反激式开关电源 理工科毕业设计论文Word文档格式.docx
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开关电源以其特有的优势——高稳定性、高性价比、低损耗、高效率，已经在市场中占据了一席之地。
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
现在，随着单片开关电源集成电路在电力电子技术上的应用，开关电源逐渐向着短、小、轻、薄的方向发展。
电力电子技术的飞快发展和小型电子设备的广泛应用，又使得小功率电源的需求逐渐增加，反激式开关电源由于其结构和成本方面的优势在小功率电源领域扮演着相当重要的角色，是小功率供电电源的首要之选。
然而，开关电源中重要一环—反激变压器的设计也是一个难题，其往往会使得电源设计的周期延长。
随着PI公司生产的以TOPSwitch为代表的新一代产品单片开关电源的诞生，很好的解决了以上诸多问题。
应用TOPSwitch-HX设计出来的开关电源，不仅组成器件更少，结构更简单，发热量更少，安全更可靠，采用TOPSwitch-HX系列芯片已经成为一种高效的反激式开关电源设计方案。
研究开发各种通用型、精密型及特种单片开关电源模块，能够大幅度地提升我国开关电源的科技水平和在国内外市场上的竞争能力，创造出巨大的经济效益与社会效益。
关键字：
电力电子技术；
开关电源；
TOPSwitch-HX；
高效
Abstract
Withthedevelopmentofpowerelectronics,switchingpowersuppliesarewidelyused,itisanimportantcomponentofvariouselectronicequipmentcannotbereplaced.Itdirectlydeterminesthequality,safety,andotherindicatorsoftheoverallsystem.Switchingpowersupplywithitsuniqueadvantages----highstability,highperformance,lowloss,highefficiency,hasclaimedaseatinthemarket.Switchingpowersuppliesisthedevelopmentdirectionofhighfrequency,highreliability,lowpower,lownoise,interferenceandmodulation.Now,withasinglechipswitchpowerICapplicationsinpowerelectronics,switchingpowersupplygraduallytowardthedirectionofshort,small,light,thin.Therapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologyandwidespreaduseofsmallelectronicdevicesandmakessmallpowerdemandisincreasing,Flybackswitchingpowersuppliesduetoitsstructureandcostadvantagesintheareasoflowpowersupplyplaysaveryimportantrole,isthecompellingchoiceoflow-powerpowersupply.However,theimportantpartinswitchingpowersupply-thedesignoftheFlybacktransformerisalsoaproblem,itsdesigntendstomakepowersupplyextendedcycle.WithPItoTOPSwitch,representedanewgenerationofproductsmanufacturedbythecompanybornofsingle-chipswitchingpowersupply,goodsolvesmanyproblems.AppliedTOPSwitch-HXdesignofswitchingpowersupplies,componentsnotonlyfewer,simplerstructure,netcalorificvaluelesssecurityandmorereliable,TOPSwitch-HXseriesofchipshasbecomeanefficientFlybackswitchingmodepowersupplydesign.Studyonthedevelopmentofauniversaltype,precisionandspecialsingle-chipswitchingpowermodule,cansubstantiallyimprovetheswitchingpowersupplyinChina'
sscientificandtechnologicallevelandcompetitivenessindomesticandinternationalmarkets,creatingtremendouseconomicandsocialbenefits.
