壓管VDZ1和超快恢復二極管VD1組成。當MOSFET導通時，變壓器的初級極性上端為正，下端為負，從而導致VD1截止，因而鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，初級極性則變為上負下正，此時尖峰電壓就被VDZ1吸收掉。反饋繞組電壓經過VD3、CF整流濾波后獲得反饋電壓UF，經光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。CI，然后通過光耦去改變控制端電流。TOPSwitch的占空比D與IC（控制電流）成反比，是通過調節D來穩定輸出電壓的。比如： 當某種原因使Uo減小，將導致U

36、F減小，Ic減小，進而D增大，又使Uo增大，最終使輸出電壓趨于穩定，反之亦然。由此可見，反饋電路正是通過調節TOPSwitch的占空比實現穩壓的。第3章 基于TOP225Y開關電源的設計3.1 設計流程圖開始生產準備設計指標根據常規的設計要求選擇一種拓撲結構設計變壓器導線規格確定半導體器件的型號設計輸出電壓選擇整流器與濾波電容設計驅動電路選擇控制方式和控制IC設計基本功能設計電壓反饋和交叉調整電路設計啟動電路和Vcc電路根據要求設計過電壓過電流和緊急保護電路設計接口電路和功能設計需要的散熱器和熱轉移方面的考慮考慮PCB布置和結構測試所有功能對設計進行修改在測試室進行測試選用何種拓撲結構？黑箱計

37、算變壓器設計輸出濾波器和整流器功率開關和驅動電路設計控制器設計輸出反饋設計啟動電路設計保護電路設計高層功能設計熱分析和設計實驗電路和結構設計測試與設計結果區別優化設計EMI/RMI測試在本設計中，由于采用了TOP Switch智能芯片，其本身集成了保護電路、關斷電路、自動重啟電路等。所以，在設計時可以省去上面的幾個環節，只需對其進行好選型。3.2 技術指標和性能要求小功率通用開關電源應具備小功率通用開關電源紋波小、電壓低、效率高、體積小和重量輕等優點。同時還應實現欠壓、過壓、過流、過熱等電路工作異常時的保護。具體技術指標為如下：交流輸入電壓：220V（140V240V）；電網頻率：50Hz；開

38、關電源頻率：100KHz；輸出直流電壓Uo：8V（兩路），5V（兩路），3.6V，-8V，-24V各一路；輸出額定電流：2A；額定輸出功率：30W；負載調整率SI：-4%+4%；電源效率H：高于84%；空載功率損耗：低于0.5W（230V時）；輸出紋波電壓：低于120mV。3.3 TOP225Y的主要性能特點和元件選擇 性能特點TOP225Y 是 TOPSwitch-11 系列中一種最常用的芯片，封裝形式為 TO-220 ，自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個管腳分別為控制端 C 、源極 S 和漏極 D ，內部功率 MOSFET 器件的耐壓值高達 700V ，可設計成 60W 以上儀器儀表

39、的多路隔離式內置控制電源。TOPSwitch- 系列產品具有以下特點：(1)將脈寬調制 (PWM) 控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內含脈寬調制器、功率開關場效應管 (MOSFET) 、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，真正實現了無工頻變壓器、隔離式開關電源的單片集成化，使用安全可靠。(2)采用漏極開路輸出，利用控制極反饋電流 IC 線性調節占空比，實現 AC DC 變換，即屬于電流控制型單片開關電源。 (3)輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。在固定電壓輸入時， 可選 110V/115V 230V 交流電，允許變化 15% ：在寬電壓范圍

40、輸入時，適配 85V 265V 交流電，但輸出功率峰值 POM 值比前者降低 40 。(4)只有三個引出端，能以最簡單的方式構成無工頻變壓器的單端反激式開關電源。開關頻率的典型值為 1OOkHz ，允許范圍是 90kHz 110kHz ，占空比調節范圍是 1.7 67 。(5)外圍電路簡單，電磁干擾小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達 80 左右，最高可達 90 線性光耦合器PC817光耦合器（Optical Coupler，OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。普通光耦只能傳輸數字信號（開關信號）。不適合傳輸模擬信號，線性光耦是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續變化的模擬信號，隨著輸

