基于topswitch的開關電源設計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設計)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于TOPSwitch的開關電源設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p

2、><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　

3、　開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源?，F(xiàn)在將PWM控制器和MOSFET功率開關自啟動電路、功率開關管、PWM控制電路及保護電路一體化的集成開關電源模塊芯片成為開關電源設計的主流發(fā)展趨勢。實驗利用新型TOPSwitch開關電源設計制作一個能夠實現(xiàn)220V交流輸入到5V直流輸出的電路。實驗介紹了TOPSwitch開關電源的發(fā)展情況，介紹了單端發(fā)激式電源設計原理，并引用TOP244芯片電路

4、作為實例，詳細介紹。利用公式計算變壓器的具體數值的方法，通過公式計算自制變壓器，組成一個完整的TOP244回路，實現(xiàn)電壓的轉換。并對電路中主要部分做出詳細的闡述。實驗主要應用到電力電子技術，EMI濾波器，光耦二極管，齊納二極管，整流濾波電路，變壓器逆變。 </p><p>　　關鍵詞：開關電源；TOP Switch-GX；PWM控制器；反激式開關電源</p><p><b>　　

5、Abstract</b></p><p>　　Switching power supply is the use of modern power electronic technology, control switch tube patency and cut-off time ratio, stabilize output voltage of a power supply. Will now P

6、WM controller and MOSFET power switch from start-up circuit, the power switch tube, PWM control circuit and the integration of protection circuit switching power supply module integration of the power switch design chips

7、 become mainstream development trend. American power integrated company (PI) trend, in 1994, launched</p><p>　　Key Words: Switching power supply; TOP Switch-GX; PWM control; Flyback type switch power supply&

8、lt;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 開關電源1</p><p>　　1.1.1 開關電源的定義1</p><p>　　1.1.2 開關電源與線性電源的區(qū)別1</p>

9、<p>　　1.1.3 開關電源的發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.1.4 開關電源的原理2</p><p>　　1.2 TOPSwitch系列芯片的發(fā)展2</p><p>　　1.2.1 TOPSwitch-Ⅰ2</p><p>　　1.2.2 TOPSwitch-Ⅱ3</p><p>　　1.

10、3 TOP Switch-GX系列芯片的介紹4</p><p>　　1.3.1 TOP Switch-GX系列芯片的優(yōu)點4</p><p>　　1.3.2 TOP Switch-GX引腳介紹5</p><p>　　1.3.3 TOP Switch-GX內部結構6</p><p>　　2 單端反激式開關電源原理8</p>

11、<p>　　3 單端反激式開關電路設計10</p><p>　　3.1 輸入整流濾波回路10</p><p>　　3.2 變壓器回路11</p><p>　　3.3 高頻變壓器數據計算13</p><p>　　3.3.1 選擇磁芯材料與形狀13</p><p>　　3.3.2 利用AP法確定磁

12、心尺寸14</p><p>　　3.3.3計算原、副邊繞組匝數15</p><p>　　3.3.4 氣隙長度的計算15</p><p>　　3.4 輸出整流濾波電路17</p><p>　　3.5 偏置繞組與RC補償網絡17</p><p>　　3.6 輸出控制回路18</p><p&g

13、t;　　4 元器件介紹19</p><p>　　4.1 齊納二極管簡介19</p><p>　　4.2 光耦二極管20</p><p>　　4.3 EMI濾波器21</p><p><b>　　5 結論22</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p>

14、<p><b>　　參考文獻23</b></p><p>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖24</p><p>　　附錄2 實物原理圖25</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設計作品說明書26</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><

15、b>　　1.1 開關電源</b></p><p>　　1.1.1 開關電源的定義</p><p>　　開關電源[1]是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的這一種電源。目前的開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。</p><p>　　1.1.2 開關電源與線性電源的區(qū)別</p>

16、<p>　　線性電源[2]是先將交流電經過變壓器降低電壓幅值，再經過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經濾波得到帶有微小紋波電壓的直流電壓。開關電源與線性電源相比，線性電源的電壓反饋電路工作時是處在線性狀態(tài)的，而開關電源在工作時是靠電壓調整管子在飽和至截止這個階段。線性電源一般是將輸出電壓取樣后與參考電壓一起送入電壓放大器。這個電壓放大器的輸出作為電壓調整管的輸入，用來控制調整管結電壓的變化，來調整輸出電壓。開關電源是通過

17、改變調整管的占空比來改變輸出電壓的。從體積上來說，開關電源的體積比線性電源的小，而且效率高，同時開關電源在制造過程中盡量減少了元器件的加入，大大降低了制作成本。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，開關電源技術也逐漸成熟，以逐漸的取代了線性電源。</p><p>　　1.1.3 開關電源的發(fā)展趨勢</p><p>　　1955年美國羅耶（GH.Roger）發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變