Keywords:
Powerelectronictechnology;
switchingpowersupply;
TOPSwitch-HX;
efficiency
目录
摘要I
AbstractII
绪论5
1.1开关电源及发展现状5
1.2课题背景和研究意义6
1.3本文主要工作和内容安排6
第二章反激式开关电源简介8
2.1开关电源相关知识8
2.2开关电源的分类9
2.3反激式开关电源的原理9
第三章单端反激式开关电源系统级分析10
3.1电源设计指标10
3.2主电路拓扑10
3.2.1电路拓扑结构选择要注意的问题10
3.2.2工作方式选取11
3.3控制技术设计分析11
3.4反激式开关电源设计的系统原理图13
第四章单端反激式开关电源电路级设计15
4.1 保护电路的设计15
4.2输入整流滤波器设计15
4.2.1整流滤波器分析15
4.2.2参数计算与元器件选型16
4.3钳位保护电路设计17
4.4反激变压器设计18
4.4.1反激变压器分析18
4.4.2反激变压器参数设置18
4.5输出整流滤波电路设计19
4.6TOP256MN简介20
4.6.1TOPSwitch-HX系列功能特点20
4.6.2TOP256MN引脚功能以及主要参数21
4.7反馈电路设计22
4.7.1反馈电路分析23
4.7.2元器件选择和参数设置23
总结与展望24
参考文献25
致谢26
绪论
1.1开关电源及发展现状
开关稳压电源简称为开关电源，开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。
开关电源主要关键元件是稳压调整管，开关电源工作时检测输出电压，经过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制调节。
由于开关电源直接对电网的电压进行整流、滤波、调节，不需要电源变压器，工作频率高，滤波电容小、电感小，因此开关电源的体积相对较小，而且开关电源的功耗很低，对电网的适用能力强，所以开关电源的应用逐渐取代了传统的电源。
随着科技的飞速发展，电子设备的便携化，小型化轻型电源的发展尤为重要。
开关电源的产生为此提供了可行可靠地途径。
开关电源的高频率，高可靠性，低功耗，低噪声，抗干扰和模块化发展开关电源未来的科研方向与目标。
然而轻，小，薄技术的关键在于开关电源的高频率化，因为在一定范围之内，开关电源频率的提高，不止能够有效地减小电容和电感以及变压器的大小规格，还可以抑制出现对开关电源的干扰，改善整个系统的动态性能，大大的降低导通损耗，电路也变得更为简单，并使开关电源进入更广泛的应用领域。
在开关电源的高可靠性这方面，现在的开关电源生产技术通过减少运行电流，降低结温等方法以降低器件的应力，使得开关电源产品的可靠性得到很大幅度的提高。
开关电源的模块化是从集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展，它是当今国际电力电子技术界有待解决的新问题之一。
开关电源是电力电子发展的必然产物，顺应了时代的发展，它的出现已经带来了技术的革新。
开关电源的高效节能特性可以给我们带来巨大的经济效益，因而得到了社会各方面的重视从而得到很大的推广。
现在无论是国内还是国外都在发展开关电源，所以其前景是美好的，开关电源在一定程度上取代传统电源已经是必然的趋势了。
TOPSwitch-HX系列芯片集PWM信号控制电路和功率开关器件MOSFET于一体。
该系列开关电源集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率隔离式开关电源。
本课题所使用芯片TOP256MN应具有以下特点：
突出的性价比，较少的外围元件；
能耗低，具有绿色模式功能，使系统在空载或轻载时工作在较低的频率下，能够有效减少能耗；
具备各种完善的保护电路，在各种突发情况下仍能保证系统安全；
优秀的抗电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）特性；
体积小，重量轻，适用于多种便携设备及电源适配器。
1.2课题背景和研究意义
电力电子技术的飞速发展，处于高频的反激开关电源在电气和电子设备中的应用已经越来越广泛。
反激式电源因其结构简单，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感，而在中小功率电源中得到广泛的应用。
本文设计开关电源是为了能够经过能量处理得到所需要的能量输出。
一般的形式是得到一个符合设计要求的输出电压，而这个输出电压的数值不能受到负载电流或是输入电压负载电流的干扰。
开关电源由于具有最简外电路、最佳性能指标、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，倍受人们青睐，是开关电源的发展方向。
技术进步驱动产品创新。
现在，开关电源产品的发展向着高频化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向。
这种由于技术进步带动的产品创新同时受到市场的认可。
“绿色”电源，模块化电源的问世在节能、降耗、环保方面发挥了重要的作用，对于缓解我国的能源和环境问题大有裨益。
基于TOP256MN而设计出来的高效反激式开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、成本低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。
本设计就是设计一款低功耗的反激式开关电源控制Ic。
1.3本文主要工作和内容安排
本论文设计的反激式开关电源结构主要由整流及滤波电路、DC/DC变换器、反馈控制电路三部分组成。
本课题设计主要工作：
（1）在整流滤波器和变换器之间设计一个功率因数校正电路。
220V交流电经整流供给功率因数校正电路，提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，从而减小谐波污染。
（2）设计反馈控制电路、保护电路、软启动控制电路、浪涌吸收电路；