41、入信號的強弱變化產生相應的光信號，使光敏晶體管的導通程度不同，從而輸出相應的電壓或電流。光耦以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。光耦一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。它通常把發光器（發光二極管LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內，如圖3-1所示。當輸入端加電信號時，驅動發光二極管（LED）發出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導通，產生光電流，再經過進一步放大后從輸出端輸出，從而實現了“電-光-電”的轉換。圖3-1 PC817內部框圖本設計采用PC817光耦合器的主要優點在于：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完

42、全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高,可以起到很好的反饋作用。 可調式精密并聯穩壓器TL43136V可調式精密并聯穩壓器。其工作電流范圍寬，動態電阻低，輸出雜波低。最大輸入電壓為37V，最大工作電流為150mA，內基準電壓為2.5V，輸出電壓范圍為2.536V。由于TL431具有體積小、基準電壓精密可調、輸出電流大、價格低廉等優點，所以廣泛用于單片精密開關電源或精密線性穩壓電源中。TL431大多采用DIP-8或TO-92封裝形式，引腳排列分別如圖3-5所示。其中，A為陽極，使用時需接地；K為陰極，需經限流電阻接正電源；UREF是輸出電

43、壓Uo的設定端，外接電阻分壓器；NC為空腳。TL431的電路圖形符號和基本接線如圖3-2所示：R3是限流電阻。其穩壓原理為：當Uo上升時，取樣電壓UREF也隨之升高，使UREFUref（），比較器輸出高電平，使VT(內部晶體管)導通，Uo開始下降。反之，Uo下降會導致UREF下降，從而UREFUref，使比較器再次翻轉，輸出變成低電平，VT截止、Uo上升。這樣的循環下去，從動態平衡的角度來看，就迫使Uo趨于穩定，從而達到了穩定的目的，并且UREF=Uref。圖3-2 TL431的基本接線和電路符號在本設計中就是利用TL431和光耦構成反饋電路，其工作原理就是當輸出電壓發生波動時，經分壓電阻得到

44、的取樣電壓就與TL431中的2.5V基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流發生變化，再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到TOP224Y的控制端C端。通過改變TOP224Y的控制端電流大小，調節其輸出占空比，從而實現穩壓的目的。開關電源的電路設計 TOP225Y芯片原理圖圖 3-3 TOP225Y芯片原理圖 輸入整流濾波電路整流濾波電路包括輸入交流 EMI 濾波、整流、電容穩壓三部分。交流 EMI 濾波使用技術成熟的兀型濾波電路，其參數如下：去除差模干擾的電容 C10 、 C11 為 20uF 250V ；去除共模干擾的 C12 、 C13 為 10nF ； L1 為 5

45、15mh ，采用雙線并繞。整流電路選擇 4 個 IN4007 二極管組成整流橋，濾波穩壓電容 C1 可按照輸出功率 1uF 1W 選擇。交流電壓的輸入范圍為187V253V，,即=187V, =253V。假設整流橋導通時間為T=3ms則電容耐壓值其中：為系統效率，可選擇 80 ； fL 為交流電網頻率； Po 為系統輸出總功率。留出裕量最終取 C1=47 F/400V ，同時為承受可能從電網線竄入的電擊，可在交流端并聯一個標稱電壓為 275V 的壓敏電阻 VsRc 。 高頻變壓器的設計1. 為滿足 TOP225Y 芯片 100kHz 的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料，磁心的形狀 ( 如 E1 、

