论文
可调试开关电源的设计与实现
摘要
电源电路是一切电子设备的基础。本实验依据TOP202Y构成的7.5V、15W的光耦反馈式单片AC/DC开关电源模块参数，设计出开关电源运行环境在交流输入电压
范围=85～265V ；输出电压( =2A)：=7.5V 0.375V；电源工作效率=80%
等参数条件下，筛选出配稳压管的光耦反馈电路为反馈电路类型，磁感应强度定在0.25T的E-E型铁氧体磁芯制成的变压器时，为最佳设计方案开发出可调试开关电源。
关键词：工作效率，稳压管，TOP202Y，调试
可调试开关电源的设计与实现
Abstract
Power supply circuit are all electronic equipment based on. The experimental evidence for TOP202Y.7.5V,15W optocoupler feedback type monolithic AC / DC switching power supply module parameters, design of switching power supply operating environment in the AC input voltage range = 85 ~265V; output voltage ( = 2A ): =
7.5V 0.375V; power efficiency = 80% parameter conditions, screening out with a voltage stabilizing tube the optical feedback circuit feedback circuit type, magnetic induction intensity in 0.25T E-E type ferrite core made of the transformer, as the optimal scheme is developed which can debug switch power supply.
Keywords: Work efficiency，regulator，ferrite，debugging
可调试开关电源的设计与实现
目录
摘要............................................................................................................................................ I Abstract .............................................................................................................................................. I I 第1章绪论. (1)
第2章开关稳压电源简介 (2)
2.1 开关电源的基本构成 (2)
2.2 输入电路 (2)
2.3 变换电路 (2)
2.4 控制电路 (3)
2.5 输出电路 (3)
第3章TOPSwitch开关电源典型模块 (4)
3.1 TOPSwitch系列器件特点 (4)
3.2 TOPSwitch—Ⅱ系列器件的特点 (4)
3.3 TOPSwitch—FX系列器件简介及特点 (4)
3.3.1 TOPSwitch－FX产品简介 (4)
3.3.2 TOPSwitch－FX系列特点及功能 (4)
3.4 TOPSwitch-GX的性能特点 (5)
第4章基于TOP202Y的开关电源设计 (7)
4.1 开关电源模块原理图 (7)
4.2 单片开关电源外围电路设计 (9)
4.2.1 确定开关电源的基本参数，选择合理的设计方案 (9)
4.2.2 输入整流滤波电路设计 (10)
4.2.3 钳位保护电路的设计 (11)
4.2.4 开关电源电路中高频变压器主要参数设计 (12)
4.2.5 输出整流滤波电路设计 (18)
4.2.6 恒功率控制部分 (19)
可调试开关电源的设计与实现
4.2.7 电路设计中其他部分元件的作用 (19)
结论 (20)
参考文献 (21)
致谢 (22)
第1章绪论
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，任何电子设备都离不开可靠的电源。电源是电子设备的心脏，没有电源所有的电子产品都是无法工作的。随着电子技术的高速发展，对电源也提出了更高的要求。现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关型稳压电源，线性稳压电源的稳压性能好，输出波纹小，但要使用较大的工频变压器，而且稳压效率较低。开关型稳压电源效率高，体积小，但输出的波纹及产生的电磁干扰比较大。但线性稳压电源的优点也是开关电源不可比的：调整速度快、纹波小、干扰小，正是这些优点，使得线性稳压电路在数字电路、CPU供电（家电中的）、信号处理等对电源质量要求较高的电路中得到了广泛应用。
