1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 TOPSwitch 的开关电源设计一、课题研究意义及现状电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否可靠的工作。高频开关稳压电源已广泛用于基础直流电源，交流电源，各种工业电源，通信电源，逆变电源，计算机电源，UPS 不间断电源，医疗和照明电源，雷达高压电源，音响和视频电源等。它能把电网提供的强电和粗电，变换成各种电气设备和仪器所需要的高稳定度精电和细电。它是现代电子设备重要的心脏供血系统。维修人员发现，实际上电气设备的常见故障，有一半出在电源问题上。20 世纪 90 年代以来，高频功率变换技术飞速的发展，不断
2、涌现了新型电子电子器件，高智能化 IC 和新电路拓扑，创造出十年前意想不到的许多新型稳压电源。它们具有高性能，高效率，高可靠性和低噪音，低污染品质，极大地节约了电能，降低了材耗与成本，缩小了体积和重量，明显减少了电磁干扰。现代电源技术正以空前的规模改造着传统的旧式电气 TRODE 公司，IR 国际整流器公司（International Rectifier）,Micro Linear(微线公司)，美国 APT 公司，美国 POWER-Integrations 公司，MOTOROLA,IXYS 公司等。美国功率集成公司(PI 公司)在 1994 年推出了第一代 TOPSwitch 芯片，1997
3、年，美国功率集成公司又推出了 TOPSwitch系列器件。TOPSwitch系列器件和 TOPSwictch 系列器件相比，内电路作了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。2000 年 11 月最新推出TOPSwich-GX 系列。TOPSwitch 器件集 PWM 信号控制电路及功率开关场效应管（MOSFET）于一体，只要配以少量的外围元器件，就可构成一个电脑结果简洁，成本低，性能稳定，制作及调试方便的单端反激式单片开关电源。如果在高频开关电源仍面临着很多问题需要研究1 能否全面通过电磁兼容各项标准？2.能否大规模稳定生
4、产或快捷单件特殊生产？3.能否组建大容量电源？4.能否电气额定值更高（如功率因数）或更低（如输出电压）？5.能否使外形更加小型化，以适应使用场所的要求？二、课题研究的主要内容和预期目标本设计的主要内容和基本要求如下：学习开关电源相关的基础知识，学习 TOPSwitch 的结构和原理以及利用 TOPSwitch 设计开关电源的基本方法；在此基础上，设计制作基于 TOPSwitch 的反激开关电源，具体要求如下：（1）开关电源采用 TOPSwitch-GX 系列产品，输入输出隔离；（2）输入电压交流 220V10，频率 50Hz60Hz； （3）输出两路直流电压，一路 5V/2A，另外一路 12V
5、/1A，效率大于 70； （4）负载调整率小于 5，电压调整率小于 2。本设计要求完成基于 TOPSwitch 的反激开关电源的设计与制作。本设计的主要预期目标：（1） 熟悉电力电子的基础知识并能熟练应用；（2） 掌握 TOPSwitch-GX 系列芯片的功能和原理，在实际中熟练应用；（3） 将理论应用到实践中，锻炼分析问题和在实际中解决问题的能力；（4） 焊接技术；（5） 实现交流 220V 到直流 5V 等各种等级的电压变换；三、课题研究的方法及措施 利用电力电子技术对调压电路进行分析和研究以及设计，并选用大功率、快速的开关器件实现整流和电容放电控制，采用 PWM 技术实现升压变压初级交流
6、调速。本课题关键问题是研究和解决如何通过 TOPSwitch-GX这个芯片是实现电压的转换，最后通过仪器测试，对电路中的电压和电流的波形进行交流电压 EMI 滤波器整流滤波电路TOPSwitch-GX变压器整流滤波电路输出电压定量分析，给出符合要求的电路。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 20010 年 9 月 13 日 至 2010 年 5 月 17 日。2011 年 1 月 1 日至 2011 年 2 月 1 日:明确任务，查找资料，确定系统总体设计方案；2001 年 2 月 1 日至 2001 年 3 月 1 日:写文献综述，外文翻译 2001 年 3 月 1 日至 2001 年 3
7、 月 10 日：完成开题报告，准备开题答辩2011 年 3 月 10 日至 2011 年 3 月 31 日：完成换能电路设计和仿真，同时写论文；完成控制系统的软件设计，同时通过实验模拟测试2011 年 4 月 1 日至 2011 年 4 月 17 日：撰写毕业论文，完善与修改毕业论文；做好论文答辩的 PPT 资料，准备答辩，并提交所有电子文档材料。五、参考文献1.邱云兰.基于 TOPSwitch-GX 反激式变换器的高频变压器的设计J.现代电子技术.2009,21（1）：49-51.2.何东升，罗世能.基于 TOPSwitch-GX 系列单片开关电源应用设计J.通信电源技术.2007,03（1
8、）：34-39.3.张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社，2001 年.4.陈纬.TOPSwitch 单片机开关电源的原理及应用J.机械工程与自动化.2004,05（1）：9-11.5.张小华，张春喜.基于 TOPSwitch-的单片开关电源设计J.通信电源技术.2008,01（1）：4-15.6. 杨淑霞 . TOPSwitch 在开关电源中的应用 J. 电源技术应用 . 2002,04(1):10-23.7. 应建平,林渭勋.电力电子技术基础M.北京:机械工业出版社,2003 年.8. 姬志国，李晓峰，樊琛. 基于 TOPSwitch-II 的单片开关电源设计与实现
9、J.电子元器件应用.2009,02（1）：1-10.9.严俊兴.TOPSwitch-GX 单片开关电源的设计J.岳阳职业技术学院学报.2009,03（1）：23-25.10. 刘胜利. 现代高频开关电源实用技术M.北京:电子工业出版社,2001 年.11.刘永红.基于 TOPSwitch 的多路输出电源的设计J.电子产品世界.2007,08（1）：33-35.12. Raoji Patel,Glenn Fritz. Swtiching Power Supply Design ReviewEB/OL60 Watt Flyback Regulator.TI Application Report,S
10、LUPS058,1999.毕业论文文献综述电气工程及自动化开关电源的研究分析摘要：随着电力电子技术的逐渐发展，开关电源技术也逐渐成熟。开关电源以其小体积、高效率、低成本的优势逐渐代替了线性电源走进市场。关键词：开关电源；PWM 调制；MOSFET 开关管；电源1 引言电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作。生活的关系日益密切而电子设备都离不开可靠的电源，电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。进入 90 年代开关电源相继进入各种电子，电器设备领域、程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发
11、展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）和MOSFET 构成。开关电源比普通的线性电源效率高开关电源的发展与应用在节约能源。及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，开关电源比普通线性电源体积小，轻便化，更便于携带。2 开关电源国外发展1955 年美国罗耶（GH.Roger）发明的自激振荡推挽晶体管变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957 年美国查赛（Jen Sen）发明了自激式推挽双变压器，1964 年美
12、国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了 1969 年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了 25 千赫的开关电源。总的来说，开关电源经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低，效率不高，而且电路复杂，不易调试。在 20 世纪 70 年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源的控制电路实现了集成化。20 世纪 80 年代问世的单片开关电源稳压器，随着各种单片开关电源集成电路的问世。AC/DC 电源变换器的集成化变为现实。随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将
13、越来越突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统改的线性稳压电源虽然电路结构简单，工作可靠，但他存在着效率低，体积大，铜铁消耗量大，工作温度及调整范围小的缺点。3 开关电源国内发展我国的开关电源设计、研制和生产开始于 20 世纪 60 年代初期，到 60 年代中期进入了实用阶段。70 年代初期开始、研制、和生产无功率降压变压器的开关电源。1974 年研制成功了我国第一台工作频率为 10KHZ、输出直流电压为 5V 的无工功率降压变压器的开关电源。虽然这些年我国取得了进步但和发达国家相比，我国的技术还很落后。由于我国的半导体技术与工艺跟不上时代发展，导致我国自己研制和生产
14、的无工频降压变压器的开关电源关键器件，如开关晶体管，高频开关变压器磁性材料都是国外的，因此，我们最根本的问题是要提高我国的半导体技术和工艺。4 开关电源的优点1） 小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定， 因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减小电容、电感、及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。2） 高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容，光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
15、所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要提高系统的可靠性。3） 低噪音。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪音，所以尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。5 开关电源的缺点开关电源存在较为严重的开关干扰，开关稳压电源中，功率调整开关晶体管 V 工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖锋干扰和谐振干扰这些干扰如果不采用一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重的影响整机正常工作，此外由于开关电源振荡器没有工频变压器的隔离，这
16、些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。参考文献 1 林维明，林慧聪，陈学清.单芯片 DC-DC 集成开关电源现状及其发展J.2006 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文摘要.2006,09,01：34.2 中村茂，徐蓓娜. 开关电源的最新动向 J.电讯技术.1992,05（1）：1120.3 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社，2001 年.4 侯清江 ，张黎强 ，许栋刚. 开关电源的基本原理及发展趋势探析 J.制造业自动化.2010,09：9-11.5 高锐，陈丹，杨贵恒. 开关电源的数字控制技术 J.通信电源技术.