46、 EE 等 ) 應盡可能的選擇圓形磁芯以減小漏感。 2.最大占空比，式中Vor為初級反射電壓，取135V；Vds為TOP225Y的通斷電壓，可選5V到10V。3.變壓器初級自感，其中：Po為系統輸出總功率；為TOP225Y的開關頻率，=100kHz。4. 導線截面積由經過各繞組的平均電流，峰值電流，均方根電流，紋波電流確定；輸入電流的平均值，初級峰值電流，其中為初級紋波電流與初級峰值電流比值，可取0.9。5變壓器初，次級匝數，變壓器匝數可以從選擇次級繞組匝數開始：當輸入20V時， 匝，取整;當輸出為15V時，=1（15+0.7）=16匝，取整;反饋繞組匝數匝，取整；其中，為反饋電壓，取10V；

47、為反饋回路對應的輸出電壓，取15V；初級繞組匝數=94.6匝，實取匝，其中，磁心最大磁通密度，取60。 箝壓齊納管（VR）和阻斷二極管（VD）的選擇 在開關電源的每個開關周期內， TOP225Y 的關斷將導致變壓器產生尖峰電壓， VR 和 VD 構成了箝位電路，防止大電壓對 TOP225Y 芯片的損壞， VR 和 VD 的選擇由反射電壓 Vor 定。 Vor 薦值為 135V,VR 的箝位電壓 Vclo 可由經驗公式 Vclo=1.5Vcr 得出。 VD 的耐壓值應大于最大直流輸入電壓值，本文 VR 選擇反向擊穿電壓為 200V 的 P6KE200 ， VD 選擇反向耐壓為 600V 的超快恢

48、復二極管 BYV 26C。 輸出整流電路的設計輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。因為肖特基二極管導通時正向壓降較低，因此具有更低的正向導通損耗，此外，肖特基二極管具有反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗以及消耗輸出電壓中的紋波方面有顯著的性能優勢，因此文中選用肖特基二極管作為整流二級管：對于輸出濾波電容， ESR( 等效串聯阻抗 ) 和紋波電流是兩個重要參數。當電容兩端電壓小于 3.5V 時， ESR 只與電容體積有關，在保證控制環路帶寬足夠的前提下，應選擇耐壓值高和容值低的濾波電容，文中電容選 C2=C4=25V 22 F 、 C3=C5=20V/20 F 。若濾波效果不理想，可以在

49、下一級再串聯一個 LC 濾波環節，根據經驗 L 取 2.2 H 10 H。 反饋電路的設計反饋回路的形式依據輸出電壓精度決定，本方案使用“光藕 +TL 431 ” 可以把輸出電壓精度控制在 1 。電壓反饋信號經分壓網絡 (R4 、 R5) 引入 TL431 的 Ref 端，轉化為電流反饋信號，經光藕隔離后輸入到 TOP225Y 控制端。光藕工作在線性狀態，起隔離作用，如果所選光藕的 CRT( 電流放大率 ) 上限超過 200 ，則易造成 TOP225Y 過壓保護，相反若 CRT 下限小于 40 ，占空比 D 將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導致過流。因此 , 應選擇 CRT 范圍接近 100

50、 的光藕。本文光藕選擇 SIEMENS 的 CNY17-2 ， CRT 為 63 125 。反饋電路參數計算如下：確定電阻 R2 和 R3 值， +=（-）其中：為光耦二極管的正向壓降，典型值為1.2V；為二極管正向電流=3ma；為TL431陰極工作電流，取=20ma，計算可得：=400，=141；實取=400，=135。確定電阻和值，,其中：為TL431參考端電壓，為2.5V；為輸出端電壓，取15V；計算可得：=10k， =51k。3.5 結果分析根據以上設計原則，使用 TOP225Y 芯片制成了 20V/ 1A ， 15V/ 1A 雙路開關電源，并對其進行相關測試。輸出 15V 和 20V

