1、本科毕业论文（20 届）小功率开关稳压电源设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 太原工业学院毕业设计II小功率开关稳压电源设计摘 要随着电子设备的飞跃发展，电子系统的心脏电源也得到了迅速的发展，并对其要求越来越高。开关电源被誉为高效节能电源，它具有稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，同时它在开关管上较少的能量损耗，使它与线性电源相比具有较高的效率，最高效率可达90以上，从而使它在移动便携式设备中得到了广泛的应用，因此开展开关电源项目研究具有重要意义。目前开关电源正向集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的单片开关电源代表着当今开
2、关电源发展的主流方向。本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行了小功率开关电源的研究，设计出一种实用的单路输出精密通用式开关稳压电源，可用作半导体激光器驱动电源中的精密电压源。该设计由五个模块电路构成：输入整流滤波、功率转换电路、高频变换器、输出整流滤波和控制电路。该电源共使用3片集成线路：TOP249Y6端单片开关电源（IC1）、线性光耦合器PC817A(IC2)、可调式精密并联稳压器TL431(IC3)。本论文中对该电源的滤波、整流、反馈、启动及保护电路等分别作了细致的研究工作，并通过反复试验取得了高频变压器设计宝贵经验，掌握了单片开关电源设计的核心技术。关键词：单片开关电源，脉宽调制，高
3、频变压器，纹波太原工业学院毕业设计IIIThe Design of Low Power Switching Power Supply AbstractWith the rapid development of electronic equipment, electronic system of the heart -the power has been rapid development and its increasingly high demand. Known as energy efficient switching power supply, it has wide voltage
4、range, power density than large, light weight, etc., while it is switch it on less energy consumption compared with the linear power supply with high efficiency, maximum efficiency of more than 90%, making it portable devices in mobile has been widely used to carry out switching power supply project
5、s therefore important to study. Toward the present switching power supply is integrated, intelligent direction; highly integrated, powerful single rose on the power of todays switching power supply represents the mainstream of development direction. This paper focus on the popular single-chip switch
6、ing power supply chip for a small switching power supply of the study, design a practical single-output precision universal regulated switching power supply, laser diode driver can be used in the precision voltage source. The design consists of five modules circuits: input rectifier filter, power co
7、nversion circuits, high frequency converters, output rectifier filter and control circuit. The power of integrated circuits using 3: TOP249Y6 end chip switching power supply (IC1); linear opt coupler PC817A (IC2); adjustable precision shunt regulator TL431 (IC3). The power supply filtering, rectific
8、ation, feedback, starting and protection circuits were made by careful research and through trial and obtained valuable experience in designing high-frequency transformer; single-chip switching power supply design mastered the core technology. Key words: single-chip switching power supply，PWM，high f
9、requency transformer， ripple太原工业学院毕业设计IV目 录第 1 章 前言 .11.1 引言 .11.2 单片开关电源的发展历史 .11.3 单片开关电源的发展趋势和新技术 .21.3.1 “绿色节能”型开关电源 .31.3.2 模块化的开关电源 .31.3.3 高频化的开关电源 .41.3.4 智能数字化的单片开关电源 .41.4 开关电源的工作原理和电路基本分类 .41.4.1 开关稳压电源的基本工作原理 .41.4.2 开关电源电路的基本分类 .51.5 本论文设计的意义及内容 .81.5.1 设计意义 .81.5.2 设计要求 .8第 2 章 单片开关电源的
10、工作原理和分类 .92.1 单片开关电源的工作原理 .92.2.1 单片开关电源的基本工作原理 .92.1.2 单片开关电源的工作模式 .102.1.3 单片开关电源的基本反馈电路 .102.2 单片开关电源的分类及主要特点 .112.3 单片开关电源芯片的性能特点 .122.4 TOP249Y 的工作原理与应用 .132.4.1 TOP249Y 的管脚功能 .132.4.2 TOP249Y 的内部结构 .14第 3 章 方案原理与论证 .153.1 整流滤波电路 .153.2 高频变压器 .153.3 开关电源的选用 .15太原工业学院毕业设计V3.3.1 输出电流的选择 .163.3.2
11、保护电路 .163.4 电源技术发展的基础 功率器件 .163.4.1 开关管 .163.4.2 磁性元件 .173.4.3 磁集成技术的发展和应用 .17第 4 章 小功率开关电源的电路设计 .194.1 输入整流滤波电路 .204.2 箝位保护电路 .214.3 高频变压器 .224.3.1 单片开关电源高频变压器的参数计算 .224.3.2 高频变压器绕制设计的要点的注意事项 .254.4 输出整流滤波电路的设计 .264.5 反馈回路的设计 .26第 5 章 开关电源电子设备的电磁兼容 .295.1 电磁干扰的来源 .295.2 电磁兼容性设计的基本原理 .305.2.1 接地设计 .
