高效率单片集成电路开关电源的设计.docx

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高效率单片集成电路开关电源的设计

2012届

本科毕业设计（论文）资料

第一部分毕业论文

（2012届）

本科毕业设计（论文）

题目名称：

高效率单片集成电路开关电源的

设计

学院（部）：

电气与信息工程学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

班级：

学号

指导教师姓名：

职称

最终评定成绩：

2012年月

摘要

本论文是围绕当前流行的单片开关电源芯片进行的高效率单片集成电路开关电源的设计。

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。

主要针对输入整流滤波电路、输出整流滤波电路、电压反馈电路和高频变压器进行计算，从而确定外围元件参数。

本论文对单片开关电源的外围器件进行细致的研究工作，通过反复的实验和计算取得了提高单片开关电源效率设计的宝贵经验，掌握了单片开关电源的核心技术，并对此进行了较为详尽的阐述。

关键词：

单片开关电源；TOP246Y；外围器件

ABSTRACT

Thispaperisahighefficiencymonolithicintegratedswitchingpowersupplydesign,whichwillbeconductedaroundthecurrentlypopularsingle-chipswitchingpowersupplychip.Theswitchingpowersupply,choiceofthreeintegratedcircuits-theTOP246Y6-endchipswitchingpowersupply,linearoptocouplerPC817AandadjustableprecisionshuntregulatorofTL431.TheusethetheTOP246Ytype6endchipswitchingpowersupplyofthePWMtechnologytocontrolthedutycycleoftheswitchtoadjusttheoutputvoltageinordertoachievestableoutputpurposes.Thecalculationoftheinputrectifierandfiltercircuit,theoutputrectifierandfiltercircuit,thevoltagefeedbackcircuit,andhigh-frequencytransformerinordertodeterminetheexternalcomponentparameters.

Chipswitchingpowersupply,peripheraldevices,thepaperdetailedstudy,throughrepeatedexperimentsandcalculationsmade​​toimprovetheefficiencyofthechipswitchingpowersupplydesignofvaluableexperiencetomasterthecoretechnologyofthechipswitchingpowersupply,andthisamoredetailedexposition.

Keywords:

chipswitchingpowersupply；TOP246Y；Peripheraldevices

第1章开关电源概述

单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的亲睐。

目前，它已成为开发国际通用的高效率中、小功率开关电源的优选IC，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。

1.1开关电源发展简介

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。

目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。

线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳定性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。

开关电源SPS（SwitchingPowerSupply）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。

开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。

开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，着就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

1.1.1开关电源的发展历史

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功率开关管（MOS-FET）、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）、自恢复保险丝（RF）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMIFilter）、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠（magneticbead）、三重绝缘线（TripleInsulatedWire）、玻璃珠（glassbeads）胶合剂等一大批新器件、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。

1.1.2单片开关电源的发展趋势

近20多年来，集成开发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——控制电路实现集成化。

1977年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉（Motorola）公司、硅通用（SiliconGeneral）公司、尤尼特德（Unitrode）公司等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC350、SG3524、UC3842。

90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如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。

这大致分两个阶段：

80年代初，意-法半导体有限公司（SGS-Thomson）率先推出L4960系列单片开关式稳压器。

该公司于90年代又推出了L4970A系列。

其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压连续可调式输出（5.1~40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.5~10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。

但从本质上讲，它仍属于DC/DC电源变换器。

1994年，美国电源集成公司（PowerIntegrationsInc，简称PI公司或Power公司）在世界上首先研制成功三端隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。

其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch系列。

该公司于1998年又推出了高效率、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列，并于1999年开发出TNY256系列新产品。

在这之后，Motorola公司于1999年新推出MC33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（HighVoltagePowerSwitchingRegulator）。

