批次《电源技术》大作业题目及要求.doc

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1、 网络教育学院电 源 技 术课 程 设 计 题 目： 学习中心： 层 次： 高中起点专科 专 业： 年 级： 年 春/秋 季 学 号： 学 生： 辅导教师： 完成日期： 年 月 日摘 要本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行的小功率通用开关稳压电源的设计与制作。该开关电源共选用3片主要的集成电路TOP246Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431。利用TOP246Y型6端单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。设计主要完成的内容有：（1）根据设计需要选择开关电源电路；（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；

2、（3）基于TOP246Y的开关电源设计（4）设计高频变压器，计算确定变压器的变比与绕线匝数；（5）设计输出整流滤波电路，并确定相关器件参数；关键词：单片开关电源；PWM；占空比；高频变压器 开关电源的基本工作原理 开关稳压电源的电路原理框图如图所示。AC DCDC比较器脉宽调制取样器振荡器基准电压输入整流滤波功率转换电路高频变压器输出整流滤波控制电路图 开关电源电路框图交流电压经整流电路及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

3、器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前己集成化，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间比例，以达到稳定输出电压的目的。1.2.1开关电源的种类选择1. 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图1.2.1所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。图1.2.1 单端反激式开关电源2. 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图1.2.

4、2所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时, VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量：当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。图1.2.2 单端正激式开关电源3. 自激式开关稳压电源 自激式开关稳压电源的典型电路如图1.2.3所示。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 图1.2.3 自激式开关电源本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为60W的通用的小

5、功率开关电源，主要采用TOP246Y、PC817A 、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。因此，本设计就选择了基于TOP246Y的单端反激式开关电源。2.1 开关电源的基本技术指标（1）交流输入电压UACI：220V（85V265V）；（2）电网频率：50Hz；（3）开关电源f：132kHz；（4）输出直流电压Uo： 9V、12V；（5）输出额定电流Io：3A、2.4A；（6）额定输出功率Po：60W；（7）负载调整率SI：-4%+4%；（8）电源效率H：高于84%（当交流电压UACI=85V时，满载效率可达85%；当UACI=230V时，电源效率

6、高达90%）；（9）空载功率损耗：低于0.52W（UACI=230V时）；（10）输出纹波电压：不高于120mV（峰峰值）。2.2 开关电源电路中关键元器件的选择随着PMW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系列新型智能高频开关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、PMW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

7、到一个新的时代。本次设计就是针对TOP Switch的第三代产品TOP246Y型6端单片开关电源，并根据设计条件选择线性光耦合器PC817和可调式精密并联稳压器TL431来设计单端反激式开关电源。2.2.1 TOP246Y型6端单片开关电源.1 TOP246Y：图2. TOP246Y外形及管脚图。2.2.2 线性光耦合器PC817 图2.2.2.1 PC817内部框图2.2.3 可调式精密并联稳压器TL431 图2.2.3.1三端稳压器TL431的特性功能TL431是由美国德州仪器（TI）和摩托罗拉公司生产的2.536V可调式精密并联稳压器。其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精

8、密线性稳压电源中。 2.3开关电源的电路设计2.3.1 开关电源电路的工作原理电路主要包括输入整流滤波、TOP246Y脉宽调制、高频变压器、电压反馈整流滤波、输出整流滤波等几部分，其电路原理图如图所示。 该电源共使用3片集成电路：TOP246Y型6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）。电阻R13用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流ID(PK)。这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下，采用较小尺寸的高频变压器。当输入直流电压过压时。R13还能自动降低最大占空比Dma

9、x，对最大负载功率加以限制。R13为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。取R5=2M时，仅当直流输入UI电压达到100V时，电源才能起动。GX的欠压电流IUV=50A，过压电流IOV=225A。有公式 UUV=IUVR5 公式 (3.1) UOV=IOVR5 公式(3.2) 将R5=2M分别代入式（1）和式（2）中得到，UUV=100V（DC），UOV=450V（DC）。过压时最大占空比Dmax随流入X端的电流IX的增大而减小，当IX从90A增加到190A时，最大占空比Dmax就从78（对应于UUV=100V）线性地降低到47（对应于375V）。在掉电后，欠压检测