12、305.2.2 滤波设计 .305.2.3 屏蔽设计 .31第 6 章 测试结果与分析 .326.1 MATLAB 的简介 .326.2 基于 SIMULINK 的电路仿真 .32第 7 章 总结与展望 .367.1 总结 .367.2 展望 .36参考文献 .37致 谢 .38太原工业学院毕业设计1第 1 章 前言1.1 引言随着PWM技术的不断发展和完善, 开关电源得到了广泛的应用, 以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构, 但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司( POWER Integration Inc) 开发的TOP Switch 系列新型智
13、能高频开电源集成芯片解决了这些问题,该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起, 从而提高了电源的效率,简化了开关电源的设计和新产品的开发,使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用TOP Switch 的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。1.2 单片开关电源的发展历史开关电源以其效率高、体积小和重量轻等优点,在许多领域正日益取代线性稳压电源。随着集成电路技术的发展,开关电源不仅实现了控制电路的集成,而且向单片开关电源集成的方向发展。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的单片开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机
14、、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。开关电源SPS被誉为高效节能电源，它代表着当今稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主导产品。开关电源SPS亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变化及电网隔离的。开关电源内部核心器件工作在高频开关状态，它所消耗的能量很低，电源效率可达8590，因此，开关电源的效率较线性稳压电源提高近一倍。开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不高、开关频率低、电路复杂、调试困难等原因使之难以推
15、广应用。自70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，才使开关电源获得新生。目前开关频率已20kHz左右提高到几百千赫兹至几兆赫兹。与此同时，新电磁材料、新变换技术、新型电子元器件、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源具备了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高等特点，从而使当今太原工业学院毕业设计2的开关电源得到了极为迅猛的发展。单片开关电源芯片的集成度高，外围电路简单，通过输入整流滤波器，适配85265V、47440Hz的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而
16、电源效率显著提高，体积和重量大为减小。单片开关电源自问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性迅速发展与应用。目前，它己成为开发国际通用的高效率中、小功率开关电源的优选，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。近20多年来，集成开关电源的发展方向有两个：第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、 公司等相继推出一批PWM芯片，其典型产品有SilconGeralMC3520、SG3524和UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片，典型产品如U
17、Cl825、UCl864；第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations，简称PI)在世界上率先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，它属于ACDC电源变换器，其第一代产品为1994年问世的 系列：第二代产品是1997年问世的 -IITOPSwitchTOPSwitch系列；第三代和第四代产品是在2000-2002年先后推出的 FX、itc-GX系列单片开关电源，这种电源最大输出功率可达290W。此外，该公司TOPSwitch于2006、2007年新推出了 系列、 -PK
18、系列峰值功率输出型单片eakSitchTinySwtch开关电源集成电路。荷兰飞利浦(Philips)公司于2000年研制成功TEAl510、TEAl520系列单片开关电源，其中TEAl524的最大输出功率为50W。该公司还开发出TEAl50l、TEAl504，TEAl562、TEAl563、TEAl564、TEAl565、TEAl566和TEAl569等型号的单片开关电源，最大输出功率可达125W。美国安森美半导体公司在19982001年期间，也相继开发出NCPl000、NCPl050系列单片开关电源，最大输出功率为40W，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器和消费类电
19、子产品的备用电源。1.3 单片开关电源的发展趋势和新技术单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发太原工业学院毕业设计3中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。目前，单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、环保、安全的方向发展，涌现出许多单片开关电源的新技术和新产品。1.3.1 “绿色节能”型开关电源许多电子设备，往往会变成对电网的污染源。向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合
20、许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。单片开关电源设计的绿色化是指：低功耗、节能型单片开关电源集成电路。这意味着发电容量的节约和环境污染的减少。现代电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，新型的单片开关电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的集成开关电源。1.3.2 模块化的开
21、关电源模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。为了提高设计的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)
22、,它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,开关电源模块化有以下优点：太原工业学院毕业设计4（1）分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高等优点。（2）适用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源的供电要求。（3）当需要大功率输出时，可用小功率模块及控制集成电路做基本部件，组成积木式智能化大功率供电电源，其优点是减轻了对
23、大功率元器件的研制压力。1.3.3 高频化的开关电源高频化是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度的重要技术途径。高频化还可以使开关电源的动态响应得到改善。小功率DCDC变换器的开关频率将由目前的200300kHz提高到1MHz以上。功率密度也将由每立方英寸50瓦提高到100瓦以上。因此功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。1.3.4 智能数字化的单片开关电源近年来高性能的微处理器MCU(Micro Computer Unit)及数字信号处理DSP控制器的出现，使开关电源的全数字智能控制成为现实。
24、数字智能控制的功率因数校正电源(PFC)、不问断电源(UPS)、有源滤波器(APF)己研究成功。目前国内也己经有了不少数字化控制电源的研究成果，如通讯电源、电站直流操作电源、UPS电源的电池充放电管理等。1.4 开关电源的工作原理和电路基本分类1.4.1 开关稳压电源的基本工作原理开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。 输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。 变换器：是开关电源的关
25、键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。 太原工业学院毕业设计5输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。 控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。 保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。 开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源的控制原理如图1.1所示。图1.1 调宽式开关稳压电源的控制原理图 开关稳压电源的电路原理框图如图1.2所示。交流电（AC）经整流滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时问比例，以达到稳定输出电压的目的。
