开关电源设计Word格式.doc
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本电源模块各输出分别要求设计为:
A）主路5V供给MCU及相关数字电路。
B）辅路5V一路供给键盘、显示及其驱动电路,另外一路供给A/D和MCU的模拟电源。
C）15V供运算放大器芯片。
D）24V为外接继电器提供电源。
E）智能电表因长期在较恶劣的工作环境下工作,除了要求有较高的可靠性外,对电源的效率及散热也有较高的要求。
F）电表电源还需要一定的电磁兼容性能,例如抗浪涌干扰以及抗射频电磁场辐射等。
G）对于智能电表电源,由于其输出功率较高、输出路数多、线性稳压电源的效率低、适应电网电压范围窄,稳压性能差、笨重等智能电表趋向于采用技术成熟的开关电源。
3）系统主要技术指标：
A）三相四线制输入。
当输入为单相时也可工作。
电源进线端可直接接电表的电压测量端获取电能,输入电压范围每相85V～265V（AC）或80V～375V（DC）。
B）采用TOP224Y设计的具有六路输出的单端反激式电源。
最大输出功率约10W,六路输出分别是:
+5V/1A两路+5V/0.2A、+15V/0.1A、-15V/0.1A、+24V/50mA。
C）辅路输出设计具有低压差三端稳压芯片,使得辅路的输出电压不受主路负载变化的影响。
D）具有断电提示POWERGOOD信号。
当输入母线电压骤降（如发生三相短路或操作分闸）在电源停止输出之前产生下降沿时,通知电表芯片及时存储有用的数据。
E）电路简单、稳压性好、可靠性高,配有光耦和TL431的反馈回路使稳压性能显著提高。
输入端具有抗启动过流、浪涌电压的能力,同时具有过热保护、短路自动重启、安全电流限制功能。
F）具有良好的抗干扰特性。
四、设计参考书：
《开关稳压电源的原理及应用》、《电源电路的分析与设计》、《检测技术》、《电子元件手册》、《protel电路板设计方法》等。
五、设计说明书内容
1、封面
2、目录
3、内容摘要（200～400字左右，中英文）
4、引言
5、正文（设计方案与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）
6、结束语
7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）
六、毕业设计进程安排
第1周：
方案设计讨论，教师辅导；
第2-3周：
分系统方案设计初稿、元件选择、电气原理图等；
第4-5周：
编制程序、修改方案、设计说明书初稿；
第6周：
第一次检查，讨论并改写文稿；
第7周：
第二次检查，完善文稿辅导答辩；
第8周：
设计书成绩评定、答辩。
七、毕业设计答辩与论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：
说明书要求打印（除图纸外），不能手写。
文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）
摘要
本文介绍了一款基于美国POWERINTEGRATION公司的第二大开关电源芯片TOP224Y采用其功率为40W的TOP224Y芯片而制作的三相四线制智能电表并说明其工作原理设计流程。
设计输入电压范围（220V±
25—380±
25V）提供六路输出电压，该电源体积小、重量轻、外围元件少，成本低有较高的可靠性和电磁兼容性可用于单相三相智能电表中。
Abstract
ThisarticledescribesaU.S.POWERINTEGRATIONbasedcompany'
ssecond-largestswitchingpowersupplychip,itspoweris40WusingTOP224YTOP224Ychipoftheproductionofthree-phasefour-wiresmartmetersandexplaintheirdesignprocessworks.Designinputvoltagerange（220V±
25-380±
25V）providessixoutputvoltages,thepower,smallsize,lightweight,fewerexternalcomponentsandlowcostwithhighreliabilityandelectromagneticcompatibilitycanbeusedforsingle-phasethree-phasesmartmetersin.
关键词：
开关电源PWM控制TOPSwitch-Ⅱ智能电表
SwitchingPowerSupplyPWMcontrolTOPSwitch-ⅡSmartmeters
目录
2012届毕业设计任务书 1
摘要 4
第1章引言 5
1.1开关电源的发展背景 5
1.2论文设计目标和意义 7
1.3论文章节安排 7
第2章方案论证与设计 7
2.1方案的论证 7
2.2方案工作元件的选择 10
2.2.1开关器件：
（TOP224Y）：
10
2.2.2其它元件的选用：
12
2.3方案的总体设计 13
2.4高频变压器的设计 15
第3章硬件电路设计与原理分析 19
3.1开关电源的原理与应用 19
3.2原理图 20
3.1.1整流滤波电路 21
3.1.2箝位保护电路：
22
3.1.3反馈电路 23
3.1.4输出整流滤波电路的确定 23
3.1.5软启动电路 24
3.1.6电磁兼容性设计：
25
3.3PCB图 27
第4章电路的调试 28
4.1输入参数：
28
4.2输出参数：
4.3效率：
4.4电压调整率和负载调整率 29
第五章智能电表的基本工作过程 30
5.1智能电表的工作原理和特点 30
5.2智能电表带给用户的好处 31
总结 32
致谢 33
参考文献 34
附件 36
第1章引言
1.1开关电源的发展背景
随着智能电网的提出我国的国家电网也朝着智能化不断迈进，面对当今世界的能源危机社会用电量迅速增长用户对电能的质量要求也不断提高。
因此用户集电力公司需求一款能够实现信息化智能化的电表。
然而数字智能电表的发展与开关电源、微型控制器集现代通信技术是分不开的。
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、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。
智能电网是未来电网的发展趋势，即以发电、输电、配电、储能的电力系统为对象，通过数字信息技术和自动控制技术，实现从发电到用电过程中的所有环节形成信息的双向交流，使得电力的生产、输送和使用得到系统地优化。
安全、自愈、清洁、经济是未来的智能电网的主要特点;
21世纪，网络通信技术、自动控制技术和IS、GRS、GPS等数字化技术日趋成熟，电子电力、数据采集、智能仪表等技术飞速发展，已经能够投入到实际使用中;
数字化的变电站乃至数字化电网逐步建立，成为未来智能电网的技术基础。
我国建设坚强的智能电网将是一个漫长、循序渐进的过程。
现阶段，需要进行很多稳步推进的试点工作，确定一条可行的发展路径，确定电网数字化、智能化实践的技术要点是其中的核心环节。
智能电网的发展有三个主要阶段：
第一阶段:
2006年，IBM针对提“智能电网”安全性，可靠性等问题，提出了解决方案.IBM在中国发布的建设智能电网白皮书中指出，该解决方案主要包括以下三个方面:
首先要提高电网结构的数字化程度，电网资源与电力设备均通过相应的传感器来连接，采用数字化的信息交流;
其次是对传输数据的整合和采集体系;
最后是进行采集数据的分析，即依根据设备采集到的数据进行相关分析，优化系统运行和管理。
IBM提出的方案通过对电力系统运行的各个环节的进行优化管理优化管理，不但为相关企业降低成本，而且使运行效率和可靠性大大提高。
第二阶段:
奥巴马提出的能源计划，美国电网的电路损耗和故障维修每年要耗费1200亿美元，因此对电网系统升级换代迫在眉睫，建设横跨四个时区的统一电网;
着重开发智能电网，逐步实现美国太阳能、风能、地热能等分布式能源，的统一入网管理;
最大限度提高能源使用效率。
第三阶段:
互动电网（InteractiveSmartGrid）的概念是由中国能源专家武建东提出，它实质上包含了智能电网的含义。
互动电网定义为:
在互联和开放的信息模式基础上，通过完善电网网络管理系统，依靠先进的系统数字设备，加速促进电力系统全流程的信息化。
集合了产业革命、技术革命和管理革命的智能电网将再造电网信息回路，构建实时反馈系统，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源使用效率，减少客户成本，减少二氧化碳气体排放，最大限度创造电网价值。
1.2论文设计目标和意义
随着我国智能电网的进一步建设，市场要求的不断提高，新兴的智能电表成为市场的重要需求品之一。
本课题就是通过分析开关电源、电力电子技术的发展结合当今的PC技术等完成一款智能电表的设计与实现。
对促进我国智能电网的发展，提高我国居民用户的用电质量，实现我国在用电方面自动化、智能化，提高用电效率节约能源有重要意义。
智能电表其实是为实现国家智能电网而推出的计量设备，是该系统建设重要环节。
所谓智能电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”。
它建立在集成、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量等技术设备，实现电网安全可靠和经济高效的目标，具有信息化、数字化、自动化和互动化等主要特征。
“用电信息采集系统”的建设，是实现电能信息全采集、全覆盖、全预付费的基础，是建设智能电网的重要组成部分，杜绝了原人工抄录出现的用电误读、误抄、漏抄和抄表不及时等问题。
