2022年2022年基于TOPY的开关电源设计 .pdf

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1、1.开关电源感念1.1开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。将直流电转化为高频的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ 高很多，所以开关变压可以做的很小，而且工作时不是很热，成本很低。如果不将50HZ变为高频开关就没有意义，开关变压也不神秘，就是一个普通的变压器。这就是开关电源。*简单地说，开关电源的工作原理是：*1、交流电源输入经整流滤波成直流；*2、通过高频 PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上；*3、开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；*

2、4、输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM 占空比，以达到稳定输出的目的。1.2开关电源自 20 世纪 70 年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。 我司采用的 TOP244Y 是将 PWM 控制器与功率开关场效应管合二为一封装在一起，可使用电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。TOP 244Y 开关电源的基本原理：封装形式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

3、 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - *漏极管脚（ D） ：高压功率场效应管漏极输出。*控制管脚（ C） ：用于调节占空比的误差放大器。*源极管脚（ S） ：将其连接至输出场效应管源极可得到高压功率回馈。*L ：为输入电压的欠压与过压检测端。*F：开关频率选择端，当F 端接到源极时，其开关频率为132kHz，而当 F 端接到控制端时，其开关频率为66kHz。我司频率为 132KHZ。*X ：外部电路流定调整端。在X 端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值。若R=12k， 则流过开关的电流被设定为额定值的69%； 若 R1=6k，则为额定值的90%；也就

4、是说，随着电阻值的增大，开关允许流过的电流随之减小。*若在 L 端与输入电压正端接入2M的电阻，那么其：欠压保护值为： Vuv=100VDC 过压保护值为： Vou=450VDC *产品主要有如下性能特点：输出功率250W；外围电路简单，成本低；在极低压或冲情况下能充分集成软启动；外部可编程精确电流限制的高效率，低成本设计和功率可限电路；线性欠压保护，无关断干扰。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 1.3 TOP 2

5、4X 系列开关电源芯片的内部结构*芯片内部工作原理：1、电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流向控制极充电，在Rs 两端产生压降， 经 RC 滤波后，输入到 PWM 比较器的同相端， 与振荡器产生的锯齿滤电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET 管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc 达到 5.8V 时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc 供电。2、在正常工作阶段由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET 的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc 升高，采样电阻Rs 上的误差电压亦升高。而在锯齿波比较后，将使输出电压的占

6、空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.8V 时，MOSFET 管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc 充电，其关断 /自动复位滞回比较器可使Uc保持在 4.85.8V 之间。当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 降低到 30kHz（半频模式下则由66kHz 降至 15kHz） ，可降低开关损耗，进一步提高电源效率。3、由

7、于 TOPSwitch 集成度高，设计工作主要对外围电路进行：外围电路可分为输入整流滤波电路 /钳位保护电路 /变压器/输出整流滤波电路及反馈电路5 部分。*TOP 244Y 开关电源芯片的典型应用：1.4 反激式高频变压器的设计此开关电源设计的关键之一是变压器的设计。在此电路中，变压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。变压器的能量变化过程为：当TOP开关管导通时，电容两端的电压加到反激变压器的一次侧，流过一次侧绕组的电流线性增加。开关管导通的瞬间变压器二次侧电流不为零，然而磁心内的能量不能突变，故一次侧电流跃变为二次侧电流的1/K（K 为变压器变化），变压器储存能量；当 T

8、OP开关管关断时，电感一次侧电流由于没有回路。此时，稳压管的击穿电压因高于一次侧的感应电势而截止而突变为零。变压器通过二次侧续流，二名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 次侧电流为 TOP开关管关断时一侧电流的K 倍， 二次侧绕组通过二极管对电容充电，此后，流过变压器二次儩电流线性下降。由上述开关过程分析得出：一次侧电流和二次侧电流不是同时流动的。因此它更多地被认为是一个带有二次侧绕组的电感。2.基于 TOP 的电路设

9、计2.1 输入整流滤波电路设计整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压三部分。交流滤波可使用技术成熟的 PI 滤波电路，具体参数推荐如下：去除关模干扰的C301 和 C303为0.1F/400V；去除共模干扰的C302、C304 为 2200pF/400V；采取双线并绕，整流电路选择导通时间尽可能短，满足电流阈值的整流桥。2.2 变压器设计*由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足 132kHz 开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI 或EE 型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。*高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂

10、， 为减轻设计者的工作量，美国功率公司为TOPSwitch 开关电源的高频变压器设计了名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 一套软件，主要用这套软件设计变压器。2.3 钳位保护电路*每个开关周期内， TOPSwitch 的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。D302和 D303 构成的钳位电路防止了此电压对TOPSwitch 的损坏，D302 和 D303 的选择由反射电压 ROR 决定。VOR 推荐值 135V，D30

11、2钳位电压 VCLO 可由以验公式 VCLO=1.5VOR 得出， D303 的耐压值应大于VMAX 并选择快恢复二极管。本设计中稳压管选用P6KE200，二极管选用 BYV26C 。*由于 P6KE200 上并联 R302 和 C307，在正常工作时， R302 几乎承担了所有的泄放能量，而在启动或超载的情况下，P6E200 又限制了尖峰电压不超过TOP中 MOSFET 管的安全电压。2.4 反馈电路设计*反馈回路的形式依据输出电压精度而决定，本方案使用的“光耦+TL430”可以把输出电压精度控制在1%。电压反馈信号经分压网络（R326，R317）引入 TL431 的 Ref 端，获得取样电

12、压后，将与TL431 中的 2.5V 基准电压进行比较并输出误差电压， 然后通过光耦改变TOP244的控制端电流 IC，再通过改变名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 占空比来调节输出电压U 使其光耦（ PC817）工作在线性状态，起隔离作用。R303，C308 构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压，即使在负载较重时，也能保持稳定。2.5 输出整流滤波电路设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

13、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - *输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统的五分之一到六分之一，是影响开关电流效率的主要因素，包括：正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此具有更低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势。*输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ESR（等效串联阻抗）的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声， 在整流滤波环节的后面通常应再加上一级LCC滤波环节。3.本次电源设计心得，后语*本次电源设计心得：*1 一画 PCB 图布局很重要，关系到整个图的设计。*2 一焊板主要是焊工不熟练，对贴片等元器件会容易出现虚焊的现象。*3 一调试名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -