1、 毕业设计（论文） 题目： 仪用多路电源的设计 学 生 姓 名： 刘元江 学号： 120106021118 学 部 （系）： 信息科学与技术学部 专 业 年 级： 控制系 1202 班 指 导 教 师： 何 兆 湘 职称或学位： 副教授 2016 年 5 月 16 日 目 录 摘 要 .1 关键词 .1 Abstract .2 Keywords .2 1 绪论 .3 1.1 开关电源研究的目的和意义 .3 1.2 开关电源研究现状及发展前景 .3 2 反激式开关电源的原理 .4 2.1 开关电源基本组成 .4 2.2 开关电源的芯片简介 .5 2.3 反激式开关电源的设计规划 .6 3 反激式
2、开关电源的电路设计 .8 3.1 整流电路设计 .8 3.2 高频变压器的设计 .9 3.3 反馈电路设计 .12 3.4 保护电路设计 .15 3.5 反激式开关电源的电路图 .16 4 反激式开关电源直流输出的优化设计 .17 结 论 .19 致 谢 .20 参考文献 .21 附录 多路输出反激式开关电源电路图 .22 1 仪用多路电源的设计 摘 要 电子器件对电源的需求不断攀升，这使得有关开关电源的技术也有了进步。这篇文章给出了有关于 PI(美国 )公司生产的开关电源的系列芯片的介绍，即 TOP-SWITCH 系列，由这一系列的芯片可以设计出多路直流输出的开关电源。 此电路用了 TOP2
3、44Y，这个芯片含有脉宽调制器、 MOS 型管、欠电压、过电压等一些可保护的功能，它的频率是 132KHz，占空比最大是百分之七 十八。此电路的开关电源输出功率为 20W 时，实现了 12V/100mA, 5V/1A 和 15V/100mA 五路直流电压输出，它的效率为 80%以上。 此文讲到了开关电源的一些内容，讲了一些技术及原理，且针对反激式开关电源，为一些电路提供依据，且对于开关电源如何设计给出了思路。经过分析，确定了所有元器件，达成了设计。随后用相关软件对它优化处理。没有处理优化的整体效率大约为 70%，电压的输出误差约为 3%。经过改进，整体效率是可以达到 90%，电压误差得到很好的
4、抑制，减小到约 0.3%，为了有效抑制纹波，输出电路中增加多级 滤波器。 关键词： 反激式；开关电源 ；多路输出 2 Abstract Electronic devices demanded on power increasingly higher to promote the continuous development of converter technology. This paper introduced the small power multi output AC/DC converter design based on the chip of TOP-Switch produc
5、ed by American company Power Integrations. The converter design used TOP244Y as switching chip, which had PWM control circuit and power MOSFET, the chips switching frequency was 132 kHz, the maximum duty cycle was 78%. When the output power was 20W, switching power served three DC outputs 12V/100mA,
6、 5V/1A and 15V/100mA and the efficiency was 80%. The paper introduced some related content about the converter and the theory and technology of fly-back converter, to provide a theoretical guidance for circuit design. And then the paper proposed a fly-back converter supply design plan. And next, I d
