1、 本科 毕业设计 开关电源的 PCB 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 II 摘要 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防、教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求， 这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机设备中，并且取得了很好的经济效益。 本论文采用基于 TOP
2、 Switch 的反激式开关电源进行 PCB 设计。首先确定了整个设计的方案和框图，然后列出了开关电源主电路的几种电路结构（正激型电路、反激型电路、半桥型电路、全桥型电路），比较了这几种电路各自的在结构上优缺点 ，区分了它们的应用领域，本设计主要用于家庭用的低功率开关电源，所以电路结构基本确定为正激型电路和反激型电路。然后简单介绍了两款功率集成模块和集成电路的功能和工作原理，选用了这两中功率集成模块设计了基于 UC3842 的单端正激式开关电源与基于 TOP Switch 的反激式开关电源，通过对比这两种开关电源的优缺点和应用领域，并对两种开关电源的变压器、电阻、电容进行了参数计算，选定器件，
3、设计了相应的保护电路和整流电路。 通过对比，最后本文采用基于 TOP Switch 的反激式电路设计开关电源。本设计使用了Altium Designer 6.9 软件对整个电路的原理图进行了绘制，并且详细的描述了 PCB 板的制作过程以及注意事项。 关键词 ： 开关电源； TOP Switch ； PCB 设计 III Abstract Energy power is to achieve power conversion and power transmission major equipment. In the information age, agriculture, energy, t
4、ransportation, information, defense, education and other areas of rapid development of the power industry made more and higher requirements, which forced the power workers in the power development process continue to explore,and to seek a variety of related technologies, in order to make the best pr
5、oducts to meet the requirements of all walks of life. In the past half a century of development, switching power supply due to small size, light weight, high efficiency, low heat, stable performance and gradually replace the continuous power which with the traditional technology, and is widely used
6、in electronic machine equipment, and has made good economic benefits. This thesis TOP Switch-based flyback switching power supply for PCB design. First determine the overall design of the program and block diagram, and then lists several main circuit switching power supply circuit road structure (fo
7、rward circuits, flyback circuit, the half-bridge circuits, full-bridge circuit) and compared these types of circuits in the structure of their respective advantages and disadvantages, the distinction between their applications, this design is mainly used for household use low-power switching power s
8、upply, so the basic circuit structure identified as forward-type circuit and flyback circuits. Then introduces the two power modules and integrated circuits integrated functions and working principle, the choice of these two in power integrated module is designed based on single-ended forward UC3842
9、 switching power supply TOP Switch-based flyback switching power supply, by contrast Both advantages and disadvantages of switching power supply applications, and two kinds of switching power supply transformer, resistors, capacitors parameters were calculated, the selected device, designed to prote
