【正文】 具有輸出電壓低、輸出電流變化范圍廣等特點(diǎn) 。 但是，信息處理和控制的功能越來越強(qiáng)大、信息處理速度越來越快，使得供電電壓一降再降，比如、 、 等等。因此，這些都對(duì)開關(guān)電源提出了越來越高的要求。 當(dāng)前，隨著人們生活水平的提高，更多種類的家用電子設(shè)備進(jìn)入到了普通家庭中，給我們的生活帶來了無限樂趣。在 DVD 的播放中，對(duì)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(duì)播放機(jī)的性能和機(jī)器壽命將會(huì)產(chǎn)生很大的影響。況且，開發(fā)出效率畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 更高的開關(guān)電源，也是當(dāng)前節(jié)能降耗的要求，符合綠色能源、綠色產(chǎn)品這一趨勢。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(shí)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。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源， 這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。 ，效率高。這使得開關(guān)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(dá)到 80%。從開關(guān)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。由于這兩方面原因，所以開關(guān)電源的體積小，重量輕。從開關(guān)電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的 開關(guān)電源。開關(guān)電源的工作頻率目前基本上是工作在 50kHz，是線性穩(wěn)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。電路形式靈活多樣，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)電源。到了１９６９年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了２５千赫的開關(guān)電源。目前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的１００ kH z、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的５００ kHz 電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。然而，開關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。其中，為防止隨開關(guān)啟 閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用 RC 或 LC 緩沖器，而對(duì)由二畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 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TOP224Y 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)測結(jié)果分析，驗(yàn)證了理論的可行性。 本 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 30W 的小功率 雙輸出 開關(guān)電源。主要采用 TOP225Y、 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)電源的典型電路如圖 21 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)電源的典型電路如圖 22 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 22 單端正激式開關(guān)電源 自激式開關(guān)電源的典型電路如圖 23 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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 26 升壓式開關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖 27 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 、 反轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓 DC AC 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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 29： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 29 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的工作原理 TOP SwitchⅡ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 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。 采用 TOP Switch 器件的 開關(guān)電源與采用分立的 MOSFET 功率開關(guān)及PWM 集成控制器的開關(guān)電源相比，具有以下特點(diǎn)： 成本低廉。 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(guān)電路相比，偏置電流顯著降低；開關(guān)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(dòng)偏壓電流的電路均可除去，系統(tǒng)效率大大提高。 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)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 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 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 )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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 3 章 基于 TOP225Y 開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)流程圖 開始 生產(chǎn)準(zhǔn)備 設(shè)計(jì)指標(biāo) 根據(jù)常規(guī)的設(shè)計(jì)要求選擇一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)變壓器導(dǎo)線規(guī)格 確定半導(dǎo)體器件的型號(hào) 設(shè)計(jì)輸出電壓選擇整流器與濾波電容 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路 選擇控制方式和控制 IC 設(shè)計(jì)基本功能 設(shè)計(jì)電壓反饋和交叉調(diào)整電路 設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路和 Vcc 電路 根據(jù)要求設(shè)計(jì)過電壓過電流和緊急保護(hù)電路 設(shè)計(jì)接口電路和功能 設(shè)計(jì)需要的散熱器和熱轉(zhuǎn)移方面的考慮 考慮 PCB 布置和結(jié)構(gòu) 測試所有功能 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改 在測試室進(jìn)行測試