7、esigned a fly-back switching power circuit, and selected circuits components and parameters. Finally using PI Expert to optimize this fly-back switching power, I received some result about the designed circuit. Before the optimization, the efficiency was 78%, and the actual output DC voltages maximu
8、m error was 3.5%, after the optimization, maximum error decreased to 0.36%, and the efficiency increased to 90%. And the fly-back switching power circuit had output EMI filter, decreased output ripple of switching power effectively. Keywords: Switching power supply； Fly-back； Multiple output 3 1 绪论
9、能源在社会现代化方面起着关键作用。电力电子技术 有 灵活 、很 高 的 效率 等特点 ，在 当代很有前景。 开关电源 则在电子行业很有分量 。 1.1 开关电源研究的目的和意义 开关电源 在很多方面具有重要意义 。如 传统 的 焊接电源 被替代的是开关电源 ，焊接行业 大多采用开关电源， 高频 率的 开关电源 在 体积、 环保和效益 等方面 很占优势 。在一些 电力系统中 用到 高频开关电源，在市电正常 运行 情况 下可以蓄能蓄电 ，在 断电时开启供能模式为机器供电，抹除了传统电源的一些劣势。 1.2 开关电源研究现状及发展前景 从早期电源开始，差不多分为四个阶段 。 原始的开关电源都是把独立
10、元器件组合在一起 ， 它也存在毛病，如构成的整体很复 杂、低效而且 开关频率低。 后来集成电路出现了 ， 只是在控制部分有了些集成 。 再后来 的单片开关稳压器， 它的实质还是交流直流的转换 。 由于集成技术的改良，那些将交流变直流的电源进一步集成的问题都慢慢的解决了 。 开关电源 跟随 半导体 和带 磁性元 器件慢慢发展 。 随着有些高速、高频器件的发展 ，对一些 高频 且非常 低 的 损 耗 材料 进行适当开发 ， 对一些磁性器件的构成进行逐一的 改进， 这些在很多方面 对于开关电源 的发展作出了贡献，比如它的功耗和体积的大小 小。总 的来说 ， 就开关电源这个领域 ， 一边对较低损耗的技
11、术进行研究 边， 另一 边 对一些新的器件进行改进 ， 这 两者 相辅相成，把开关电源向低功耗、方便快捷、节能和广阔的市场方向大力推进 。 4 2 反激式开关电源的原理 2.1 开关电源基本组成 A C / D C 变 换 器驱 动 器 信 号 源 比 较 放 大 器U iR 1R 2U rU o图 2-1 开关电源的基本组成 反 馈 控 制P W M 驱 动V i nN 1 N 2T 1V T 1V D 1C 1RU fI f+-图 2-2 反激式开关电源原理图 下面简要叙述其原理：当控制 VT1 导通时， N2 感应出下正上负的电势，这时 VD1 截止，由电容 C1 在上周期储存的能量给
12、R 供电；当控制 VT1 截止时， N2 感应出下负上正的电势，这时 VD1 导通，有电流经过，有线 圈里的能量给 R 供电，同时也给电容 C1 充电，为下一个周期作准备。如此循环工作。 5 2.2 开关电源的芯片简介 2.2.1 TOPSwitch-GX 芯片的管脚图 各 管 脚 的 功能 介绍 ： 引脚端 D(DRAIN)是输出端 。 引脚端 S(SOURCE)是源极和整个控制电路的公共 参考点 及 公共端。 引脚端 C(CONTROL)为误差放大器和反馈电流输入端， 可 对占空因数进行 调节 。 引脚端 L( LINE - SENSE)是 检测端，用于过电压 (OV)保护、欠电压 (UV
13、)保护、线路前馈、远程 的通与截止 (ON/OFF)和同步。 假如 接 S 管脚 ， 此端其它功能禁止使用。 引脚端 X( EXTERNAL CURRENT LIMIT)用于外部电流 的调节 、远程 开关的通与截止( ON/OFF)和同步。 假如 接 S 管脚 ， 此端其它功能禁止使用 引脚端 M(MULTI- FUNCTION) 具有 Y 封装中的引脚端 L 和 X 的功能，用于过电压(OV)保护、欠电压 (UV)保护、外部 的 电流 调节 、线路 的 前 向 馈、远程 的通与截止 ( ON/OFF)和同步。 假如 接 S 管脚 ， 此端其它功能禁止使 用 引脚端 F( FREQUENCY)