10、ct the circuit and the corresponding rectifier circuit. By contrast, the last paper-based TOP Switch flyback switching power supply circuit design. This design draw the entire circuit diagram by using the Altium Designer 6.9 software, and detailed description of the PCB board production process and
11、considerations. key words： Switching power supply; TOP Switch; PCB Design IV 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1 1 开关电源的概述 . 2 1.1.1 开关电源的工作原理 . 2 1.1.2 开关电源的组成 . 2 1.1.3 开关电源的特点 . 3 1 2 研究课题的目的和意义 . 3 1 3 设计内容和要求 . 3 第 2 章 开关电源设计框图 . 4 第 3 章 开关电源电路的组成 . 6 3 1 主电路结构的选择 . 6 3.1.1 正激型电路 . 6 3.1.2 反激型电路 . 7 3.1.3
12、 半桥型电路 . 7 3.1.4 全桥型电路 . 8 3.1.5 开关电源结构的选定 . 9 3 2 功率模块及功率集成电路 . 10 3.2.1 UC3842 简介 . 10 3.2.3 TOP Switch 简介 . 11 第 4 章 基于 UC3842 的单端正激式开关电源 . 13 4 1 变压器和输出电感的设计 . 13 4.2 开关管、整流二极管和续流二极管的选择 . 14 4.3 反馈电路设计 . 15 4.4 保护电路设计 . 16 4.5 输入滤波电路设计 . 17 第 5 章 基于 TOP Switch 的反激式开关电源 . 18 5.1 器件选择 . 18 5.2 电源次
13、级电路的设计 . 18 V 5.3 反馈电路的设计 . 19 5.4 设计中应注意的问题 . 19 第 6 章 开关电源电路图的选择及 PCB 设计 . 20 6.1 开关电源电路图的选择 . 20 6.2 开关电源的 PCB 设计 . 21 小结 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 附图 1 . 26 附图 2 . 27 1 前言 随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术的应用领域越来越广泛，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，同时电子设备的种类也越来越多。任何电子设备都离不开可靠的开关电源，它们对开关电源性能的要求也越来越高。由于电子设备今年来的发展趋向于的
14、小型化和低成本化，从而使得开关电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压 电源。虽然这种传统稳压电源技术相对而言比较成熟，并且已经有了大量集成化的线性稳压电源模块，具有输出纹波电压小、使用可靠稳定性能好等优点。但是这样的电源通常都需要体积大且笨重的工频变压器与滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射机之间必须承受较大的电压差，因而导致调整管功耗较大，电源效率很低。而且，由于调整管上消耗较大的功率，需要装体积很大的散热器同时采用大功率调整管有体 12。显然，这种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时，取而
15、代之的是小型化、重量轻 、效率高的开关电源。 开关电源五种间接直流变流电路，分别是：正激型，反激型，全桥型，半桥型和推挽型。正激型电路简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，但是变压器单向励磁，利用率低；反激型电路非常简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，缺点是难以达到较大的功率，变压器单向励磁，利用率低；全桥型电路变压器双向励磁，容易达到大功率，但是结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题；相比于全桥型，半桥型电路无变压器偏磁问题，开关较少，成本低，但是同样需要复杂的隔离驱动电路，可靠性低；推挽型电 路变压器双向励磁，变压器一次电流回路中只有一个开关，同台损耗较
16、小，驱动简单，但是依然有偏磁问题 2。 本设计的题目是开关电源的 PCB 设计。详细对比了以上五种电路结构的优缺点，并且选用了 基于 UC3842 的单端正激式开关电源与基于 TOP Switch 的反激式开关电源进行整体的对比，基于 TOP Switch 的反激式开关电源因为其结构简单，不需要再专门设计过电流，过电压过热等保护电路，而且其效率高，性价比高，在开关电源中已经得到了广泛的应用，所以本设计最后设计了基于 TOP Switch 的反激式开关电源的 PCB 板。 2 第 1 章 绪 论 1 1 开关电源的概述 开关电源具有功耗小、 效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通信设
17、备、数控装置、仪器仪表、影音设备、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。 1.1.1 开关电源的工作原理 开关电源的工作原理可以用图 1.1 进行说明。图中输入的直流不稳定电压 Ui 经开关 S 加至输出端， S 为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调节管，若使开关 S 按要求改变导通或断 开时间，就能把输入的直流电压 Ui 变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可以得到稳定的直流输出电压 U0。 SVUiU0Ui0t t t0 0TO NU0(a) 电路图 (b) 波形图 图 1.1 开关电源的工作原理 1.1.2 开关电源的组成 开关电源的基本组成如图 1.2 所示。其中
