《多路输出开关电源设计》.docx
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《多路输出开关电源设计》
农业大学
毕业论文（设计）
题目：
多路输出开关电源设计
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多路输出开关电源设计
摘要
在深入分析开关电源工作原理和特点的基础上，根据设计指标的要求完成了一款单端反激式两路输出开关电源的设计。
本文首先介绍了开关电源的发展历程及其工作原理，分析了开关电源的几种调节模式和几种工作电路；进而通过分析选定电路需要的元器件，包括TOP223P、TL431三端可调分流基准电压源、LM2575系列开关稳压集成电路和几种不同类型的二极管；最后设计出完整的总电路。
主要电路包括输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
该电源具有宽电压输入，多路稳定输出、纹波和噪声可控制等优点。
在完成电路的研究和焊接后通过不断的改进与完善，最终得到的结果基本符合预期，效果比较理想。
关键词：
开关电源；多路输出；TOP223P；脉宽调制；反激式
TheDesignofMultiple-OutputSwitchingPowerSupply
Abstract
Basedontheanalysisoftheworkingprincipleandcharacteristicsofswitchingpowersupply,thedesignofasingleendedflybacktwo-wayoutputswitchingpowersupplyisaccomplishedaccordingtothedesignrequirements.Inthispaper,wefirstintroducethedevelopmentofswitchingpowersupplyanditsworkingprinciple,analysisoftheswitchingpowersupplyofseveralregulatorymodeandseveralworkingcircuit;then,throughtheanalysisofselectedcircuitsrequirecomponents,includingtop223pTL431,threeterminaladjustableshuntreferencevoltagesource,theLM2575seriesswitchingregulatorICandseveraldifferenttypesofdiodes.Finally,wehavedesignedintegratedcircuit.Themaincircuitsincludetheinputelectromagneticinterferencefilter（EMI）,therectifierfiltercircuit,thepowerconverter,thePWMcontrollerandtheoutputrectifierfiltercircuit.
Thepowersupplyhastheadvantagesofwidevoltageinput,multi-channelstableoutput,rippleandnoisecontroletc.Afterthecompletionoftheresearchandtheimprovementofthecircuit,thefinalresultisbasicallyinlinewiththeexpectation,theeffectiscomparativelyideal.
Keywords:
SwitchingPowerSupply;multipleoutput;TOP223P;PWM;Flyback
1绪论
1.1课题背景及意义
最近几年，电子科技的迅速发展使得人们的工作、生活和学习与各种的电子产品的联系日益紧密，这也使得电子系统的应用领域越来越广泛。
电子产品对输入的电压有很多指标要求，越来越多的电子产品的正常工作需要同时提供多个不同数值的直流稳压电，这就对电源的多路输出功能提出了要求；并且电子设备的小型化和低成本化也使得开关电源向着轻、薄、小和高效率的方向发展。
单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，它能够构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，所以代表着当今开关电源发展的趋势。