18、換器，是實現(xiàn)高頻轉換控制電路的開端，1957年美國查賽（Jen Sen）發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復時間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關電源。如圖1-1所示為開關電源實物圖。</p><p>　　圖1－1 開關電源</p>

19、<p>　　1.1.4 開關電源的原理</p><p>　　開關電源有的采用可控硅，有的采用開關管，其基本原理基本相同。都是靠基極，控制極，加上脈沖信號來完成導通和截止的。當脈沖信號處在正半周時，控制極電壓升高，開關管導通，通過220V整流濾波得到的300V電壓也導通，通過開關變壓器傳到次級，通過變壓比將電壓升高或降低，最終得到穩(wěn)定的電壓，傳給整個電路工作。當振蕩脈沖位于負半周時，電源的基極，控制電壓

20、就低于原來的設置電壓，電源的調整管就處于截止狀態(tài)，300V電源就被關斷，開關變壓器的次級就沒有電壓，電路中的電壓全部由濾波電容放電來維持。當下一個脈沖的正半周期到來時，重復上一個過程。</p><p>　　1.2 TOPSwitch系列芯片的發(fā)展</p><p>　　1.2.1 TOPSwitch-Ⅰ</p><p>　　圖1－2 TOP103YN實物圖</

21、p><p>　　根絕封裝形式，TOP Switch-Ⅰ[3]系列具體分為：TOP100-TOP104；這個系列輸入電壓是100V或110VAC，功率在（0-60）W范圍內的開關電源；功率在（0-110）W范圍內采用功率因素校正（PFC）的開關電源；功率在（0-25）W范圍內的無線通信，有線通信。其他DC/DC變換應用。</p><p>　　1.2.2 TOPSwitch-Ⅱ</p>

22、<p>　　根據封裝形式，TOPSwitch-Ⅱ[4]系列產品可劃分成三種類型：TOP221Y-227Y(TO-200封裝)，TOP221P-224P(DIP-8)封裝，TOP221G-224G(SMD-8封裝)，如圖1－3所示為TOP222P。 </p><p>　　TOPSwitch-Ⅱ的性能特點，如表1-1所示：</p><p>　　表1－1 TOPSwitch-Ⅱ的

23、性能特點</p><p>　　應用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外它還適合構成后備式開關電源，非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源，供無線通用的DC/DC電源變換器、恒功率調節(jié)器、功率因數補償器等。如圖1-2所示為TOP103YN實物圖。</p><p>　　圖1－3

24、 TOP222P實物圖片</p><p>　　1.3 TOP Switch-GX系列芯片的介紹</p><p>　　1.3.1 TOP Switch-GX系列芯片的優(yōu)點</p><p>　　美國功率集成公司(PI公 司)在1994年推出了第一代TOPSwitch-Ⅰ芯片，1997年，美國功率集成公司又推出了TOPSwitch-Ⅱ系列器件。TOPSwitch-Ⅱ系列器

25、件和TOPSwictch系列器件相比，內電路作了許多改進，器件對于電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設計更為方便，性能又有了增強，性能價格比更高。2000年11月最新推出TOPSwich-GX[5]系列。TOPSwitch-GX更穩(wěn)定，輸出功率相對較大，適用范圍相對較大，而且具有一些其他芯片沒有的特點。采用ECOMART集成電路技術，把高壓功率MOSFET、PWM控制器、故障保護電路及其其他控制電路集成到一個CMOS芯片中。

26、具體有點體現(xiàn)在：</p><p>　?。?）更寬的輸出功率范圍，最大可達290W；</p><p>　?。?）可減少外圍器件的損耗；</p><p>　?。?）在極低壓或過壓時能實現(xiàn)完全軟啟動，進一步減小器件在啟動時的電壓，電流應力；</p><p>　　（4）外部可編程精確地設定限制電流，減小了變壓器鐵芯體積，提高電源效率；</p&g

27、t;<p>　　（5）更大的占空比，能提高更大的輸出效率并減小了輸入電容；</p><p>　?。?）在Y,P,F型式封裝中將電壓檢測管腳與限流管腳分開封裝，提高了設計的靈活性；</p><p>　?。?）欠壓保護，不會造成誤關斷；</p><p>　　（8）有過壓保護，可以限制流涌電流；</p><p>　?。?）采用線電壓前