（3）分析外围元器件参数对电路性能指标的影响。
要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：
第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；
第二，切断骚扰信号的传播途径；
第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。
在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。
（4）性能指标的分析：
对电源的转换率，功耗，兼容性等各个性能指标进行分析。
对于如何提高开关电源的效率，现总结提高效率的理论方法如下：
1、选用合适的芯片，降低空载功耗。
2、调整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R为VTS管。
3、根据输出二极管两端的峰峰电压选用低耐压的整流管，最好选用品牌肖特基。
4、调整输出二极管的LC吸收回路。
5、合理选用输入端的热敏电阻，保证在正常工作时，阻值最小。
6、合理选用变压器，按照使铜损与铁损减到最小，增大变压器磁芯规格，增加线径，选择低功耗磁芯，调整初级电感量，合理地绕线，使漏感变小的选区标准可以提高效率。
7、大电流的走线加宽，可在上面露铜加锡。
8、低压大电流时，选择同步整流。
9、加大DC输出线线径。
10、取消或减小输出负载电阻。
本课题设计的内容安排：
第一章是绪论，介绍了开关电源和发展状况，论文课题背景和选题研究的意义以及课题的主要工作和设计的内容安排。
第二章是反激式开关电源的简介，讲解本课题设计相关的开关电源基础知识，开关电源的详细分类以及反激式开关电源的工作原理。
第三章是单端反激式开关电源系统级分析，收集设计电源的各项技术指标，列出本文电源的性能指标，论述开关电源的电路拓扑结构选择要注意的一些问题，选择本课题设计电源主拓扑结构，对反激开关电源控制电路的调节方式进行分析以及选取，设计出反激式开关电源设计的系统原理图。
第四章是单端反激式开关电源电路级设计。
对本设计开关电源电路级的各个电路模块进行详细分析，计算开关电源的各个模块的参数及进行选取，首先是输入整流滤波电路的各个元器件选择和参数设置，其中有输入整流桥的选择，输入滤波电容的计算与选择。
跟着是钳位保护电路设计，其中有钳位二极管的计算与参数设置。
而后对反激开关电源的变压器进行分析、参数设置、设计。
输出整流滤波电路和反馈电路元器件各个元器件的合理选择和参数设置。
最后是说明TOPSwitch-HX的原理，分析其在电路中的重要作用。
第五章是结论和展望。
简单的总结本次课题设计所做的工作以及对开关电源的展望。
第二章反激式开关电源简介
2.1开关电源相关知识
下列是本课题设计有关于开关电源的基础知识。
输出电压保持时间：
在开关电源的输入电压撤销后，依然保持其额定输出电压的时间。
ESR：
等效串联电阻。
它表示电解电容呈现的电阻值的总合。
一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好。
启动浪涌电流限制电路：
它属于保护电路。
它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。
为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。
线性调整率：
输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。
条件是负载和周围的温度保持恒定。
隔离电压：
电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。
或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。
负载调整率：
输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。
条件是线电压和环境温度保持不变。
效率：
电源的输出功率与输入功率的百分比。
其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。
输出瞬态回应时间：
从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。
隔离式开关电源：
一般指高频开关电源。
它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。
超载或过流保护：
防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路
噪音和波纹：
附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。
通常是以mv度量。
软启动：
在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。
工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。
远程检测：
电压检测的一种方法。
为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。
占空比：
开关电源的开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。
2.2开关电源的分类
开关电源的结构有多种：
1、按驱动方式分，有自励式和他励式；
2、按电路控制方式分，有脉宽调制式（PWM）式、脉冲频率调制（PFM）均式和PWM与PFM混合式；
3、按电路组成分，有谐振型和非谐振型；
4、按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光藕耦合式等；
5、按变换器的工作方式分，有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。
2.3反激式开关电源的原理