14、作用是对开关频率的选择 。 假如 接 S 管脚 ， 132KHz 则是它的 开关频率； 假如此端接 C 脚 ， 66 kHz 即为开关频率 。 2.2.2 TOPSwitch-GX 芯片的 使 用的特点 TOPSwitch-GX 的内部主要由 十几 个部分组成，与第三代 TOPSwitch-FX 系列 芯片有着重要的不同点，即在原来的基础上又增加了 3 个新的单元的电路， 电流 区间段 调节6 器也增加了软 件 启动 的 输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到 132kHZ（全频模式）或 66kHZ（半频模式）； 它有一个停止的逻辑电路 ，加在了频率震荡器之上 ，这样一来，这个芯片工作时
15、性能更好、效果更佳、更稳定可靠。 TOPSwitch-GX 占空比的调节 利用 输出端 反馈 过来的 电流来 来控制 ， 如此来 达到稳压 的 目的 。 当输出 端 电压降低时， 光耦反馈电路起作用，经过此电路后，反馈电路的电流也会减小，这样一来它的占空比则增大， 进一步会使电路 输出电压升高，最终使 输出电压 维持不变， 达到一个动态平衡的状态； 同理，当输出电压升高时，通过内部调节，也能使 输出电压 维持不变。 驱 动触 发 器振 荡 电 路与 门非 门或 非 门RSQU gT d e a dU sU e图 2-3 反馈系统原理 2.3 反激式 开关电源的设计规划 此文章要求利用 TOPS
16、witch 系列芯片去设计一个多路输出直流的单片反激式开关电源，可以满足多种场合的应用，例如一些智能仪器仪表需要用到多输出的交流变直流的电源。这里我们需要用到大二大三所学的相关知识，例如数电模电、电力电子技术。 此电路设计的总的输出功率大约为 20W，采用反激式开关电源，一共有五路稳压直流的输出，输出电压各为 12V/100mA， 5V/1A， 15V/100mA。此电路运用 PWM 调制的方式实现稳压（即闭环反馈的控制模式），使输出端的电压值波动小，总是稳定在既定值左右，电 路中也有一些保护措施，例如过电压和欠电压的保护。也包含调节占空比和设定有关电流的电路。 此芯片的最大功率输出值约为 4
17、0W，芯片性能特点满足设计要求，而且增加的新功能可以使开关电源的电路设计更加灵活而且可靠性高。芯片型号选择好了之后，开始对开关电源的抗电磁干扰电路、整流电路、高频变压器、保护电路、多路输出电路和反馈7 电路分部设计。在设计过程中选择电路的各部分的元器件以及元件的参数。最后使用芯片的辅助设计软件对反激式开关电源的电路进行优化设计。 8 3 反激式开关电源的电路设计 3.1 整流电路设计 3.1.1 输入 整流电路 D 4D 1D 2D 3U d cE M I 滤 波A C 输 入8 5 V - 2 6 5 VC 11 0 0 u F+-图 3- 1 输入桥式整流电路 由图 3-1 可 以 看出，
18、 整个 电路中 包含 4 个整流二极管，它们构成一个桥式整流电路。根据二极管的特点，即单向导通性，在第一个周期，即交流电输入的正半周周期内，有两个二极管处于导通状态，另两个二极管处于截止状态，即 D1 和 D3 导通、 D2 和 D4截止；在第二个周期，即负半周期内， D1 和 D3 处于截止状态、 D2 和 D4 处于导通状态 。 所以 ， 经过 整流电路 后 输出的是 一个直流电压，它的 方向不变 ，但是一个 脉动的直流电压和电流。桥式整流器 中的 二极管选择的是 IN4007，额定电流为 1A，反向耐压值为 1000V。 经 过 整流桥的两端，输出的是脉动电压，然后通过电容 C1 进行缓
19、冲，使得脉动的电压变缓，使电压的浮动变小， 基本上 形成 波形比较平滑的直流电压。 3.1.2 输出高频整流电路 传统的串联线性可调式直流稳压电源整流电路的工作频率为 50Hz，而开关电源的整流部分工作频率为几千赫兹，即开关电源的工作频率要比普通的线性稳压电源的整流电路的工作频率高得多得多。开关电源中的整流电路类型有很多，宏观上来看有同步、异步、倍流整流和普通整流等。如今，电路的集成技术 突飞猛进，使越来越多的大规模电路的规格、尺寸得以逐渐减小，工作电压也不断下降现。本设计电路选用人们比较熟悉的普通整流电路，高频变压器的次级采用半波整流技术。 如图 3-2 所示，用肖特基 540 作为整流二极管，它工作时额定电流为 5A，额定电