这种新型智能电表使电力用户不用跑到屋外找电表查电量，直接可以通过电表上的液晶显视屏查询电费、告警、历史用电、实时电价及供电曲线等信息，了解自家在不同时间的用电情况，在用电波峰的时候关闭某些电器，根据自己需求，制定用电计划，在精打细算中节约用电。
还可以由电脑远程自动抄表，将大大提高抄表精确性和工作效率，有效避免人工抄表的误差，并可远程分析电表数据，帮助供电企业掌握客户用电信息，第一时间获取现场故障和异常情况，方便及时抢修，减少停电时间。
1.3论文章节安排
本论文大致可分为五部分：
第一部分设计任务要求；
第二部分第一章介绍了研究背景及意义。
第三部分第二章，介绍了专用电源的总体论证·
设计。
智能电表总体工作原理图，第四部分，第三章给出了总体硬件原理图和各部分工作原理和调试以及总的工作原理接线图，第五部分，相关的智能电表工作过程及优点，致谢及附件。
第2章方案论证与设计
2.1方案的论证
1）开关电源工作形式的选择：
在开关电源电路中,基本类型有5种:
单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式和全桥式。
对于100W以下的开关电源,多采用单端反激式变换器,反激式功率变换电路中的变压器,除了起隔离作用之外,还具有储能的功能。
反激式功率变换电路结构比较简单,输出电压不受输入电压的限制,亦可提供多路电压输出TOPSwitchⅡ系列应用于单端反激式变换器,典型用法如图4所示
图a
图b
图c
图d
图4 TOPSwitchⅡ四种典型反激式变换电路
在图4中,（a）将偏置线圈通过限流电阻直接作为TOPSwitchⅡ控制极的输入;
（b）在（a）的基础上增加了稳压管,是（a）的增强型;
（c）中输出电压通过光耦作用于TOPSwitchⅡ控制极,在输出电压反馈精度上有所提高;
（d）在（c）基础上增加了精密基准TL431,使得输出稳压精度和负载调整率都能获得较高的精度。
4种变换电路的效果如表1所示
表14种变换电路参数比较
图示
稳压精度（典型值）
负载调整率（典型值）
a
±
10%
5
b
2.5
c
1
d
0.2
采用单端反激式开关电源，这种反馈控制电路的最大特点是：
在输入电压和负载电流变化较大时，具有更快的动态响应速度，自动限制负载电流，补偿电路简单。
反激电路适应于小功率开关电源。
方案的确定：
故在此次设计中选用单端反激式。
2）开关器件的选择：
功率开关管、PWM控制器和高频变压器是开关电源必不可少的组成部分。
传统的开关电源多采用分立的高频功率开关管和多引脚的PWM集成控制器，例如采用UC3842+MOSFET是国内小功率开关电源中较为普及的设计方法。
90年代以来，出现了PWM/MOSFET二合一的集成芯片。
它的出现，大大降低了开关电源设计的复杂性，缩短了设计所需的时间，从而加快了产品进入市场的速度。
二合一集成控制芯片多采用3脚、4脚、5脚、7脚和8脚封装。
其中，TEA1523P二合一集成控制器件，是该类器件的代表性产品。
TOPSwitchⅡ系列芯片是PowerIntegration公司生产的开关电源专用集成电路,他将脉宽调制电路与高压MOSFET开关管及驱动电路等集成在一起,具备完善的保护功能。
使用该芯片设计的小功率开关电源,可大大减少外围电路,降低成本,提高可靠性。
介绍其内部结构和工作原理,给出几种应用于反激式功率变换电路的典型用法,并给出一种反激式开关电源的实用电路。
所以最终选择TOP224Y构成的应用电路。
2.2方案工作元件的选择
主要性能：
TOP224Y构成的应用电路具有较低的成本和元件数量，与线性电源相比具有价格竞争优势的应用电路输出功率为5W的电源电路。
它具有非常低的AC/DC变换损耗，转换效率可达90%。
芯片内部集成了自动复位启动和限流能电路。
为了实现电源系统的安全保护，芯片内部还具有一个触发式热关断电路；
可构成反击式、正激式、升压式降压式结构的电路；
可工作于触及反馈控制结构或光耦合反馈控制结构；
可稳定工作与连续不连续传导模式。
芯片的SOURCE端被内部连接于自带金属散热片上，既改善了散热效果又降低了EMI。
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湖南铁道职业技术学院毕业设计
技术参数
参数名称
极限值
单位
DRAIN端电压
-0.3—700
V
DRAIN端电流增加量（△ID）
0.1XILIMITmax
CONTROL端电压
-0.3—9
V
CONTROL端电流
100
mA
储存温度
-65—150
℃
焊接温度
260
工作结点温度
-40—150
TOPSwitch-II的性能特点：
1）TOPSwitch-II内部包括振荡器、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。
它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可靠。
它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。
由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。
2）只有三个引出端：
控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。
