【正文】 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。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。當控制 極電壓低于 時， MOSFET 管關(guān)閉，控制 電路 處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向 Uc充電，其關(guān)斷 /自動復(fù)位滯回比較器可使 Uc保持在 ~ 之間。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。當控制極電壓 Uc 達到 時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向 Uc 供電。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。小散熱片在內(nèi)部與 S 腳連接控制漏極。 (6) 保護電路及尖峰抑制電路：保護電路有欠壓保護電路、過流保護電路和過熱保護電路。 13 (4) 誤差放大器：誤差放大器的同相端接 精密基準電壓，反相端接控制極反饋取樣電壓，誤差放大器的增益由控制極的動態(tài)電阻 Zc 決定。 (3) 柵極驅(qū)動電 路：柵極驅(qū)動電路按一定速率導(dǎo)通 MOSFET 管，同時為了提高精度，柵極驅(qū)動電路還可以實現(xiàn)逐周電流限制。 (2) 脈沖寬度調(diào)制器（ PWM）：流入控制極的電流在電阻 RE 兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng) RC 濾波后，輸入到 PWM 控制器的同相端，與振蕩器輸出的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。 圖 21 TOPSwitchⅡ 芯片的工作 原理圖 (1) 振蕩器：振蕩器通過內(nèi)部電容器線性地充放電，產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需的鋸齒波電壓。 Zc 為控制端的動態(tài)阻抗； RE 為誤差電壓檢測電阻； RA 與 CA 構(gòu)成截止頻率為 7kHz 的低 12 通濾波器。 (10) 其工作溫度范圍是 0~70℃，芯片最高結(jié)溫 TJM=135℃。此外，它還適配 L4960/L4970A 系列可調(diào)式單片關(guān)式集成穩(wěn)壓器，組成電壓連續(xù)可調(diào)、大電流輸出的復(fù)合式開關(guān)電源。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達 80%左右，最高能達到 90%，因此被譽為“綠色” (節(jié)能型 )電源。由 TOPSwitchⅡ構(gòu)成 5W 以上的開關(guān)電源，在成本上可與相同功率的線性集成穩(wěn)壓電源相競爭。 (6) 外圍電路簡單，成本低廉。反饋電路有 4 種基本類型， 能構(gòu)成各種普通型或精密型開關(guān)電源。為完成多種控制、偏值及保護功能，其控制端屬于多功能引出端，實現(xiàn)了一腳多用。 %。 %(均為典型值 )。以由 TOP223Y 構(gòu)成的 11 開關(guān)電源模塊為例，其電壓調(diào)整率 (又稱線性調(diào)整率 )SV=177。 15%；在寬范圍電壓輸入時，適配 85~265V交流電，但 POM 值要比前者降低 40%，這是因為后者的工作條件更為苛刻，必須對輸出功率加以限制。 (3) 輸入 交 流電 壓 和頻 率 的 范圍 極 寬。它不需要外接大功率的過流檢測電阻，外部也不必擔供啟動時的偏值電流。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管 (MOSFET)、自動偏值電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離、反激式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。 TOP Switch 主要用于 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有體積小，重量輕，寬輸入范圍（ 85V265V），提供了 PI Expert 專家系統(tǒng)設(shè)計軟件，便于用戶更快地設(shè)計出自已的產(chǎn)品。 TOPSwitchⅡ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(shè)計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。 Vo降低，反之亦然。 脈沖頻率調(diào)制式開關(guān)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。 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的工作原理：交流 220V 輸入電壓 經(jīng)過整流濾波電路變成直流電壓，在由開關(guān)功率管斬波和高頻電壓器降壓，得到高頻矩形波輸入整流濾波 功率轉(zhuǎn)換電路 高頻變壓器 輸出整流濾波 取樣器 比較器 脈寬調(diào)制 振蕩器 基準電壓 DC AC 9 電壓，經(jīng)整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓，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)動符號，控制開關(guān)功率管的通斷狀態(tài)，來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低達到穩(wěn)壓目的，鋸齒波發(fā)生器用于提供穩(wěn)定的時鐘頻率信號。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(guān)頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。目前， 這部分電路目前己集成化，制成了各種開關(guān)電源 的 專用集成電路。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，以達到電壓的 穩(wěn)定輸出 ）來實現(xiàn)的。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖 18 所示 ： 8 圖 18 開關(guān)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 。 圖 17 升降壓式 開關(guān)電源 開關(guān)電源的基本組成和原理 開關(guān)電源由整流濾波電路、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等部分組成。當開關(guān)管 VT1 截止時，電感 L 中的電流繼續(xù)流通，并感 應(yīng)出上負下正的電壓，經(jīng)二極管 VD1 向負載供電，同時給電容 C 充電。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。當開關(guān)管 VT1 截止時，電感 L 感應(yīng)出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)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(guān)電源。 