第2章开关稳压电源简介
2.1开关电源的基本构成
一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。其原理框图如图2-1所示。
图2-1一个典型的开关电源原理框图
2.2输入电路
输入电路包括线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。线性滤波电路用来抑制谐波和噪声，保证输入信号的质量；浪涌电流抑制电路用来抑制来自电网的浪涌电流，确保后端电路能工作在正常的电压电流范围内，起到提高电源的寿命的作用；整流电路用来把交流变为直流。有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。要求高的还可能将两种方式同时使用。
2.3变换电路
变换电路包括开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。这一级的开关功率管是其核心器件，最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。
开关电路按其驱动方式可分为自激式和他激式；按电路类型可分为隔离型、非隔离型和谐振型；按调制方式可分为PWM、PFM和混合型三种。
2.4控制电路
控制电路主要向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。其中基准电路为系统提供电压基准；采样电路负责将输出电压的部分或全部采样回来与基准电压进行比较；比较放大电路把采样信号和基准信号进行比较，产生误差信号，用于控制电源的PWM或PFM电路；振荡器用来产生高频振荡波；基极驱动电路把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。
2.5输出电路
输出电路包括输出整流和输出滤波电路。其功能是把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
第3章TOPSwitch开关电源典型模块
3.1TOPSwitch系列器件特点
TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：
（1）成本低廉。
（2）系统效率高。
（3）电源设计简化。
（4）应用灵活性高。
（5）功能完善的系统级故障保护。
3.2TOPSwitch—Ⅱ系列器件的特点
TOPSwitch Ⅱ器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：
（1）本钱低廉
（2）电源设计简化
（3）功能完善的保护
3.3TOPSwitch—FX系列器件简介及特点
3.3.1TOPSwitch－FX产品简介
TOPSwitch-FX系列TOPS232～234芯片采用改进的TOPSwitch技术制造而成。它把高压功率MOSFET管、PWM控制保护及其它控制功能集成到了一个CMOS芯片中。另外，它与TOPSwitch-II系列比起来，所有的关键参数如频率、电流范围、PWM增益等等都具有更好的温度性能及抗干扰能力。
3.3.2TOPSwitch－FX系列特点及功能
其性能特点如下：
（1）（该系列产品除具备TOPSwitch Ⅱ系列的全部优点之外，还增加了软起动、外部设定极限电流、过压关断、欠压保护、过热滞后关断、遥控、同步等功能;
（2）只需改变开关频率选择端和多功能端的外部接线，即可实现14种控制功能：全频工作方式，半频工作方式，同时实现MTD2002过压和欠压保护，仅
过压保护，仅欠压保护，从外部设定极限电流，控制开关电源通/断等;
（3）增加了外部可编程设定极限电流ILIMIT及频率抖动功能，不仅使用方便，还能有效抑制高次谐波干扰;
（4）当开关电源模块的负载减轻时，它采取跳过周期的方式来降低占空比，使输出电压保持稳定。即使空载时也不用接假负载。
管脚功能为：
TOPSwitch FX系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9种型号，尾缀P、G、Y分别表示DIP-8、SMD-8、TO-220-7B封装。其最大输出功率为75W。其中，TOP220 7B封装有5个引出端，它们分别是控制端C，多功能端M，源极S，MTD2002开关频率选择端F，漏极D。DIP-8和SMD-8封装没有F端，等效于四端器件。多功能端主要有6种功能：
（1）线路过压（OV）保护
（2）线路欠压（UV）保护
（3）利用线路电压前馈来降低空比Dmax
（4）从外部设定芯片的极限电流I′LIMIT
（5）遥控（亦称远程通/断）
（6）外同步
