1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 TOPSwitch的开关电源设计 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 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
2、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 Abstract Switching power supply is the use of modern power electronic technology, control switch tu
3、be patency and cut-off time ratio, stabilize output voltage of a power supply. Will now PWM controller and MOSFET power switch from start-up circuit, the power switch tube, PWM control circuit and the integration of protection circuit switching power supply module integration of the power switch des
4、ign chips become mainstream development trend. American power integrated company (PI) trend, in 1994, launched the first generation of 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 a
5、pplications were users and insiderss consistent high praise. November 2000 TOP Switch - GX the latest series chip, not only inherited the 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 va
6、rious 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 目 录 1 引言 . 1 1.1 开关电源 . 1 1.1.1
7、 开关电源的定义 . 1 1.1.2 开关电源与线性电源的区别 . 1 1.1.3 开关电源的发展趋势 . 1 1.1.4 开关电源的原理 . 2 1.2 TOPSwitch系列芯片的发展 . 2 1.2.1 TOPSwitch- . 2 1.2.2 TOPSwitch- . 3 1.3 TOP Switch-GX系列芯片的介绍 . 4 1.3.1 TOP Switch-GX系列芯片的优点 . 4 1.3.2 TOP Switch-GX引脚介绍 . 5 1.3.3 TOP Switch-GX内部结构 . 6 2 单端反激式开关电源原理 . 8 3 单端反激 式开关电路设计 . 10 3.1 输
8、入整流滤波回路 . 10 3.2 变压器回路 . 11 3.3 高频变压器数据计算 . 13 3.3.1 选择磁芯材料与形状 . 13 3.3.2 利用 AP法确定磁心尺寸 . 14 3.3.3计算原、副边绕组匝数 . 15 3.3.4 气隙长度的计算 . 15 3.4 输出整流滤波电路 . 17 3.5 偏置绕组与 RC补偿网络 . 17 3.6 输出控制回路 . 18 4 元器件介绍 . 19 4.1 齐纳二极管简介 . 19 4.2 光耦二极管 . 20 4.3 EMI滤波器 . 21 5 结论 . 22 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 23 附录 1 系统实物图 . 2
9、4 附录 2 实物原理图 . 25 附录 3 毕业设计作 品说明书 . 26 浙江万里学院本科毕业论文 - 1 - 1 引言 1.1 开关电源 1.1.1 开关电源的定义 开关电源 1是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的这一种电源。目前的开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。 1.1.2 开关电源与线性电源的区别 线性电源 2是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小纹波电压的直流电压。开关电源与线性电源相比，线性电源的 电压反馈电路工作时是处在线性状态的，而开关电源在
10、工作时是靠电压调整管子在饱和至截止这个阶段。线性电源一般是将输出电压取样后与参考电压一起送入电压放大器。这个电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用来控制调整管结电压的变化，来调整输出电压。开关电源是通过改变调整管的占空比来改变输出电压的。从体积上来说，开关电源的体积比线性电源的小，而且效率高，同时开关电源在制造过程中尽量减少了元器件的加入，大大降低了制作成本。随着电力电子技术的不断发展和创新，开关电源技术也逐渐成熟，以逐渐的取代了线性电源。 1.1.3 开关 电源的发展趋势 1955 年美国罗耶（ GH.Roger）发明的自激振荡 推挽 晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端
11、， 1957 年美国查赛（ Jen Sen）发明了自激式推挽双变压器， 1964 年美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。 如图 1-1 所示为开关电源实物图。 - 2 - 图 1 1 开关电源 1.1.4 开关电源的原理 开关 电源有的采用可控硅，有的采用开关管，其基本原理基本相同。都是靠基极，控制极，加上脉冲信号来完成导通和截止的。当脉冲信号处在正半周时，控制极电压升高，开关管导通，通过 220V 整流滤波得到
12、的 300V 电压也导通，通过开关变压器传到次级，通过变压比将电压升高或降低，最终得到稳定的电压，传给整个电路工作。当振荡脉冲位于负半周时，电源的基极，控制电压就低于原来的设置电压，电源的调整管就处于截止状态， 300V 电源就被关断，开关变压器的次级就没有电压，电路中的电压全部由滤波电容放电来维持。当下一个脉冲的正半周期到来时，重复 上一个过程。 1.2 TOPSwitch 系列芯片的发展 1.2.1 TOPSwitch- 图 1 2 TOP103YN 实物图 根绝封装形式， TOP Switch- 3系列具体分为： TOP100-TOP104；这个系列输入电压是 100V 或 110VAC