10、能在C1放电时减少输出干扰，只要出现输出调节失效或者输入电压低于40V的情况，都会使-GX关闭。当开关电源受到450V以上的冲击电压时，R11同样可使TOP249关断，避免元器件受到损坏。图2.3.1高效率60W通用开关电源电路原理由VDZ1和D9构成的漏极钳位电路，能吸收在MOSFET关断时由高频变压器初级漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损坏。VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200A型瞬态电压抑制器。空载时，TOP246Y能自动降低开关频率，使得在交流230V输入时电源损耗仅为520mW。TOP246Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。 精密光耦反馈电路由PC817

11、、TL431等组成。2.3.2 输入整流滤波电路的设计在输入端先通过EMI滤波器（由L3、C11、C12构成）来防止电磁干扰，其内部结构如图2.3.2所示。它能有效地抑制电网噪声，提高电源的抗干扰能力及系统和可靠性。图2.3.2 EMI滤波器内部结构参考与本设计类似相关的实验数据资料，本电源就采用AlAP-IA型的EMI滤波器，并合理选择了EMI滤波器（L3、C11、C12）的参数值：取L3=20mH、C11=0.1F 、C12=0.1F。为更好抑制EMI，滤波器可采用如图3.9所示电路，其中L1、L2、C1可除去差模干扰，L3、C2、C3可除去共模干扰。初步滤波之后，加接单相整流桥，交流输入

12、电压最大值为 UACImax=265V，经整流滤波后得到其直流输入电压最大值UACImax，由公式（3.3）得到：UDCImax=UACImax* (1.21.4)=345V。而输入整流桥的最大反向电压UBR=UDCImax=345V，则输入整流桥的反向击穿电压URM应满足：URM=（23）UBR=600V。由于电路的输入电流IACImax限制在3.15A以下，即IACImax=3.15A。当交流输入电压为固定输入220V时，输入滤波电容通常与输出额定功率Po的值相当，并且UACImin=85V，UACImax=265V，由公式（3.3）和（3.4）计算得：UDCImin=UACImin*(1

13、.21.4) 公式（3.3）UDCImax=UACImax*(1.21.4)公式（3.4）计算得到：UDCImin=110V，UDCImax=345V。此处取C20=680F,耐压400V的电解电容。2.3.3 基于TOP246Y的开关电源设计利用TOP246Y设计了一种新型单端反激式开关电源，其输出分别为9V/2.4A、12V/3A，电路原理如图所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流85265V，输出功率为60W。由此可见，选择TOP246Y能够满足此要求。当然，在过压时最大占空比Dmax随流入X端的电流IX的增大而减小，当IX从90A增加到190A时，最大占空比Dmax就从78%（对

14、应于UUV=100V）线性地降低到47%（对应于375V）。在掉电后，欠压检测能在C1放电时减少输出干扰，只要出现输出调节失效或者输入电压低于40V的情况，都会使-GX关闭。当开关电源受到450V以上的冲击电压时，R5同样可使TOP249关断，避免元器件受到损坏。但一般说来，由于交流输入电压在85265V范围内，经整流滤波后的直流输入电压就在110345V范围内波动，不会超出100450V的范围，所以本设计的开关电源相对安全。2.3.4 高频变压器的设计高效率的高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组的分布电容及各绕组间的耦合电容小等条件。2.3.4.1 该开关电源高频变压器的参数计

15、算在单端反激式开关电源中，高频开关变压器既是储能元件又是传递能量的主体，设计难度较大，是一个十分关键的环节。设计的主要参数包括变压器变比n，初、次级绕组匝数NP、NS和反馈绕组匝数NF等。1. 初级感应电压UOR的计算关断且次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级。初级感应电压UOR是开关管断开期间初级感应到的电压值。UDCImin=110V，则由公式（3.5）计算：UOR=UDCIminton / toff =UDCIminDmax/(1-Dmax) 公式（3.5）计算得到：UOR=73V。2. 确定变压器各绕组匝数 （1）变压器变比的计算 当TOP246Y中的MOSFET关断时，储存在