将开关频率选择端接源极时，开关频率f=130kHz;接控制端时，开关电源模块开关频率变成f/2=65kHz。若将M、F端均接S极，TOPSwitch FX即工作在三端模式下，与TOPSwitch Ⅱ相似。
3.4TOPSwitch-GX的性能特点
TOPSwitch-GX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitch?FX之后，于2000年底新推出的第四代单片开关电源集成电路，并将作为主流产品加以推广。其特点为：
（1）该系列产品除具备TOPSwitch FX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。
（2）采用TOP220 7C封装的TOP242～TOP249产品，新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitch FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。
（3）将开关频率提高到132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。
（4）当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz （半频模式下则由66kHz降至15kHz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。
（5）采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通／断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为160mW。
第4章 基于TOP202Y 的开关电源设计
4.1 开关电源模块原理图
本课题主要研究由TOP202Y 构成的7.5V 、15W 的光耦反馈式单片AC/DC 开关电源模块。该模块的主要技术指标如下：
交流输入电压范围:u =85～265V
输入电网频率:L f =47～440Hz
输出电压(o I =2A)：O U =7.5V ± 0.375V
最大输出电流：OM U =2A
连续输出功率：O P =15W
峰值输出功率：
)(PK O P =30W 电压调整率（
u 从85V 变化到265V ）：V S =±0.5% 负载调整率(o I 从10%OM I 变化到100%OM I )：I S =±1%
电源效率：η=80%
输出纹波电压的最大值：±50mV
此7.5V ，15W 的开关电源电路如图4-1所示。其交流输入电压范围U i =85V ～265V ,AC ，输入电网频f =47Hz ～440Hz ，电压调整率SV=±0.5％,负载调整率SI=±1％，电源效率达80％，输出纹波电压的最大值为±50mV 。该电源采用带稳压管（VDZ2）的光耦反馈工作方式。电路中共使用两片集成电路，IC1为TOP202Y 型单片开关电源，IC2是日本产NEC2501－H 型线性光耦合器。FU 为3A/250V 保险管。C6与L2构成交流输入端的电磁干扰（EMI ）滤波器。C6能滤除由初级脉动电流产生的串模干扰，L2可抑制初级绕组中产生的共模干扰。C7和C8为安全电容，能滤除由初、次级绕组之间耦合电容所产生的共模干扰。宽范围电压输入时，85V ～265V 交流电经过整流器BR 、C1整流滤波后，获得直流输入电压Ui 。由VDZ1和VD1构成的漏极钳位保护电路可将由高频变压器漏感产生的尖峰电压钳位到安全值以下，并能减小振铃电压。VDZ1选用P6KE150型瞬
态电压抑制器（TVS），其钳位电压为150V，钳位时间仅1ns，峰值功率是5W。VD1需采用UF4005型1A/600V的超快恢复二极管（FRD），其反向恢复时间trr=30ns。
次级电压经VD2，C2，L1，C3整流滤波后产生＋7.5V的输出电压。R2和VDZ2与输出端并联，构成开关电源的假负载，可提高空载或轻载时的负载调整率，反馈绕组电压经过VD3整流、C4滤波后，得到反馈电压，再经过光敏三极管给TOP202Y提供一个偏置电压。VD2选择UGB8BT型超快恢复二极管，为降低功耗，还可选肖特基二极管。
图4-1 7.5V，15W开关电源的电路
光耦合器IC2和稳压管VDZ2还构成了TOP202Y的外部误差放大器，能提高稳压性能。当输出电压UO发生变化时，由于VDZ2具有稳压作用，就使光耦中LED的工作电流IF发生变化，进而改变TOP202Y的控制端电流IC，再通过调节输出占空比，使UO保持稳定，这就是其稳压原理。R1为LED的限流电阻，并能决定控制环路的增益。C5是控制端旁路电容，除对环路进行补偿之外，还决定着自动重启动频率。高频变压器选用EE22型铁氧体磁芯，图3中的NP，NS和NB分别代表初级、次级、反馈绕组的匝数。初级电感量LP=620μH±10％，漏感量LP0≤11μH。用protel DXP软件绘制原理图如图4-2所示。
图4-2 protel DXP 软件绘制原理图
4.2 单片开关电源外围电路设计
在本设计中，由于TOP202Y 芯片集成度高，设计工作主要是外围电路设计。外围电路基本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、恒功率控制电路等部分。
4.2.1 确定开关电源的基本参数，选择合理的设计方案
根据表4-1确定交流输入电压的最大值（min U ）、最小值（max U ）
表4-1 交流输入电压
参数如下：
（1）min U =85V 、max U =265V 。
（2）电网频率L f :50 Hz
（3）开关频率：100Z KH
（4）输出电压o U ：7.5V
（5）输出功率o P ：15W
（6）电源工作效率η：80%
根据要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压FB U ，可从表2四种反馈电路中选择一种合适的的电路，并确定反馈电压FB U 的值。
表4-2 反馈电路的类型及FB U 参数值
由于课题给出主要技术指标，选择配稳压管的光耦反馈电路为反馈电路类型，同时也可得V U FB 12=。
4.2.2 输入整流滤波电路设计
输入整流滤波电路包括交流滤波、整流、电容稳压三部分，如图4-3所示：
图4-3 TOP202Y 为整流滤波电路
该模块中，FU 为3A 的保险管。6C 与2L 构成交流输入端的EMI 滤波器，
提高了抗共模干扰以及串模干扰的能力，其中6C 能滤除有初级脉动电流产生的
串模干扰，2L 可抑制初级绕组中产生的共模干扰。
4.2.3 钳位保护电路的设计
钳位保护电路如图4-4所示。
图4-4 钳位保护电路
4.2.4 开关电源电路中高频变压器主要参数设计
（1）变压器磁芯的选择
目前，高频开关电源变压器所用的磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品的成本方面来考虑不宜采用。非晶合金和超微晶材料的饱和磁感应强度虽然高，但在假定的测试频率和整个磁通密度的测试范围内，它们呈现的铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率的制约，它们也不宜采用。虽然铁氧体材料的损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应轻度也比非晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种集合形状的铁芯。对于大功率、低漏磁变压器设计，用E-E 型铁氧体磁芯制成的变压器使最符合其要求的，而且E-E 型铁芯很容易用铁氧体材料制作。所以，综合来考虑，变压器的变压器磁芯选择铁氧体材料，E-E 型。
（2） 工作磁感应强度的确定
工作磁感应强度W B 是开关电源变压器设计中的一个重要指标，它与磁芯结构形式、材料性能、工作频率及输出功率的因素有关。若工作感应强度选择太低，则变压器体积重量增加，匝数增加，分布参数性能恶化；若工作磁感应强度选择过高，则变压器温升高，磁芯容易饱和，工作状态不稳定。一般情况下，开关电源变压器的W B 值应选在比饱和磁通密度S B 低一些，对于铁氧体材料，工作磁感应强度选取一般在0.16T 到0.3T 之间，。设计中，根据特定的工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.25T ，即T B W 2.0=。
（3）变压器的主要参数计算
已知参数的确定
这些参数由设计人员根据要求和电路的特点确定，包括：
电容滤波后的直流电压输入范围：min i U ～max i U =120V ～374V
输出电压
o U =7.5V 输出功率o P =15W
工作效率η=80%
开关频率f =100Z KH
开关管导通压降DS U =10V
确定最大占空比（max D ）或者反激电压（OR U ）之一
DS i OR OR U U U U D -+=
min max 整理可得
()max max
min 1D D U U U DS i OR -?-=
在反激变压器中，副边反射电压即反激电压（OR U ）与输入电压之和不能高于主开关管的耐压同时还要留有一定的裕量。对于TOPSwitch 器件OR U 一般取80V ～135V 。确定了OR U 即可确定最大占空比max D 。根据OR U 即可确定最大占空比max D 。根据OR U 计算得到的max D 一定不能超过器件允许的最大占空比。反激电压OR U 的选取不是任意的。对于宽范围电压输入一般取135V ,对于多路电源输出一般取100V 。
本课题中采用第一种方式，取V U OR 135
=，此时计算出 %5510120135135min max =-+=-+=DS i OR OR U U U U D
确定初级脉动电流R I 与峰值电流
p I 的比值如图4-5所示： P R RP I I K =
在电流连续模式下1