圖 15 降壓式開關(guān)電源 升壓式開關(guān)電源 升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖 16 所示。當開關(guān)管 VT1 截止時，電感 L 感應(yīng)出左負右正的電壓，經(jīng)負載 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。 6 圖 14 推挽式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖 15 所示。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)管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。 圖 13 自激式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖 14 所示。電路中由于負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。像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器 T 的次級繞組向負載輸出所需的電壓。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、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載。接入電源后 R1 給開關(guān)管 VT1 5 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)射極為負的正反饋電壓，使 VT1 很快飽和。因此，實際應(yīng)用并不多。由于這種電路在開關(guān)管 VT1 導(dǎo)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。 在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管 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。它與單端反激式電路在形式上相似，但工作情形不同。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。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撲方式。 圖 11 單端反激 式開關(guān)電源 4 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。當開關(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，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。 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載之間的，屬于降壓式穩(wěn)壓電路 ， 而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是 與 輸出負載 相并聯(lián)的，屬于升壓式電路 ；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。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)及連接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等 。 3 1 開關(guān)電源的分類及原理 開關(guān)電源的分類 開關(guān)電源的分類方法有多種 。 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)輸入欠壓保護、過壓保護等功能。具有較強的適用性。 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，有力地促進了開關(guān)電源的高效化、模塊化和集成化。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 。 開關(guān)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(dǎo)產(chǎn)品。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。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。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。 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。 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(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。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。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。 (4) 對給出的具體實例電路進行仿真測試研究，得出結(jié)論并加以分析。根據(jù) TOP223Y 的特性給出了單端反激式開關(guān)電源的工程設(shè)計方法。 (2) 介紹反激式開關(guān)電源的工作原理以及 TOP223Y 芯片。為研究的論題 — 基于反激式變換器的開關(guān)電源研究作鋪墊。目前已成為國際上開發(fā)中 、 小功率開關(guān)電源 ， 精密開關(guān)電源及電源模板的優(yōu)選集成電路。 I 20W 小功率開關(guān)電源的設(shè)計 2020 年 5 月 I 20W 小功率開關(guān)電源的設(shè)計 The Design of 20W Lowpower Switching Power Supply I 摘 要 開關(guān)電源具有功耗小 ， 效率高 ， 穩(wěn)壓范圍廣 ， 體積小等突出優(yōu)點 ， 在通信設(shè)備數(shù)控裝置 ， 儀表儀器影音設(shè)備 ， 家用電器等電子電路中得到廣泛應(yīng)用。 TOP 系列電源為美國 POWER INTEGRATION 公司生產(chǎn)的集成開關(guān)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(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點。 本論文主要有以下內(nèi)容： (1) 介紹開關(guān)電源的發(fā)展史、分類及發(fā)展趨勢，開關(guān)電源常用的幾種控制方法。最后講述了本課題的研究意義和工作內(nèi)容。 (3) 設(shè)計了基于 TOP223Y 芯片的單端反激式開關(guān)電源。對外圍電路的設(shè)計進行了分析和討論。 關(guān)鍵詞 :開關(guān)電源 TOP223Y 脈寬調(diào)制 單端反激式 II Abstract Switching power supply with low consumption, high efficiency, wide voltage, small advantage in munication equipment, CNC equipment, instrument audio equipment, household appliances