51、 時的波形圖分別如圖3-4、圖3-5所示，輸出波形的紋波是由變壓器漏感導致的尖峰電壓以及輸出整流二極管關斷時所產生，可通過使用反向恢復時間更短的整流二極管和高變壓器制造工藝以及優化 PCB 布線方法等方法加以抑制。采用 TOP225Y 研制的一款雙路輸出單端反激式開關電源，將開關電源外部電路劃分為輸入整流濾波、變壓器、輸出整流濾波、反饋等部分構成，并對各部分電路功能進行了分析和工程設計，針對樣機實測波形，提出了改進電路設計和性能的方法。該電源已在電磁爐中得到了應用，實際工作中性能穩定，工作可靠。圖3-4 輸入直流電壓E與漏源電壓VDS波形圖3-5 漏源電壓與去磁電流is波形3.6 基于TOP2

52、25Y開關電源的的原理圖繪制 第4章 總結 開關電源干擾的產生及其抑制開關電源干擾產生的機理開關電源的干擾一般分為兩大類：一是開關電源內部元器件形成的干擾；二是由于外界因素影響而使開關電源產生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素。 1 開關電源內部干擾 開關電源產生的EMI主要是由基本整流器產生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產生的尖峰電壓干擾。 （1）基本整流器 基本整流器的整流過程是產生EMI最常見的原因。這是因為工頻交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流，而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾，使前端電流發生畸變，一方面

53、使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變，另一方面通過電源線產生射頻干擾。 （2）功率變換電路 功率變換電路是開關穩壓電源的核心，它產帶較寬且諧波比較豐富。產生這種脈沖干擾的主要元器件為 a）開關管開關管及其散熱器與外殼和電源內部的引線間存在分布電容，當開關管流過大的脈沖電流（大體上是矩形波）時，該波形含有許多高頻成份；同時，關電源使用的器件參數如開關功率管的存儲時間，輸出級的大電流，開關整流二極管的反向恢復時間，會造成回路瞬間短路，產生很大短路電流，另外，開關管的負載是高頻變壓器或儲能電感，在開關管導通的瞬間，變壓器初級出現很大的涌流，造成尖峰噪聲。 b）高頻變壓器 開關電源中的變壓器，用作隔

54、離和變壓，但由于漏感的原因，會產生電磁感應噪聲；同時，在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會將一次側高次諧波噪聲傳遞給次級，而變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路，使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。 c）整流二極管二次側整流二極管用作高頻整流時，由于反向恢復時間的因素，往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除（因載流子的存在，還有電流流過）。一旦這個反向電流恢復時的斜率過大，流過線圈的電感就產生了尖峰電壓，在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。 d）電容、電感器和導線開關電源由于工作在較高頻率，會使低頻元件特性發生變化，由

55、此產生噪聲。 2開關電源外部干擾 開關電源外部干擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖?。干擾類型可以從持續期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續噪聲或雜波以及瞬變等，電源干擾的類型見表1。干擾的類型序號典型的起因1234567跌落失電頻率偏移電器噪聲浪涌諧波失真瞬變雷擊重載接通電網電壓低下惡劣的氣候變壓器故障其他原因的故障發電機不穩定區域性電網故障雷達無線電信號轉換器和逆變器突然減輕負載變壓器的抽頭不恰當整流開關負載開關型電源雷擊電源線負載設備切換空載電動機的斷開 表4-1 開關電源外部干擾在表1中的幾種干擾中，能夠通過電源進行傳輸并造成設備的破壞或影

56、響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設備本身不產生停振、輸出電壓跌落等現象，就不會造成因電源引起的對用電設備的影響。 對于開關電源干擾的一些抑制措施形成電磁干擾的三要素是騷擾源、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾也應該從這三方面人手，采取適當措施。首先應該抑制騷擾源，直接消除干擾原因；其次是消除騷擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設備的抗擾能力，減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁騷擾源和受擾設備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。 1）采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾，即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。屏蔽有兩個目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來的輻射干擾進入該內部區域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導作用。為了抑制開關電源產生的輻射，電磁騷擾對其他電子設備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。 2）所謂接地