【正文】 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(fā)展主流。 TOP 系列電源為美國 POWER INTEGRATION 公司生產(chǎn)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(yōu)點。目前已成為國際上開發(fā)中，小功率開關電源，精密開關電源及電源模板的優(yōu)選集成電路。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(yōu)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(chǎn)品化。 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(chǎn)品的小型化、輕便化，節(jié) 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(fā)展 ?？梢灶A測，開關電源將會隨著外部及自身的技術發(fā)展而發(fā)展，在未來世界的綠色革命中起到舉足輕重的作用。另外，從前幾年 DVD 笨重的外形到現(xiàn)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。開關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。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(tài)，轉(zhuǎn)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。由于調(diào)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。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。 開關電源的發(fā)展 和趨 式 1955 年美國羅耶（ )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（ Jen Sen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，１９６４年美國科學家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)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。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。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(fā)生。 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(jié)能電源，現(xiàn) 己成為穩(wěn)壓電源的主導產(chǎn)品。 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。 本設計的交流輸入電壓范圍是 AC140V～ 240V，該電源能同時實現(xiàn)輸入欠壓保護、過壓保護等功能。自激 式開關電源由開關管和高頻變壓器構成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩 ，它激式開關穩(wěn)壓電源必須附加一個 振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關脈沖加在開關管上，控制開關管的導通和截 止； 按開關管的個數(shù)及連接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等 。 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(tài)，副邊上沒有電流通過，能量儲存在高頻變壓器的初級繞組中。 其輸出功率為 20～ 100W， 工作頻率在 20～ 200kHz 之間 ，是開關電源設計中最常用的一種拓撲方式。它 與單端反激式電路在 形式上相似，但工作情形不同。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 50～ 200W 的功率。 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，在畢業(yè)設計（論文） 8 L2 中感應出使 VT1 基極為正 ， 發(fā)射極為負的正反饋電壓 ， 使 VT1 很快飽和 。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。 圖 23 自激式開關電源 推挽式開關電源的典型電路如圖 24 所示。 降壓式開關電源的典型電路如圖 25 所示。 圖 25 降壓式開關電源 升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖 26 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(wěn)定電壓，電路均能正常工作。 圖 27 反轉(zhuǎn)式開關電源 開關電源的基本組成和原理 畢業(yè)設計（論文） 11 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。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)整高頻開關元件的開關時間比例，以達 到電壓 的 穩(wěn)定輸出 ）來實現(xiàn)的。通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比（ D）；另一種是脈沖頻率調(diào)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(diào)節(jié)占空比。 脈沖頻率調(diào)制式開關電源則是用固定脈寬發(fā)生電路代替 PWM 中的鋸齒波發(fā)生器，并且利用壓控振蕩器來完成 v/f 轉(zhuǎn)換。 TOP SwitchⅡ系列器件和 TOP Switch 系列器件相比，內(nèi)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，故設計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。使用 TOP Switch 器件，比用其他開關電源節(jié)省很多個 元器件，從而使產(chǎn)品的大小和重量減少； TOP Switch 因采用了源極調(diào)節(jié)板和可控的 MOSFET 通態(tài)驅(qū)動，故電磁干擾 (EMI)和 EMI 濾波器的成本可明顯降低； 系統(tǒng)效率高。通常在控制極和源極之間，緊靠其管腳，并聯(lián)一個外部旁路電容。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。因此，在自動重啟期間，占空比控制在５ %左右可有效地限制芯片的功耗。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。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 VDZ1 和超快恢復二極管 VD1 組成 。 CI 是控制端 C 的 旁路電容。 由此可見 ， 反饋電路正是通過調(diào)節(jié) TOPSwitch 的占空比 實現(xiàn)穩(wěn)壓的 。同時 還應 實現(xiàn)欠壓、過壓 、 過流 、 過熱 等電路工作異常時 的 保護 。 (2)采用漏極開路輸出，利用控制極反饋電流 IC 線性調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn) AC ／ DC 變換，即屬于電流控制型 單片開關電源。 (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。 普通光耦只能傳輸數(shù)字信號（開關信號） 。光耦一般由三部分組成：光的發(fā)射、光 的接收及信號放大。 畢業(yè)設計（論文） 19 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431 TL431 是由美國 德州儀器和摩托羅拉公司生產(chǎn)的 ～ 36V 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。 TL431 大多采用 DIP8 或 TO92 封裝形式，引腳排列分別如圖 35 所示。反之， Uo下降會導致 UREF 下降，從而 UREFUref，使比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低電平， VT截止 、 Uo 上升。 畢業(yè)設計（論文） 20 開關電源的電路設計 TOP225Y 芯片原理圖 圖 33 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(wěn)壓三部分。假設整流橋?qū)〞r間為 T=3ms 則電容耐壓值52m inm in 212)2( CtfPVV CLOAC ? ???????? ??? 其中： η 為系統(tǒng)效率，可選擇 80 ％； fL 為交流電網(wǎng)頻率； Po 為系統(tǒng)輸出總功率。 sOACp fP DVL 2 m axm in?? ，其中： Po 為系統(tǒng)輸出總功率； sf為 TOP225Y 的開關頻率， sf =100kHz。反饋繞組匝數(shù) 11 ???? OFBsP VVNN匝，取整；其中，F(xiàn)BV 為反饋電壓，取 10V； OV 為反饋回路對應的輸出電壓，取 15V；初級繞組匝數(shù)MJPPs BSILN 610?? = 匝，實取 100?sN 匝，其中 JS 為磁心截面積，取 2cm ， mB 磁心最大磁通 密度，取 60。 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。 反饋電路的設計 反饋回路的形式依據(jù)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 177。因此 , 應選擇 CRT 范圍接近 100 ％的光藕。 結(jié)果分析 根據(jù)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。 圖 34 輸入直流電壓 E 與漏源電壓 VDS 波形 圖 35 漏源電壓與去磁電流 is 波形 畢業(yè)設計（論文） 24 基于 TOP225Y 開關電源的的原理圖繪制 畢業(yè)設計（論文） 25 畢業(yè)設計（論文） 26 第 4 章 總結(jié) 開關電源干擾的產(chǎn)生及其抑制 開關電源干擾產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生的干擾。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(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，使前端電流發(fā)生畸變，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。 c） 整流二極管二次側(cè)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）。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。因而，抑制電磁干擾也應該從這三方面人手，采取適當措施。 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。 2）所謂接地，就是在兩點間建立傳導通路，以便將電子設備或元器件連接到某些叫作 “地 ”的參考點上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。 開關電源的設計需要對電子技術有較熟練的掌握。先后 設計 出該開關電源的濾波、整流、反饋等電路 及外圍電路，并 用 Protel 軟件 進行了電路圖的繪制。另外對電子技術有了新的更高的認識，尤其是對它的實際運用有了較全面的認識。 畢業(yè)設計（論文） 30 謝 辭 當我以學子的身份踏入 大學校門的那天起，便已注定我將在這里度過人生中最美麗的青春年華。 感謝我的父母，我的家人。 在此，祝劉老師 ，以及所有關心我的人和 我所關心的人身體健康，工作順利，心情愉快，幸福平安 ！ 畢業(yè)設計（論文） 31 參考文獻 [1] 張占松，蔡宣三 .開關電源的原理與設計 [M].北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020. [2] 童