开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优势在控制设备、电子检测设备、通讯设备等各种电子应用的领域中得到越来越广泛的应用。
因此，对开关电源的研究和设计具有重要意义。
本文设计的开关电源是直流12V和直流5V两路输出，控制电路部分选用TOP223P芯片，这种单片的开关电源可以极大的简化产品设计流程和新产品开发周期，并且在其它性能上也有很大优点。
1.2开关电源简介
开关电源是在电子、通信、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置。
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，在小功率围基本上取代了线性稳压电源，并迅速向功率围推进，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[1]。
开关电源的产生依赖于现代电力电子技术的高速发展，比如各种功率管的性能改进，开关电源是通过改变功率管的占空比，也就是调节功率管的导通时间在一个周期所占的比率，从而输出稳定电压的一种电源。
开关电源一般是通过脉冲宽度调制（PWM）输出固定频率和固定幅度的脉冲来控制IC和MOSFET的导通和断开而实现。
1.3开关电源的发展历史和发展前景
开关电源已有几十年的发展历史，早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域，20世纪60年代出现过晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。
70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用于芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展，目前，开关频率已从20KHZ左右提高到几百千赫至几兆赫。
与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。
MOS功率开关、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）、瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（VSR）、熔断电阻器（FR）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMI）、高导磁率磁性材料、三重绝缘线、等一大批新器件、新材料正被广泛采用。
所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。
进入21世纪，伴随着电力电子技术的飞速发展，开关电源的发展也步入高速阶段。
其发展的趋势主要有以下几个方向[2]：
（1）高频率、重量轻和体积小
开关电源重量和体积就是其机组成元器件的体积重量。
因此，尽量减小或减少组成开关电源的元器件就可以实现开关电源的体积和质量减少的目的。
目前来说，由于电力电子技术的飞速发展，比如电容、二极管、三极管、MOSFET管等，在保证其性能提高的前提下，其体积越来越小，这也是现在电力电子发展的重要方向。
因此开关电源的体积和质量不断地减小。
一般来说，频率的提高不仅仅可以使你所选元器件的体积减小，而且可以大幅提高系统的工作性能。
如今电气发展迅猛，逐渐趋向于智能化，因此，开关电源是必不可少的[3]。
比如手机的移动电源、笔记本的充电器、甚至电动车的电源设备等等。
（2）高效率和可靠性高
开关电源相对于早些时间的线性电源来说，其组成的元器件比较少，单从这方面讲就可以提高开关电源的稳定性，可靠性。
另一方面，组成开关电源的元器件是有寿命的，例如二极管、电容、三极管，它们有一定的使用期限，也就是和人一样，它们是有寿命的，减少开关电源的元器件就可以尽可能的提高开关电源的使用寿命，避免了因为元器件的繁多以及集成电路的复杂导致某一个器件烧坏而降低开关电源的寿命。
另外，努力提高开关电源的工作效率，一方面可以减少电能的流失，提高电能利用率。
另一方面，降低了开关电源的损耗，减少了电源的发热量，并且提高了开关电源的可靠性。
（3）降低噪声和提高动态响应
噪声大成为开关电源的一个不足之处。
开关电源的工作频率的提高确实是开关电源的一大发展方向，可是开关电源的噪声随之增大也伴随着发生。
因此，设计中可以根据具体情况，具体的设计要求，电路环境等因素设计去噪音的有效电路。