为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。
以控制端为例，它具有三项功能：
①该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；
②该端电流IC能调节占空比；
③该端还作为电源支路与自动重启动／补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率，并对控制回路进行补偿。
3）输入交流电压的范围极宽。
作固定电压输入时可选220V±
15%交流电，若配85~265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。
开关电源的输入频率范围是47~440Hz。
4）开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是1.7%～67%。
电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。
其工作温度范围是0～70℃芯片最高结温Tjm=135℃。
5）TOPSwitch-II的基本工作原理是利用C控制端的反馈电流IC来调节占空比，达到稳压目的。
6）外围电路简单，成本低廉。
外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。
采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。
TOPSwitch-II可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD7和DVD、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域，并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关电源模块。
此外，它还适合构成后备式开关电源，非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源，供无线通信用的DC/DC电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。
TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的管脚功能与应用：
TOPSwitch-Ⅱ系列芯片有三个管脚，分别是D（3脚）、S（2脚）、C（1脚），其中C为控制脚，用于电压反馈控制输入；
D为内部MOS管的漏极，也是芯片功率电路输入端，一般经过变压器初级绕组与供电电源正端相连接；
S为内部MOS管的源极，一般接输入电源的负端。
符号
名称
作用
LM2930
稳压芯片
输出稳压
LM2940
LM2990
PC817A
光电耦合
隔离
TL431
三端可调分流基准源
比较放大
注：
详细参数间附表
2.3方案的总体设计
专用电源的总体方框图
根据实际设计要求可分为开关电源、单片机、现代通信技术三大部分。
其中开关电源的系统图如下：
继电器开关
三相半波整流
钳位，滤波
稳压
高
频
变
压
器
键盘5V/0.2A
MCU5V/0.2A
主路5V/1A
正负15V
A/D、单片机
TOP224Y
脉冲控制
单片机及相关电路方框图：
电压采样
电流采样
A
D
E
7
3
单片机
LCD显示
光隔离
485通讯接口
RF通讯接口
E2PROM
键盘扫描
看门狗
RTC
脉冲输出
电源
系统控制流程图
2.4高频变压器的设计
开关电源外围元件设计的技术关键在于高频变压器的设计,高频变压器设计的参数很大程度上决定了开关电源的性能参数.因此在设计高频变压器时,需要确定以下九个参数:
变压器初级电感量Lp、磁心气隙宽度δ、初级匝数Np、次级匝数Ns、反馈绕组匝数NF、初级裸导线直径Dpm、初级导线外径DpM、次级裸导线直径Dsm、和次级裸导线外径DsM。
上述参数除了Lp可以通过计算得出，其他均要进行迭代，直到满足磁通密度BM=0.2~0.3T，磁芯气隙宽度δ＞0.05mm初级绕组电流密度J=（4~10）A/mm的条件为止
1）高频变压器骨架设计:
采用EFD25锌锰铁氧体磁芯,其参数:
磁芯有效截面积SJ=0.58cm²
磁路有效长度L=57mm磁芯不留间隙时的等效电感AL=1800nH/T²
骨架宽度
b=16.4mm.
2）确定初级电路的有关参数:
在计算初级电感量之前,先确定初级电路的有关参数:
初级电流平均值:
I
最大占空比:
D
初级峰值电流:
I
初级有效值电流:
I
式中KRP为初级波纹电流与初级峰值电流的比值,决定了开关电源的工作方式（连续方式或不连续方式）
初级电感量的确定:
L
3）计算各绕组匝数:
次级绕组取0.6匝/V再加上肖特基整流管0.4V正向压降次级匝数为（5＋0.4）×
6＝匝3.24匝，由于初级绕组上还存在导线电阻，实取4匝。
初级绕组匝数确定如下：
N匝
反馈绕组：
N匝
其他各绕组的电压均按每伏匝数来计算，每伏匝数的定义为n．除了24Ｖ绕组之外．其他各绕组由于还接了低压差三端稳压器．所以在计算变压器绕组时还要加上1～2Ｖ的电压对应的绕组．
4）验证最大磁
升级会员 