16、变压器初级中的能量开始向次级传递，次级两路绕组的电压US1、US2可表示为：US = UDCIminton / toffNS/NP 公式（3.6） 变压器次级电压与输出电压的关系为： US1=UO+UL+UF=12+0.3+0.4=12.7V；US2=UO+UL+UF=9+0.3+0.4=9.7V；其中变压器次级绕组压降UL为0.3V，输出整流共阴极肖特基对管VD2、VD3压降UF为0.4V。变压器的变比n可表示为： n=NS/NP= NS /(UDCIminton/toff)=US1/UOR 公式（3.7） 计算得n1=0.093、n2=0.07。 （2）变压器初级、次级及反馈绕组匝数的计算

17、 根据单端反激式变压器的工作磁通密度及法拉第电磁感应定律=-NdB/dtS，另外参考同类型相应实验数据资料，可得到初级线圈匝数NP、次级线圈匝数NS，即NP =43匝， NS1 = NPUS1/ UOR = 4匝。NS2 = NPUS1/ UOR =3匝。（3）反馈绕组匝数的计算公式为： NB=NP(UB+UF)/ UOR 公式（3.8）将NB =12V，UF =0.7V带入得NB = 4匝。 图2.3.4.1 该单端反激式开关电源变压器绕制示意图2.3.5 输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由D1、D2、D4、D3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C1

18、4、L1、L2构成。2.3.5.1 输出整流电路的设计 输出整流管宜采用肖特基二极管，肖特基二极管是利用金属和半导体接触产生的势垒作用的二极管，它是以多数载流子工作的，因而在开关时没有少数载流子存储电荷和移动效应。其压降低、正向导通损耗小，能提高电源效率。 最高反向工作电压UBR=12.7V，整流管实际承受的最大反向峰值电压URM=(23)UBR=40V。并且，额定输出电流IO=3A，则整流管标称电流IFI (23) IO=10A。为了减小次级绕组和输出整流管的损耗，现将次级绕组分成两路，每路单独使用一只SR560的共阴极肖特基对管(D1、D2)，然后并联工作。之后串接LC电路，进行滤波,当然

19、，另一路也是同样原理。2.4小结本章介绍了一种单端反激式单片开关稳压电源的设计方法。该开关电源采用TOPSwitch-GX器件作为核心器件，提供直流输入电压，可获得高质量的稳压输出。参照给定的该电源的技术参数，设计了该开关电源的滤波、整流、反馈等电路。详细的给出了单片开关电源高频变压器的设计方法，并通过反复试验有了一定的心得，取得了高频变压器设计的宝贵经验。在最初制作高频变压器时，难以确定变压器的变比，因此更加难以确定高频变压器原、副边的绕线匝数。不过，经过查阅资料并在计算时作出适当的参数调整，最终避免了高频变压器原、副边的绕线匝数绕制的错漏。小结并致谢通过本次课程设计，使我对这几年中所学的知

20、识有了进一步的认识，同时通过这次设计，加强了我独立思考和动手能力，加强了解决问题的能力。在这里首先感谢母校对我们课程设计给予的支持和帮助，还要感谢这几年里所有任课老师对我的栽培，尤其感谢我的课程设计的指导老师，他不但为我提供了良好的学习科研环境，更培养了我独立从事科学的能力。其广博的知识、扎实的理论功底、严谨的治学态度、敏锐的科学洞察力和孜孜不倦的进取精神都给我留下了深刻的印象，为我今后的工作学习树立了榜样，潜移默化的熏陶亦将使我受益终身。在课程设计过程中张老师悉心指导我的课程设计，对我提出的问题耐心解答，在老师的帮助下，使我的课程设计能顺利完成，在这里对张老师表示由衷的感谢。希望在以后的日子

21、里母校蒸蒸日上，祝愿曾鼓励、支持与帮助过我的老师和同学们，学业有成，身体健康。在未来的日子里，我将一如既往的遵循着不断进取的精神，极力为母校争光。再次向曾鼓励、支持与帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢参考文献1张丽华.开关电源.M.北京：高等教育出版社，2006.100-115.2Marty Brown.开关电源设计指南M. 北京:人民教育出版，2006年 3 沙占友. 新型单片开关电源实用技术M. 北京：电子工业出版社，2001. 1-24 沙占友. 单片开关电源的发展趋势J. 电气时代，2003，(8)：53-545 丁道宏. 国内外开关电源的发展展望C. 华东地区首届电源技术研讨会论文

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