小功率开关电源设计及关键技术研究

小功率开关电源设计及关键技术研究

【摘要】开关电源作为新型高效电源，在现代社会发挥了越来越大的作用。本文探讨了开关电源的工作原理，完成了开关电源中各个关键部分的设计，包括拓扑结构、EMI滤波器、高频变压器、控制电路、输出滤波电路等，并在此基础上完成了基于TOP234Y的开关电源整体电路设计。在完成设计的基础上，进行了电路仿真，最终的仿真结果表明所设计的电路达到预期效果，各项指标满足要求。

【关键词】开关电源；EMI滤波；高频变压器；TOP234Y

0 引言

现代电子设备正朝着小型化，低成本化方向发展，这要求其电源系统也要朝着轻、薄、小和高效率方向发展。传统的线性电源无法克服其工频变压器体积庞大，效率低下等缺点，越来越难以满足现代电子设备特别是小型化设备的要求。而开关电源采用功率管为核心器件，具有功耗低，体积小等优点。因此，研究开关电源的设计及其关键技术，具有很好的科研价值及经济意义[1]。

1 开关电源工作原理

1.1 拓扑结构选择

在常用的开关电源拓扑结构中，反激式变换器相比于正激式拓扑结构和推挽式拓扑结构，具有适用于低于150W小功率开关电源的优点[2]。

这种拓扑结构工作时，变压器原边驱动导通的时候，其副边不会向负载供电，原副边交错导通，因此叫反激式。单端反激式拓扑结构简单，只需增加二次绕组和相关电路就可获得多路输出，而且重量轻体积小，传输功率为20～100W，因此常常用于小型的仪表仪器、家用电器电源等中小功率变换场合。其输出电压为：

1.2 电磁干扰滤波器设计

现代电子设备正逐渐变得越来越复杂，由此产生的各种电磁干扰问题往往会造成电子设备无法正常工作，成为设计中不得不考虑的重要因素。在开关电源设计中，电源噪声是电磁干扰的主要干扰，属于射频干扰[3]。

1.3 高频变压器设计

交流电源经全桥整流滤波后变成直流，R1与R2组成的电压检测电路用于欠压和过压保护。T1为反激式高频变压器；D3用于高频整流；L3，C10，C11为输出整流滤波器；反馈回路由稳压器TL431和光电耦合器PC817A组成，通过反馈作用使输出电压动态稳定；C5，R3，FR106构成漏极钳位电路，用于保护

控制器内部的集成MOSFET[6]。

图2 单端反激式多输出开关电源原理图

上电时，TOP234Y开始工作，当达到启动电压阈值时，内部MOSFET开始斩波；通过高频变压器的快速电能变换，迅速将能量传递到二次侧，建立输出电压；当输出电压达到设计值时，反馈回路发生作用，通过调节开关周期来维持输出电压的恒定。

3 仿真分析

本文利用Saber软件对电路原理图进行仿真。

3.1 变压器一次侧波形分析

考虑计算误差与实际情况，电路仿真建模时选用的输出电感值分别为90μH 和780μH。仿真后得到变压器的一次侧电压电流波形如图3：

将该波形图放大后得到图4，通过波形可以看出，变压器一次侧电压电流波形基本满足条件。

3.2 总输出电压波形模型

对整体电路原理图进行仿真，得到总输出电流电压波形如图5所示。

图5 最终两路输出电压波形

第一部分变压器设计中，设置两路输出分别为5V和15V。仿真输出模型中可见两路输出值分别为5.2569V和15.072V，并且输出稳定。考虑到实际误差，最终输出基本贴近理论值。

4 总结

本文在给出开关电源一般工作原理的同时，对小功率开关电源设计的关键部分进行了研究，包括电路拓扑结构、EMI滤波器、高频变压器参数计算与设计。然后选择基于TOP234Y芯片进行了小功率多路输出的开关电源整体电路设计，并给出了仿真结果，结果参数表明所进行的电路设计结构合理，达到了期望指标。