【正文】 產(chǎn)生浪涌 或噪聲。其中，為防止 2 隨開關(guān)啟 閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用 RC 或 LC 緩沖器，而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。當(dāng)前，世界上許多國(guó)家都在致力于數(shù)兆 Hz 的變換器的實(shí)用化研究。當(dāng)今開關(guān)電源正向著集成化、智能化的方向發(fā)展。 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。本文采用 TOP223Y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(jì)方法，并進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，通過實(shí)測(cè)結(jié)果分析，驗(yàn)證了理論的可行性。 本文 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(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作出一種額定輸出功率為 20W 的小功率 單輸出 開關(guān)電源。主要采用 TOP223Y、 PC81 TL431 等專用芯片以及其他的電路元件相配合 來完成 。 按 驅(qū)動(dòng) 方式來分可分為自激式和它激式 。 單端式僅用一個(gè)開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩個(gè)開關(guān)管，全橋式則采用四個(gè)開關(guān)管 ； 按開關(guān)管的連接方式 可 分為串聯(lián)型與并聯(lián)型開關(guān)電源 。 單端反激式開關(guān)電源 單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖 11 所示。當(dāng)開關(guān)管VT1 截止時(shí)，變壓器 T 副邊上的電壓極性顛倒，使初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量通過 VD1 整流和電容 C 濾波后向負(fù)載輸出。并且開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)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。但是，它也有一定的缺點(diǎn)，如開關(guān)管截止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。 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 12 所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí) , VD2 也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感 L 儲(chǔ)存能量：當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感 L 通過續(xù)流二極管 VD3 繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。電路中脈沖的占空比不能大于 50%。但變壓 器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大。 圖 12 單端正激式開關(guān)電源 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 13 所示。同時(shí) ，感應(yīng)電壓給 C1 充電。在 VT1 截止時(shí)， 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。 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。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。它屬于雙端式變換電路，使用兩個(gè)開關(guān)管 VT1 和 VT2，在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替導(dǎo)通與截止，在變壓器 T 次級(jí)繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。電路的輸出功率較大，一般在 100～ 500W 范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，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(chǔ)能增加。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。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感L 儲(chǔ)存能量。 7 圖 16 升壓式開關(guān)電源 升降壓式開關(guān)電源 升降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖 17 所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1導(dǎo)通時(shí)，電感 L 儲(chǔ)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。降壓式、升壓式、升降壓式開關(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。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 。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(gè)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?供給用電設(shè)備。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(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。 PWM 的基本工作方式及原理 開關(guān)電源有兩種基本形式：一種是脈沖寬度調(diào)制（ PWM）其特點(diǎn)是固定開關(guān)的頻率。二者的電路不同單作用效果相同，均可達(dá)到穩(wěn)壓之目的，都屬于時(shí)間比率控制方式 TRC。利用誤差放大器和 PWM 比較器形成閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)，加入由于某種原因是 Vo 升高時(shí)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下降，導(dǎo)致 Vo 降低，反之亦然。其穩(wěn)壓原理是：當(dāng) Vo 升高時(shí)，遙控制器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度入變窄而周期變短，使得占空比 D 下降。見圖 19： 圖 19 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的工作原理 10 2 TOP SwitchⅡ芯片介紹 TOPSwitchⅡ系列的特點(diǎn) 美國(guó)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(guó)功率集成公司又推出了 TOP SwitchⅡ系列器件。與 TOP Switch 系列器件相比， TOP SwitchⅡ系列器件在輸入電壓為 100V、 115V 或 230VAC 時(shí)，系統(tǒng)功率從（ 0～ 100） W提高到（ 0～ 150） W，在三種電壓下均可工作時(shí)，系統(tǒng)的功率從（ 0～ 50） W提高到（ 0～ 90） W，從而使得 TOP SwitchⅡ器件可在如電視、監(jiān)視器以及音頻放大器等許多新的應(yīng)用范圍內(nèi)使用。 TOPSwitchⅡ系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)： (1) 將脈寬調(diào)制 (PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。由于采用 CMOS 電路，使器件功耗顯著降低。 (2) 它屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的 AC/DC 電源變換器，即電流控制型開關(guān)電源。 作 固定 電 壓輸 入 時(shí)可 選110V/115V/230V交流電，允許變化177。輸入頻率范圍是 47~440HZ。 %，負(fù)載調(diào)整率 (亦稱電流調(diào)整率 )S1=177。若采用光耦反饋式并且外接由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431 構(gòu)成的誤差放大器，則 SV、 S1 分別可以達(dá)到177。 (4) TOPSwitchⅡ只有三個(gè)引出端，可以同三端線性集成穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無工頻變壓器的反激式開關(guān)電源。它具有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式。 (5) 開關(guān)頻率的典型值為 100KHZ，允許范圍是 90~110KHZ，占空比調(diào)節(jié)范圍是 %~67%。外部?jī)H需整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。 (7) 電源效率高。 (8) 若 將它配以低壓差線性集成穩(wěn)壓器，則可構(gòu)成一種新型復(fù)合式開關(guān)電源，既保留了開關(guān)電源體積小、效率高之優(yōu)點(diǎn)，又具有線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性好、紋波電壓低等優(yōu)良特性。 (9) 采用這種芯片能夠降低開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI)。 TOPSwitchⅡ結(jié)構(gòu)組成 TOPSwitch Ⅱ的內(nèi)部框圖如圖 21 所示，主要包括 10 個(gè)部分： (1)控制電壓源； (2)帶隙基準(zhǔn)電壓源； (3)振蕩器； (4)并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；(5)脈寬調(diào)制器； (6)門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)； (7)過流保護(hù)電路； (8)過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路； (9)關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路； (10)高壓電流源。 TOPSwitchⅡ的基本原理是利用反饋電流 Ic 來調(diào)節(jié)占空比 D，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。振蕩器設(shè)定為 100kHz 固定頻率，用于開關(guān)電源時(shí)，有助于提高效率和減少電磁干擾（ EMI）。 PWM 控制器的輸出脈沖寬度與控制極電流 Ic成反比，該信號(hào)驅(qū)動(dòng) MOSFET 管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。逐周電流限制電路采用 MOSFET 管的導(dǎo)通電阻作為電流取樣電阻，限流比較器將 MOSFET 管導(dǎo)通時(shí)的漏源電壓 VDS（ ON）與設(shè)定的限流保護(hù)閾值作比較，當(dāng) VDS（ ON）大于閾值電壓時(shí) MOSFET 管關(guān)閉，直到下一個(gè)周期。 (5) 關(guān)閉 /自動(dòng)重新啟動(dòng)功能：為了減少 TOPSwitchⅡ芯片的功耗，當(dāng)電路超過調(diào)整狀態(tài)時(shí)，關(guān)斷 /自動(dòng)重新啟動(dòng)功能僅以 5%的占空比接通和關(guān)斷電源。尖峰抑制電路用來防止比較器誤動(dòng)作。 TOPSwitchⅡ芯片的工作原理 TOP Switch 芯片是一個(gè)自偏置、自保護(hù)的電流占空比線性控制轉(zhuǎn)換器。 電源 啟動(dòng)時(shí)，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在 RE 兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng) RC 濾波后，輸入到 PWM 比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)并驅(qū)動(dòng) MOSFET 管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實(shí)現(xiàn) 電路 的軟啟動(dòng)。在正常工作階段，由外界 電路 構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級(jí) MOSFET 的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。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(guān)電源的電壓減小。自動(dòng)重啟 電路 具有一個(gè)八分頻計(jì)數(shù)器，可以阻止輸出級(jí) MOSFET 再次導(dǎo)通，直到八個(gè)放電 充電周期完成為止。自動(dòng)重啟動(dòng) 電路一直工作到 Uc 進(jìn)入受控狀態(tài)為止。在 TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)整流管 VD2 截止，此時(shí)電能以磁能量形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中；當(dāng) TOPSwitch 截止時(shí)， VD2 14 導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)。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。在功率 MOSFET 關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級(jí)繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓 (即反向電動(dòng)勢(shì) )UOR，兩者疊加至內(nèi)部功率開關(guān)管 MOSFET 的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護(hù)電路。 當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致 VD1 截止，因而鉗位電路不起作用。 反饋繞組電壓經(jīng)過 VD CF 整流濾波后獲得反饋電壓 UF， 經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給 TOPSwitch 的控制端提供偏壓。輸出電壓 Uo 通過電阻 R R2 分壓，與 TL431 中的 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控制端電流 。比如： 當(dāng)某種原因使 Uo 減小， 將 導(dǎo)致 UF 減小， Ic 減小，進(jìn)而 D 增大 ， 又使 Uo 增大，最終使輸出電壓趨于穩(wěn)定 ， 反 之 亦然。 15 3 基于 TOP223Y 開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 技術(shù)指標(biāo)和性能要求 小功率通用開關(guān)電源 應(yīng) 具 備 小功率通用開關(guān)電源紋波 小、 電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。具體 技術(shù)指標(biāo)為 如下 ： 交流輸入電壓 ： 220V（ 85V～ 265V）；電網(wǎng)頻率 ： 50Hz； 開關(guān)電源頻率 ：100KHz；額定輸出功率： 20W；負(fù)載調(diào)整率 SI： 4%～ +4%；電源效率 H：高于 70%；空載 功率損耗：低于 （ 230V 時(shí)）；輸出紋波電壓： 低 于 120mV。通過 TO220（ Y）封裝的 TOPSwitchⅡ系列芯片的負(fù)荷能力（見表 31），并且計(jì)算其功率值，選擇相應(yīng)的芯片。 表 31 TO220（ Y）封裝的 TOPSwitchⅡ系列芯片的負(fù)荷能力 型號(hào) 單電壓輸入 110～ 230V 寬范圍輸入電壓 85～ 265V TOP221Y 12W 7W TOP222Y 25W 15W TOP223Y 50W 30W TOP224Y 75W 45W TOP225Y 100W 60W TOP226Y 125W 75W TOP227Y 150W 90W TOP223Y 的主要性能特點(diǎn)和元件選擇 TOP223Y 性能特點(diǎn) TOP223Y 是 TOPSwitchⅡ系列中一種常用的芯片，封裝形式為 TO220， 16 自 帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個(gè)管腳分別為控制端 C 、源極 S 和漏極 D，內(nèi)部功率 MOSFET 器件的耐壓值高達(dá) 700V， 可設(shè)計(jì)成 20W～ 30W 儀器儀表 的多路隔離式內(nèi)置控制電源。它有三種封裝形式。其外形與 7800 系列三端線性穩(wěn)壓器相同。 TOPSwitchⅡ的 3 個(gè)管腳分別為控制端 C(Control)、源極 S(Source)、漏極 D(Drain)。 a） TO－ 220 封裝 b） DIP－ 8 封裝和 SMD－ 8 封裝 圖 31 TOPSwitchⅡ 的管腳排列 17 控制電壓 Uc 的典型值應(yīng)為 ，極限電壓 UCM=9V，控制端的最大允許電流， ICM=100mA。源極 S 則接內(nèi)部功