因此，降低开关电源的噪声干扰技术的研究和发展即是重点又是难点。
开关电源中高频二极管、MOSFET管、IGBT管的使用可以有效的提高开关电源的动态性能，所以高频二极管、MOSFET管、IGBT管等电力电子设备的改进刺激着开关电源的发展。
（4）数字化
如今，电力设备也逐渐的智能化，开始走进人们的生活，例如智能电视，智能冰箱等。
智能化的发展离不开数字化做依托，所以电力产品也逐步数字化。
模拟信号作为控制部分的传统的电子电路逐渐被抛弃，取而代之的是数字信号的引入，随着数字信号处理技术的日趋完善，数字信号和数字电路也显得越来越重要。
目前而言，数字电源的发展还不是很成熟，仅仅占整个开关电源的很小一部分，但是数字开关电源具有传统模拟开关电源所不具备的适应性与灵活性，受到各行各业的关注因此，开关电源的数字化是未来的发展趋势，也是开关电源的主要研究方向之一[4,5,6]。
（5）高度集成化
近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。
第一个方向是对开关电源的核心单元─制电路实现集成化。
1997年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制器集成电路。
90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHZ的高速PM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型的产品如UC1825、UC1864。
第二个方向则是对中小功率开关电源实现单片集成化，如将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中[7]。
2开关电源的工作原理及分类
2.1开关电源的工作原理
开关电源是把市电的交流输入电压转化为各种电力电子设备工作时所用的直流电的装置。
它的工作原理：
输入的交流市电经过整流和滤波后转变为含有一定脉动成分的直流高压电；然后再通过控制功率变换器中的功率关管的导通和截止时间以及高频变压器的作用，转变成高频脉冲电压；高频脉冲电压经过输出端的整流和滤波电路转变成为稳定的直流电压，最后再通过稳压电路进一步稳压并输出给负载。
开关电源系统的典型工作电路框图如2-1图所示，主要由四部分组成：
输入电路，功率变换电路，输出电路和控制电路[8]。
每个部分的组成和功能为：
图2-1开关电源系统的典型工作电路框图
（1）输入电路：
输入端的保护电路由保险丝和压敏电阻组成。
保险丝可以在电路发生故障或出现异常时，当电流升高到限定围值时，自身熔断以切断电流的通路，从而保护电路的安全运行；压敏电阻用来吸收从电网窜入的浪涌电压，对电路进行过压保护。
滤波电路由安规电容和共模捉流圈组成，对电路工作过程中产生的串模干扰和共模干扰起到抑制作用。
一次侧输入整流电路利用二极管的单向导电性能，可以把经过滤波后的高频交流电压转换为含有较小交流分量的直流电压。
（2）功率变换电路：
由功率开关管和高频变压器组成，是开关电源最重要的部分。
该电路用于把流经一次整流滤波后的直流高压转变成高频率的脉冲电压，然后经过变压器再转换为满足设计要求的隔离输出交流电压。
（3）控制电路：
由反馈电路，开关电源专用控制芯片和保护电路组成。
反馈电路把反馈绕组上的取样电压与基准电压进行比较后产生的误差信号送入控制芯片，通过芯片部电路产生的占空比波形来改变功率开关管在一个周期的导通时间和关断时间的比率，来达到稳压的目的。
在开关电源工作过程中，若电路出现异常或者各项参数超过设计限定值时，保护电路会将保护信号送到控制器使开关电源暂停或停止工作来保护器件。
（4）输出电路：
由整流电路和滤波电路组成，将高频脉冲电压整流滤波为满足输出标准的直流电，与输入整流滤波电路工作原理相同。
2.2开关电源的设计指标
在进行开关电源设计时,为了使设计的电源能够满足使用要求,需要收集好电源的各项技术指标,如电源的工作环境,输入输出参数等。
根据指标要求设计的开关电源需提供两路直流电压输出:
两路分别为+12V、+5V共地直流电压。
根据设计目的，要求开关电源的性能指标如下:
（1）输入电压参数:
市电220V；
（2）输入交流电压围:
85V265V；
（3）输入电压频率:
50Hz；
（4）效率ƞ:
85%；
（5）输出电压/电流参数:
+5V/2A，+12V/0.5A；
（6）输出电压准确度:
≤3%；
（7）纹波系数:
≤1%。
2.3开关电源的调节方式
2.2.1脉冲宽度调制
脉冲宽度调制（PWM）是在频率一定的情况下，通过改变占空比来控制输出的一种调制方式。