13、，功率在（ 0-60） W范围内的开关电源；功率在（ 0-110）- 3 - W范围内采用功率因素校正（ PFC）的开关电源；功率在（ 0-25） W范围内的无线通信，有线通信。其他 DC/DC 变换应用。 1.2.2 TOPSwitch- 根 据 封 装 形 式 ， TOPSwitch- 4 系 列 产 品 可 划 分 成 三 种 类 型 ：TOP221Y-227Y(TO-200 封装 )， TOP221P-224P(DIP-8)封装， TOP221G-224G(SMD-8封装 )，如图 1 3 所示为 TOP222P。 TOPSwitch-的性能特点，如表 1-1 所示： 表 1 1 TO
14、PSwitch-的性能特点 芯片系列 性能特点 TOPSwitch- TOPSwitch- 内部包括振荡器，误差放大器，脉宽调制器，门电路，高压功率开关管（ MOSFET），偏置电路，过流保护电路，过热保护及上电复位电路，关断、自动重启电路。 它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可靠。 只有三个引出端：控制端 C，源极 S，漏极 D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频的变压器的反激式开关电源。 输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选 220V+-15%交流电，若配 85-265v 宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低 40%。开关电源的输入频率范围是 47-4
15、40HZ. 开关频率典型值为 100KHZ，占空比调节范围是 1.7%-67%.电源效率为 80%左右，最高可达 90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是 0-70 芯片最高结温 Tjm=135. TOPSwitch- 外围电路简单 ,成本低廉。外部仅需接整流滤波器，高频变压器，初级保护器，反馈电路和输出电路。还能降低开关电源产生的电磁干扰。 应用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、 VCD 和 DVD、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关- 4 - 电源模块。此外它还适合构成后备式开关电源，非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源
16、，供无线通用的 DC/DC 电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。如图 1-2所示为 TOP103YN 实物图。 图 1 3 TOP222P 实物图片 1.3 TOP Switch-GX 系列芯片的介绍 1.3.1 TOP Switch-GX 系列芯片的优点 美国功率集成公司 (PI 公 司 )在 1994 年推出了第一代 TOPSwitch-芯片，1997 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
17、，性能价格比更高。 2000年 11 月最新推出 TOPSwich-GX5系列。 TOPSwitch-GX 更稳定，输出功率相对较大，适用范围相对较大，而且具有一些其他芯片没有的特点。采用 ECOMART 集成电路技术，把高压功率 MOSFET、 PWM 控制器、故障保护电路及其其他控制电路集成到一个 CMOS 芯片中。具体有点体现在： （ 1）更宽的输出功率范围，最大可达 290W； （ 2）可减少外围器件的损耗； （ 3）在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小器件在启动时 的电压，电流应力； （ 4）外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提 高电源效率； （ 5）更大的
18、占空比，能提高更大的输出效率并减小了输入电容； （ 6）在 Y,P,F 型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性； - 5 - （ 7）欠压保护，不会造成误关断； （ 8）有过压保护，可以限制流涌电流； （ 9）采用线电压前馈，减小了打压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比（ Dmax）； （ 10）有 3%的频率抖动，减小了电磁干扰（ EMI） ,并降低了 EMI 滤波器的损耗； （ 11）空载，轻载式可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著减少了能量损耗； （ 12）高达 132KH 的工作频率，减小了变压器和电源的的体积； （ 13）在视频应用时刻选择
19、半瓶（ 66KHZ）运行； （ 14）温度范围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并有效地防止装置过热。 TOPSwitch-GX 系列的这些优点使其可广泛应用于 LCD 显示器，个人电脑，小型服务器，笔记本电脑配置器，机顶盒，数字电视，打印机， DVD 播放器和刻录机， UPS,视频游戏，宽带调制解调器，手机适配器，音频放大器等。 1.3.2 TOP Switch-GX 引脚介绍 实验中采用的是 TOP244 芯片的 Y 型封装类型。图 1-4为 TOP Switch-GX 的芯片引脚图。 图 1 4 TOP Switch-GX 的芯片引脚图 - 6 - （ 1） 7， D 漏
20、极引脚是 MOSFET 输出。通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。 （ 2） 1， C 控制引脚是误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动的连接点。 （ 3） 2， L 过压（ OV）、欠压（ UV） 、降低（ DCMA）的线电压前馈，远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 （ 4） 3， X 外部流限引脚是外部流向调节、远程开关控制和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 （ 5） 4， S 源极这个引脚是功率 MOSFET 的源极连接点，用于高压功率的回路，它也是初级控制电路的公共点及参考点。 （ 6） 5， F 频率引脚是选择开关频率的输入引脚：如果连接到源极引脚则开关频率为 132KHZ，连接到控制引脚则开关频率为 66KHZ。 1.3.3 TOP Switch-GX 内部结构 图 1 5 TOP Switch-GX Y 型封装的内部结构 TOP Switch-GX Y 型封装的内部结构如图 1-5 所示。 P/G 型封装把开关频率选择端 F、极限电流设定端 X、线路检测端 L 结合为一个多功能端 M，但是其内