2000年初，PI公司又研制出TOPSwitch-FX系列五端单片开关电源，充分展示出单片开关电源蓬勃发展的新局面和良好的应用前景。

目前，单片开关电源已形成具有六大系列、67种型号的产品。

单片开关电源属于AC/DC电源变换器。

以TOPSwitch-

系列为例，它内部包含控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级、高压功率开关管（MOSFET）、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路和高压电流源。

芯片的集成度很高外围电路简单，通过输入整流滤波器，适配85~265V、47~440Hz的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。

它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。

单片开关电源的迅速发展与应用，使人们多年来所追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。

1.2开关电源的分类

在电子技术和应用飞速发展的今天,对电子仪器和设备的要求越来越高。

在性能上更加安全可靠,在功能上不断增加,在使用上自动化程度要越来越高,在体积上日趋小型化。

这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要。

所以,开关电源在计算机、通信、航天、彩电等方面都得到了越来越广泛的应用,发挥了巨大的作用,这大大促进了开关电源的发展,从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加,开关电源的品种和类型也越来越多。

常见的开关电源的分类方法有下列几种:

1.2.1按激励方式划分

开关电源按激励方式分类可分为它激式和自激式两类。

它激式开关电源——开关激励脉冲来自专门的激励脉冲形成电路；

自激式开关电源——开关激励脉冲来自开关器件的自激振荡。

1.2.2按调制方式划分

开关电源开关电源按激励方式划分为脉宽调制型、频率调整型和混合调整型。

脉宽调制型开关电源——保持振荡频率保持不变,通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小；

频率调整型开关电源——保持占空比保持不变（脉冲宽度保持不变）,通过改变振荡频率来改变输出电压大小；

混合调整型开关电源——脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源。

1.2.3按功率开关的类型划分

开关电源按功率开关的类型可分为晶体管型和可控硅型。

晶体管型采用晶体管（包括场效应管）作为开关功率管；可控硅型采用可控硅作为开关功率管，这种电路的特点是直接输入交流电压,不需要一次整流部分。

1.2.4按功率开关的连接方式划分

开关电源按功率开关的连接方式划分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。

单端式仅使用一个晶体管作为电路中的开关管。

这种电路的特点是价格低、电路结构简单,但输出功率不能提高；推挽式使用两个功率开关管,将其连接成推挽功率放大器的形式。

这种电路的特点是可以工作在电源电压较低的场合,一般逆变器多采用这种形式的电路,但它的缺点是开关变压器的初级必须具有中心抽头；半桥式使用两个功率开关管,将其连接成半桥形式。

它的特点是适应于输入电压较高的场合；全桥式使用四个功率开关管,将其连接成全桥的形式。

它的特点是输出功率较大。

1.3开关电源的基本原理

目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制或混合调制方式。

下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理作简要介绍。

1.3.1开关电源的控制方式

无工频变压器开关电源的控制方式，大致有以下三种：

（1）脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制（PulseWidthModulation，缩写为PWM）式。

其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。

因开关周期也是固定的，这就为设计滤波器电路提供了方便。

其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节，另外输出端一般要接假负载（亦称预负载），以防止空载时输出电压升高。

目前，集成开关电压源大多采用PWM方式。

（2）脉冲频率调制方式，简称脉频调制（PulseFrequencyM偶读拉通,缩写为PFM）式。

它是将脉冲宽度固定，通过改变开发频率来调节占空比的。

在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。

其稳压原理是：

当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。

PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。

PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图1.1（a）、（b）所示，tp表示脉冲宽度（即功率开关管的导通时间tON）,T代表周期。

从中很容易看出二者的区别。

但它们也有共同之处：

均采用时间比率控制（TRC）的稳压原理，无论是改变tp还是T，最终调节的都是脉冲占空比。

尽管采用的方式不同，但控制目标一致，可谓殊途同归。

当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法，使输出电压保持稳定。

（a）PWM方式；（b）PFM方式

图1.3.1两种控制方式的调制波形

（3）混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。

由于tp和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。

1.3.2脉宽调制式开关电源的基本原理

脉宽调制式开关电源的基本原理如图1.3.2所示。

交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压Vt，再由功率开关管VT（或MOSFET）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压VO。

脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。

锯齿波发生器提供时钟信号。

利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。

假如由于某种原因致使Vo↓，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均值电压升高，导致Vo↑。

反之亦然。

图1.3.2脉宽调制式开关电源的基本原理

1.4单片开关电源简介

下面介绍一下单片开关电源的基本工作原理、两种工作模式及反馈电路的四种基本类型。

1.4.1单片开关电源的基本原理

TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用电路如图1.4.1所示。

高频变压器在电路中具备能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。

由图可见，高频变压器初级绕组NP的极性（同名端用黑圆点表示），恰好与次级绕组NS、反馈绕组NF的极性相反。

这表明在TOPSwitch导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中，此时VD2截止。

当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传输给次级，此即反激式开关电源的特点。

图中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容。

交流电压u经过整流滤波后得到直流高压VI，经初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。

鉴于在TOPSwitch关断时刻，由高频变压器漏感产生的尖峰电压，会叠加在直流高压VI和感应电压VOR上，可使功率开关管的漏极电压超过700V而损坏芯片；为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。

钳位电路有瞬态电压抑制器或稳压管（VDZI）、阻塞二极管（VD1）组成，VD1宜采用超快恢复二极管（SRD）。

VD2为次级整流管，COUT是输出端滤波电容。

图1.4.1单片开关电源的典型应用电路

该电源采用配稳压管的光耦反馈电路。

反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压VFB，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。

CT是控制端C的旁路电容。

设稳压管VDZ2的稳定电压为VZ2，限流电阻R1两端的压降为VR，光耦合器中LED发光二极管的正向压降为VF，输出电压VO由下式设定：

VO=VZ2+VF+VR

该电源的稳压原理简述如下：

当由于某种原因（如交流电压升高或负载变轻）致使VO升高时，因VZ2不变，故VF就随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使TOPSwitch的控制端电流IC增大。

但因TOPSwitch的输出占空比D与IC成反比，故D减小,这就迫使VO降低，达到稳压目的。

反之，VO↓→VF↓→IF↓→IC↓→D↑→VO↑，同样起到稳压作用。

由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。

1.4.2单片开关电源的两种工作模式

单片开关电源有两种工作模式，一种是连续模式CUM（ContinuousMode），另一种是不连续模式DUM（DiscontinuousMode）。

这两种模式的开关电流波形分别如图1.4.2（a）（b）所示。

由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从一点幅度开始的，然后上升到峰值，再迅速回零。

其开关电流波形呈梯形。

这表明，因为在连续模式下，储存在高频变压器的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，所以下一开关周期具有一个初始能量。

采用连续模式可减小初级峰值电流IP和有效值电流IRMS，降低芯片的功耗。

但连续模式要求增大初级电感量LP，这会导致高频变压器的体积增大。

综上所述，连续模式适用于选输出功率较小的TOPSwitch和尺寸较大的高频变压器。

（a）连续模式；（b）不连续模式

图1.4.2两种模式的开关电流波形

不连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再降至零的。

这意味着储存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。

不连续模式下的IP、IRMS值较大，但所需要的LP较小。

因此，它适合采用输出功率较大的TOPSwitch，配尺寸较小的高频变压器。

三端单片开关电源大多设计在连续模式。

1.4.3单片开关电源的四种基本反馈电路类型

（a）基本反馈电路；（b）改进型基本反馈电路；

（c）配稳压管的光耦反馈电路；（d）配TL431的精密光耦反馈电路

图1.4.3反馈电路的四种类型

单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有4种基本类型：

基本反馈电路；

改进型基本反馈电路；

配稳压管的光耦反馈电路；

配TL431的精密光耦反馈电路。

它们的简化电路分别如图1.4.3所示。

图（a）为基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉，适于制作小型化、经济性开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率SV=