所谓占空比就是元器件导通时间占整个工作周期的比重。
脉冲宽度调制器的频率是可以调节的，一般通过其部结构产生频率一定的震荡波形，从而确定工作频率。
更重要的一点是，脉冲宽度调制配备反馈环节，输出的电压值会被反馈到脉冲宽度调制器，进行比较、分析，进而调节，确保输出稳定可靠地电压值。
脉冲宽度调制电路一般应用DC-AC，DC-DC的电路中[9]。
2.2.2脉冲频率调制（PFM）
脉冲频率调制PFM（PulseFrequencyModulation）不同于脉冲宽度调制，它是通过改变工作电路的工作频率从而引起部变化进而调节输出的一种调制方式。
该调制方式在低负载时的效率相比于其他调制方式要高，并且PWM中含有误差放大器，所以相对于PWM，PFM具有较快的响应速度。
但是高负载时转换效率并不理想，较PWM要差。
除此之外，脉冲频率调制滤波非常困难[10]。
2.2.3混合的调制方式
混合调制方式，PFM-PWM-PSM结合的方式，这种调制方式比较灵活，因为设计者可以根据电路中负载值得不同而选择不同的调制方式。
并且设计者可以根据各种调制方式的优缺点来结合，从而达到最佳的工作方式。
但是，混合调制方式的工作电路比较复杂，这样增加了设计的难度，对设计者的要求也相应的提高了[11]。
2.4开关电源分类
随着科技的进步，电力电子技术向着多元化的发展，电力电子产品也变得多种多样。
伴随着，电力电子设备所需求的电压围也变得越来越宽，比如一些数字电路中要求的电压就比较小，一般在10V以下；一些模拟电路中所需的电压一般在10V以上；还有一些大型的用电设备所需的电压可以达到1000V甚至更高。
所以电源装置的设计就必须跟上步伐，以满足各方面的需求。
实现电能的转换，电压的改变有两种方法：
线性电源和开关电源。
图2-2线性电源
线性电源如图2-2，电路包括工频变压器、整流滤波电路、稳压电路。
首先工频变压器为输入电压降压，然后经过整流滤波电路，去除滤波并输出直流电，最后由稳压电路线性调节，输出稳定电压。
线性电源的调整管工作在放大区，因此发热多，效率小（35%左右），需要加体积庞大的散热片，并且还要配上大体积的工频变压器。
开关电源的开关管工作在饱和和截至区，所以发热量少，效率大（75%以上）并且省掉了体积很大的变压器。
但是线性电源纹波小。
所以开关电源很好的适用于那些对电源的效率和安装的体积有规定的环境，而对电磁干扰和电源纯净性有规定的环境（如电容漏电检测）多选择线性电源。
开关电源可以分为隔离式和非隔离式两种，下面着重介绍开关电源的分类[12,13]。
2.4.1非隔离式开关电源
非隔离式开关电源的电路结构比较简单，主要由电感、电容、晶体管、电阻等小元器件组成。
通过改变开关管的占空比来改变输出电压的大小，最基本的四种电路拓扑结构如下。
一、Buck（StepDown）变换器
Buck变换器又被叫做降压变换器。
电路包括电源电压，占空比已知且一定的晶体管Q，电感线圈L，二极管D1，负载R和电容C组成，通过控制晶体管的占空比，从而实现将输入电压降压的功能[14]。
电路结构图如图2-3所示：
图2-3Buck降压电路
Buck变换器工作过程：
开关管Q导通时，电感L上通过的电流
在没有达到饱和状态之前，将会线性的增加，且值与输入电流is相同；负载R上流过的电流值大小为
，R两端输出电压值为Vo。
当
<
时，电容C处于充电状态，此时二极管D1的工作电压为上正下负，被反向截止。
开关管Q截止时，为了保持电感电流
值保持不变，通过L中磁场的作用，线圈L两端的电压极性被改变。
当
<
时，电容C向负载放电，以维持输出电压和电流保持不变。
此时二极管D1的电压变为上负下正，正向导通工作时为电感电流
提供通路，被称为续流二极管。
用伏秒平衡来列出式子：
公式（2-1）
公式（2-2）
上式Ton是开关管的导通时间，Toff是开关管的截止时间；T是开关管工作周期，D是占空比，D=Ton/T。
由2式可知，由开关管占空比的改变就可以控制输出平均电压的大小。
由于占空比总是不大于1，所以总是小于U，因此Buck电路是降压电路。
二、Boost（StepUp）变换器
Boost变换器的原理图如图2-4所示：
图2-4Boost升压电路
Boost变换器的组成类似于Buck变换器电路。
晶体管的导通和断开的状态受外在提供的脉冲信号控制，通过改变脉冲信号的占空比来实现将低压升到高压的目的，并且输出电压可调[15]。
Boost变换器工作过程：
当晶体开关管Q导通时，电流流过电感线圈L，并且储存能量，此时电容为C放电状态，释放的电荷为负载R供电，这里设R上流过的电流为Io，两端的电压值为Vo，此时二极管被截止。