17、2009,03（1）：4-15.6 李洪文. 通信电源的发展现状及趋势 J. 通信世界. 2001,04(1):10-23.7 应建平,林渭勋.电力电子技术基础M.北京:机械工业出版社,2003 年.8 代天君. 开关电源中混沌现象的建模与仿真研究及小型电源的研制 J. 电子科技大学.2010,04（1）：1-10.9 张志科. 电源技术的发展与现状 J. 忻州师范学院学报.2004,03（1）：23-25.10 刘胜利. 现代高频开关电源实用技术M.北京:电子工业出版社,2001 年.11 汤璐. 开关电源的电磁兼容性研究 J. 天津理工大学.2007,12（1）：33-35.12 Raoj
18、i Patel,Glenn Fritz. Swtiching Power Supply Design ReviewEB/OL60 Watt Flyback Regulator.TI Application Report,SLUPS058,1999.13 Robert N.Buono;ADD a grounded-switch feature for TOPSWITCH on/off control.Electrical Design News.2007.毕业设计（20_ _届）基于 TOPSwitch 的开关电源设计摘 要开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断时间比率，维持稳定输
19、出电压的一种电源。现在将 PWM 控制器和 MOSFET 功率开关自启动电路、功率开关管、PWM 控制电路及保护电路一体化的集成开关电源模块芯片成为开关电源设计的主流发展趋势。实验利用新型 TOPSwitch 开关电源设计制作一个能够实现 220V 交流输入到 5V 直流输出的电路。实验介绍了 TOPSwitch 开关电源的发展情况，介绍了单端发激式电源设计原理，并引用 TOP244 芯片电路作为实例，详细介绍。利用公式计算变压器的具体数值的方法，通过公式计算自制变压器，组成一个完整的 TOP244 回路，实现电压的转换。并对电路中主要部分做出详细的阐述。实验主要应用到电力电子技术，EMI 滤
20、波器，光耦二极管，齐纳二极管，整流滤波电路，变压器逆变。 关键词：开关电源；TOP Switch-GX；PWM 控制器；反激式开关电源AbstractSwitching power supply is the use of modern power electronic technology, control switch tube patency and cut-off time ratio, stabilize output voltage of a power supply. Will now PWM controller and MOSFET power switch from sta
21、rt-up circuit, the power switch tube, PWM control circuit and the integration of protection circuit switching power supply module integration of the power switch design chips become mainstream development trend. American power integrated company (PI) trend, in 1994, launched the first generation of
22、TOP Switch chip. TOP Switch its simple chip the circuit, small volume, lighter weight, and complete self protection function, in the power supply Switch design and applications were users and insiderss consistent high praise. November 2000 TOP Switch - GX the latest series chip, not only inherited t
23、he previous generations, and the advantages of chip to raise output power 250W, and many other users more allocation function. TOP Switch - GX were widely used in various fields. Introduce TOP Switch of various types of chip, introduces emphatically the TOP Switch -GX principle, application, and introducing actual circuit to elaborate.Key Words: Switching power supply; TOP Switch-GX; PWM control; Flyback type switch power supply