18、 DC/DC 变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关 信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是 PWM信号， PFM 信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输出滤波、输出采样、功能指示等电路 17。 D C / D C 变 换 器驱 动 器 信 号 源 比 较 放 大 器UiU0R 1R 2Ur图 1.2 开
19、关电源的基本组成 3 1.1.3 开关电源的特点 （ 1）效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在 80%90%，高的可达 90%以上。 （ 2）重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，体积大大缩小了。 （ 3）稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270V 内变化时，输出电压的变化在 2%以下。合理设计开关电源电路，还可以使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。 （ 4）安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此电源负载出现 故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。 （ 5）功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 2
20、0kHZ 以上，因此滤波原件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态下，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围原件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性 3。 1 2 研究课题的目的和意义 开关电源是在电子、通讯、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装备。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性 好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。可以说开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术 14
21、。 根据应用领域和功率等级的不同，开关电源的电路结构种类繁多，控制方法灵活多变，器工程设计包括主电路、控制电路、传热、结构、电磁兼容等多方面内容，因此开关电源的设计工作比较繁琐，难度大。国内目前仍然以工程经验和仿制为主进行设计，器缺点就是缺少渗入的理论基础，不能根据具体的应用去实现最合理的设计，往往造成设计裕量过大，设计工程中队产 品工作状况和实际性能的预见性差，经常出现样机试制不成功而反复修改设计的情况，造成时间和经费的浪费。 因此，开关电源的设计应该在深入理解开关电源电路、控制等基本原则的基础上，在设计原则的指导下，利用设计公式，并遵循一定的设计方法进行设计。 1 3 设计内容和要求 绘制
22、开关电源的电路原理图， PCB 图，通过该设计，掌握开关电源 PCB 布线的一般规则，设计 TOP Switch 开关电源 PCB 图。 4 第 2 章 开关电源设计框图 本设计开关电源需要将生活中直接提供的三相交流 220V 电源整流得到稳定的直流输出电压 ，因此本设计总体框架如图 2.1 所示。 滤 波整 流滤 波功 率开 关高 频 变压 器整 流 滤 波控 制 电 路交 流 电输 入 回 路功 率 变 换 器直 流 电A C / D CD C / D C图 2.1 开关电源设计总框架 图中输入回路的作用是将交流输入电压整流滤波成为较平滑的直流高电压；功率变换器的作用是将直流高电压变换为频
23、率大于 20kHz 的高频脉冲电压；整流电路及滤波电路的作用是将高频脉冲电压转换为稳定的直流输出电压；开关电源控制器的作用是将输出直流电压进行取样，控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定 5。 开关电源的主电路主要用于处理电能，而控制电路 则主要处理电信号，是“弱电”控制电路，但开关电源中开关器件的工作都是由它控制着，所以控制电路一旦出现失误，将造成严重后果，基本能使整个电源停止工作，甚至损坏开关电源。开关电源的很多指标（如纹波、输出特性、稳压稳流精度等）也都同控制电路相关。综上，开关电源控制电路的设计好坏对开关电源的工作性能至关重要，所以应做为开关电源设计的
24、重点工作。 控制电路的结构如图 2.2 所示。 调 节 器P W M驱 动 保 护并 机 均 流基 准 源UfIf反 馈U * I *封 锁 信 号去 住 电 路电 压电 流温 度连 接并 机 线图 2.2 控制电路结构框图 （ 1）驱动电路：驱动电路时控制电路与主电路的接口，同开 关电源的可靠性、效率等性5 能密切相关。驱动电路需要有很高的快速性，能提供一定的驱动功率，并且有较高的抗干扰和隔离噪声能力。 （ 2）调节器电路：调节器的核心是运算放大器，调节器的作用是为了得到控制量将给定量和反馈量进行比较和运算。多数 PWM 控制器内部都含有运算放大器，可以构成调节器，但有时其性能难以满足要求，这时可以选用合适的集成运算放大器构成调节器。 （ 3）并机均流电路：开关电源经常需要并机组成系统运行，以获得更大的容量和更高的可靠性。 （ 4）保护电路：未了保证开关电源在正常和非正常使用的情况下的可靠性，其控 制电路中应包含保护电路。保护电路具备自身和负载保护两方面的功能，一旦出现故障，立即使开关电路停止工作，并以声或光的形式报警，以保证在任何情况下，自身不损坏，并且不损坏负载。 自保护功能有：输入过电压、输入欠电压、系统过热、过电流等。 负载保护功能有：输出过电压、输出欠电压等。