设晶体管通态时间为TON，此段时间里电感上所积累的能量为V·IL·TON。
当晶体开关管Q关断时，电感会阻止电流的减小，电感会产生感应电动势，此时L中的电磁能量会转化成电压V并与输入端电压V串联后共同向电容C和输出端负载R供电。
因此电路输出的电压要大于输入电压。
根据伏秒平衡有式（2-3）、（2-4）：
公式（2-3）
公式（2-4）
要获得所需的电压需改变开关管的占空比，而且由于D总是小于1，因此U0也一定高于V1，如此来看，Boost电路能实现升压功能的原理就不再难理解。
三、Buck-Boost变换器
Buck-Boost变换器又被称为降压一升压变换器，它是在将Buck变换器和Boost变换器结合而组成的电路[16]。
经过等效简化后形成如图2-5所示：
图2-5Buck-Boost电路
工作过程：
晶体开关管Q工作在导通状态时，电源电流is流过电感L，电感储存能量，此时电容C向负载R放电，二极管Dl反向截止。
开关管Q断开时，电感电流
有减小趋势，为了保持
不变，L产生反向自感电势，使L两端电压变为下正上负，二极管D1此时正向导通，负载R两端输出电压，此时电容C处于充电状态，以保证晶体管关断是为负载提高电压。
其公式为：
（2-5）
式中
为占空比，改变占空比可以使输出的电压大于或者小于电源电压。
四、Cuk变换器
Cuk变换器又称Boost-Buck串联变换器，它也是通过前两种电路结构而成组合，创新之处是电路中多了个电感，有效地保存了电能[17]。
由晶体管和二极管组成的Cuk变换器电路结构图如图2-6所示：
图2-6Cuk电路
Cuk变换器工作过程:
晶体管Q在导通状态时，输入输出环路闭合，二极管D1被反向截止，输入端电流it流过电感L1，L1此时储存能量，C2释放电荷，供电给负载并使电感L2储能，晶体开关管中流过的电流为it与i2之和。
晶体管Q断开期间，二极管D1处于导通状态，使输入环路和输出环路工作在闭合状态，电源输入电流it和电感L的释能电流同时为电容C1提供充电电流；电感L2的释能电流为负载提供能量。
其计算公式和式2-5相同：
（2-6）
2.4.2隔离式开关电源
隔离式开关电源是通过变压器来实现升压、降压或稳压的，主电路部分同样也是由晶体管等元器件组成。
下面介绍几种简单地隔离式开关电源的类型。
一、单端正激式变换器
图2-7正激式变换电路
单端正激式变换器电路比较简单，其可靠性较高。
它更适合应用在输出功率在100—200W的场合。
当晶体管Q导通时，二极管D1反向截止，线圈N1'产生感应电压，电流流过初级线圈N1。
次级线圈N2中产生感应电流，流过二极管D2，电感L和电容C储存能量，并且电流流过负载R，输出电压
。
当晶体管Q截止的时候，初级项圈N1中储存的能量通过D1和N1'返回到电源，此时由于电感和电容中储存的有能量，二极管D3导通，D2截止，电流经过电感、R、D3形成回路，从而正常工作。
这里需要注意的地方是，为了保证晶体管再次导通前变压器中的能量完全释放，免于损坏晶体管，应该保证晶体管的导通时间要小于截止的工作时间。
此种电路中变压器的结构比较复杂，体积比较大，所以目前应用较少[18]。
二、单端反激式变换器
反激式变换器的电路结构组成比较简单，可以在输出端引出多路输出，常用于输出功率在150W以下的小功率输出电路。
电路如图2-8所示：
图2-8反激式变换器电路
当晶体管Q导通时，二极管D1和线圈N1'不通，变压器初级线圈N1储存能量，由于初级线圈N1和次级线圈N2的同名端相反，所以次级线圈中的感应电压上负下正，二极管D2反向截止，此时由电容释放电荷为负载R提供输出电压
。
当晶体管Q截止时，初级线圈中的能量通过D1和N1'返回到电源，并且对晶体管Q起到保护作用，此时次级线圈中的极性反向，电压上正下负，因此D2导通，电容充电，并为负载提供输出电压。
该电路中变压器的结构也比较复杂，所以很少用到[19]。
三、推挽式功率变换器
推挽式功率变换电路工作时两个功率开关管Q1和Q2交替导通或截止。
当Q1和Q2分别导通时，变压器初级绕组有相应的电流经过，从而在变压器次级绕组中有功率输出。
推挽式功率变换电路的原理图如图2-9所示：
图2-9推挽式功率变换器电路
当晶体管Q1导通时，电流通过Q1、电源、初级线圈N1形成回路，相应的次级线圈中产生感应电压，电压为上正下负，所以二极管D1导通D2反向截止，所以电流流过D1、R，输出电压
；当Q1关断Q2导通时，初级线圈N2中有电流流过，次级线圈中产生上负下正的感应电压，此时二极管D2导通D1截止，为负载提供电压
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