反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。
开关电源中的反激，是指当开关管VT1导通时，变压器初级绕组T的感应电压为上正下负，整流二极管处于截止状态，初级绕组中储蓄能量。
当开关管VT1截止时，变压器T初级绕组中储蓄的能量，通过变压器次级绕组及整流二极管整流和电容C滤波后向负载输出。
VT1的周期性导通和关断为反激式开关电源的主要特点。
当VT1导通的时候，开关电源变压器绕组的一次侧线圈内持续的储蓄能量；
而VT1截止的时候，开关电源的变压器会把一次侧线圈内储蓄的能量经整流二极管给负载端输出。
开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：
一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；
二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；
三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。
图2-1反激式开关电源拓扑
第三章单端反激式开关电源系统级分析
3.1电源设计指标
在设计电源时，要充分收集设计电源的各项技术指标，以便所设计的电源能符合用户的需求。
根据设计具体需要，下面列出本文电源的性能指标。
1、输入电压：
市电220V/50Hz
2、输入电压范围：
220
20V
3、输出电压/电流：
5V/4A
4、输入频率：
50Hz
5、输出电压准确度：
1%
6、工作温度：
-35℃～+80℃
7、电压调整率：
3%
8、负载调整率：
9、效率：
75%
10、纹波系数：
1%
11、输出纹波：
50mV
3.2主电路拓扑
3.2.1电路拓扑结构选择要注意的问题
1、升压或降压：
如果输入电压不始终是比输出电压高或低就不能选择buck变换器或boost变换器。
2、占空比：
输入电压和输出电压是否相差5倍以上，如果是，就可能要用变压器。
计算合适的占空比，不要使占空比太小或太大。
3、输出电压组数需求：
如果多于一组，除非再后接电压调节器，否则就可能需要变压器，输出电压组数很多时，可以选用多个变换器，这样做的结果比较理想。
4、隔离：
考虑电压的高低，如果需要隔离就需要变压器。
5、EMI的要求：
不要输入电流不连续的那些拓扑，如buck变换器，boost变换器，最好让变换器工作于电流连续模式。
6、成本高低：
对离线式电源来说，也可以用IGBT，否则就考虑MOSTET。
7、电源是否需要空载工作：
如果电源需要空载工作，变换器就要工作于电流断续模式，除非是同步整流状态。
8、同步整流：
同步整流不管负载大小如何，都可以是变换器工作于电流连续模式。
9、输出电流的大小：
如果输出电流很大，选用电压模式要比电流模式控制好。
3.2.2工作方式选取
反激式拓扑开关电源有两种工作方式：
（1）完全能量转换，又称为非连续导通模式，简称CCM。
这种模式的特点就是，变压器处于储能周期的时候，所储蓄的能量在反激周期完全转移到负载输出端。
（2）不完全能量转换，又称为连续导通模式，简称DDM。
变压器储蓄的其中一部份能量保留到下一个储存周期开始。
非连续导通模式的工作原理：
当PWM脉冲激励开关管导通，原边绕组将有电压V，原边绕组的电感储蓄能量，在下一个脉冲还未来到的时候，变压器中储蓄的能量并没有完全释放，变压器次级绕组的电流没能降到0就开始了下一个周期。
连续导通模式的工作原理和非连续导通模式之间的不同之处就是下一次脉冲电压还未来到时，变压器中储蓄的能量完全释放，变压器次级绕组的电流将到为0，下一个周期的变压器初级绕组的电流将又会从0开始逐渐增加。
所以非连续导通模式的特点就是反激开关电源的变压器在每个开关周期，开始于非0的能量储蓄状态。
连续导通模式的特点是储存在反激开关电源的变压器中的能量在每一个开关周期内都要释放完全。
综上，这两种模式下峰值电流和纹波电流之间关系的不同。
连续导通模式的开关电流从一定幅度开始，沿着斜坡逐渐增加为峰值，跟着又迅速降为0。
连续导通模式的开关电流则是从0开始逐渐增加为峰值，再迅速归0。
图3-1
本课题设计的高效反激式开关电源控制器始终控制电源工作在非连续导通的情况下，所需的输出电压对应的占空比和工作频率可以通过公式计算得到。
但是由于器件的寄生参数以及环境变化，在开关电源中一般采用闭环控制取代开环控制。
3.3控制技术设计分析
开关电源的控制技术主要有三种：
脉冲宽度调制（PWM）；
脉冲频率调制（PFM）；
调宽调频混合电路（PWM-PFM）。
1、PWM：
脉冲宽度调制。
脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
图3-2
2、PFM：
脉冲频率调制。
调制信号的频率的变化随着输入信号幅值的变化而变化，占空比保持稳定。
因为调制信号一般称为频率变化的方波信号，所以PFM也称为方波FM。
图3-3
其中，PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。
PFM相比较PWM主要优点在于效率：
（1）对于外围电路一样的PFM和PWM而言，其峰值效率PFM与PWM相当，但在峰值效率以前，PFM的效率远远高于PWM的效率，这是PFM的主要优势。
（2）PWM由于误差放大器的影响，回路增益及回应速度受到限制，PFM具有较快的回应速度。
PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难：
（1）滤波困难（谐波频谱太宽）。
（2）峰值效率以前，PFM的频率低于PWM的频率，会造成输出纹波比PWM偏大。
（3）PFM控制相比PWM控制IC价格要贵。
PFM之所以应用没有PWM多最主要的一个原因：
控制方法实现起来容易，PFM控制方法实现起来不太容易。
3、PWM-PFM：
调宽调频混合电路。
PWM-PFM脉宽脉频综合调制方式就是控制芯片根
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