1.5%~

2%，负载调整率SI

5%。

图（b）为改进型基本反馈电路，只需增加一种稳压管VD2和电阻R1，即可使负载调整率达到

2%。

VD2的稳定电压一般为22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压VFB，满足电路的需要。

图（c）是配稳压管的光耦反馈电路。

由VD2提供参考电压V2，当VO发生波动时，在LED上可获得误差电压。

因此，该电路相当于给TOPSwitch增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对VO进行调整。

这种反馈电路能使负载调整率达到

1%以下。

图（d）是配TL431的精密光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。

这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对VO作精细调整，可使电压调整率和负载调整率均达到

0.2%，能与线性稳压电源相媲美。

这种反馈电路适于构成精密开关电源。

在设计单片开关电源时，应根据实际情况来选择合适的反馈电路，才能打到规定的技术指标和经济指标。

第2章TOPSwitch单片开关电源

单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。

TOPSwitch器件是美国功率集成公司（POWERIntegrations，简称IP）于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。

它是三端脱线式PWM开关（Three-terminalOfflinePWMSwtich）的英文缩写，其第一代产品以1994年推出的TOPSwitch系列（最大输出功率POM=125W）；第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ系列（POM=150W）；第三代产品是2000年1月推出的TOPSwitch-FX系列单片开关电源（POM=75W）；第四代产品是2000年11月推出的TOPSwitch-GX系列单片开关电源（POM=290W）；第五代产品是2007~2009年推出的TOPSwitch-HX系列单片开关电源（POM=333W）。

2.1TOPSwitch器件简介

以下简单介绍以下上述五代产品的主要特点及TOPSwitch的应用领域。

2.1.1TOPSwitch的主要特点

目前，由PI公司生产的单片开关电源集成电路已形成了18大系列、几百种型号。

在这仅介绍以下TOPSwitch系列产品的主要特点见表2-1。

需要指出的是，TOPSwitch系列等早期产品至今市场市场上仍有销售。

表2-1TOPSwitch系列产品的主要特点

产品系列

主要特点

TOPSwitch系列

第一代单片开关电源集成电路。

内含振荡器、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、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路。

能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。

交流输入电压范围是85~265V，或220（1

15%）V。

开关频率为100kHz，占空比调节范围是1.7%~67%。

最大输出功率为150W，电源效率为80%左右

TOPSwitch-Ⅱ系列

第二代单片开关电源集成电路。

内部功率开关管的耐压值均提高到700V，适宜制作150W以下的普通型和精密型开关电源或电源模块

TOPSwitch-FX系列

第三代单片开关电源集成电路。

具有多功能、使用灵活、效率高、适配微控制器等优点。

与TOPSwitch-Ⅱ相比，主要增加了下述功能：

从外部设定极限电流值、软启动、频率抖动、过电压关断、欠电压保护、过热滞后关断、遥控、同步。

能配微控制器或局域网，远程启动或关断开关电源。

最大输出功率为75W

TOPSwitch-GX系列

第四代单片开关电源集成电路。

最大输出功率从75W扩展到290W。

新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitch-FX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。

将开关频率提高到132kHz，这有助于减少高频变压器及整个开关电源的体积。

当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz（半频模式下则由66kHz降至15kHz），可进一步提高电源效率。

采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通/断模式下芯片的功耗

TOPSwitch-HX系列

第五代单片开关电源集成电路，采用全新的eSIP-7F和eSIP-7C封装。

其中，TOP261的最大输出功率可达333W。

比TOPSwitch-GX增加了电压监测端，用做过电压（OV）、欠电压（UV）、电压前馈、输出过电压保护（OVP）、远程通/断（ON/OFF）及复位的输入引脚。

可选全频（132kHz）PWM控制模式、半频（66kHz）PWM控制模式、低频（30kHz）PWM控制模式或多周期调制模式，在不同模式之间能平滑地切换，每种模式都能在整个负载范围内实现最佳工作效率。

具有远程通、断控制机复位功能，能精确地对极限电流进行编