28、饋，減小了打壓時的輸出電壓紋波，限制了高壓時的最大占空比（Dmax）；</p><p>　　（10）有±3%的頻率抖動，減小了電磁干擾（EMI）,并降低了EMI濾波器的損耗；</p><p>　?。?1）空載，輕載式可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負載，從而顯著減少了能量損耗；</p><p>　　（12）高達132KH的工作頻率，減小了變壓器和電源的的

29、體積；</p><p>　　（13）在視頻應用時刻選擇半瓶（66KHZ）運行；</p><p>　?。?4）溫度范圍更寬的滯后熱關斷，允許電源在高溫下輸出更大的功率，并有效地防止裝置過熱。</p><p>　　TOPSwitch-GX系列的這些優(yōu)點使其可廣泛應用于LCD顯示器，個人電腦，小型服務器，筆記本電腦配置器，機頂盒，數字電視，打印機，DVD播放器和刻錄機，U

30、PS,視頻游戲，寬帶調制解調器，手機適配器，音頻放大器等。</p><p>　　1.3.2 TOP Switch-GX引腳介紹</p><p>　　實驗中采用的是TOP244芯片的Y型封裝類型。圖1-4為TOP Switch-GX 的芯片引腳圖。</p><p>　　圖1－4 TOP Switch-GX 的芯片引腳圖 </p><p>　　

31、（1）7，D漏極引腳是MOSFET輸出。通過內部的開關高壓電流源提供啟動偏置電流。漏極電流的內部流限檢測點。</p><p>　?。?）1，C控制引腳是誤差放大器及反饋電流的輸入腳，用于占空比控制。與內部并聯(lián)調整器相連接，提供正常工作時的內部偏置電流。也用作電源旁路和自動重啟動的連接點。</p><p>　　（3）2，L過壓（OV）、欠壓（UV）、降低（DCMA）的線電壓前饋，遠程開關和同

32、步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。</p><p>　?。?）3，X外部流限引腳是外部流向調節(jié)、遠程開關控制和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。</p><p>　?。?）4，S源極這個引腳是功率MOSFET的源極連接點，用于高壓功率的回路，它也是初級控制電路的公共點及參考點。</p><p>　?。?）5，F(xiàn)頻率引腳是選擇開關

33、頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開關頻率為132KHZ，連接到控制引腳則開關頻率為66KHZ。</p><p>　　1.3.3 TOP Switch-GX內部結構</p><p>　　圖1－5 TOP Switch-GX Y型封裝的內部結構</p><p>　　TOP Switch-GX Y型封裝的內部結構如圖1-5所示。P/G型封裝把開關頻率選擇端F、極限電

34、流設定端X、線路檢測端L結合為一個多功能端M，但是其內部結構原理與Y型封裝類似。</p><p>　　TOP Switch-GX的控制端是一個低阻抗節(jié)點，用于接受工作電源電流和反饋電流。與其相連的內部并聯(lián)調整器誤差放大器，能將反饋電流與工作電流分離出來，反饋電流在RE上產生壓降，經過濾波，送入PWM比較器中，實現(xiàn)脈沖寬度的調制，達到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　頻率選擇端與源極相連時，

35、開關電源工作在全頻方式下，頻率是132KHZ；當與控制極連接時，為半頻工作方式，即頻率為66KHZ。后者適用于開關頻率較低，對噪聲敏感的視頻設備中，在TOP Switch-GX進入待機模式下頁選擇半頻，以降低功耗。輕載頻率降低轉換電路是在占空比低于10%時，為了保持輕載時高效率、頻率將線性減少，直至降到占空比為0時的最小頻率30KHZ和15KHZ的全頻和半頻模式。</p><p>　　極限電流設置端主要有兩個功能

36、：外部電流限制和遠程通/斷控制。線路檢測外部通過電阻連接在直流高壓線路中，設定過壓/欠壓閥值；內部增加了開啟電壓為1V的電壓比較器，也可以用于遠程通/斷控制。如果要屏蔽這兩端的功能，可以與源極連接。</p><p>　　頻率抖動振蕩器是通過一個內部電容線性沖放電，產生鋸齒波，并送入PWM比較器。頻率抖動是指頻率在±4KHZ窄范圍內以250HZ被調制，抖動功能顯著的減少電磁干擾。與頻率抖動振蕩器連接的停止

37、邏輯電路使之工作更為可靠。滯后關斷時有精密模擬電路構成的，當MOSFET的結溫大于140℃時，過熱關斷電路就將MOSFET關斷，當結溫降到70℃時，芯片才恢復正常工作。這種溫度滯后特性有效地防止了因反復出現(xiàn)故障而使印制板過熱的危險。</p><p>　　軟啟動電路在啟動10ms內，最大占空比從0開始線性增加到典型值78%，限制電流也從85%左右線性增加到100%，另外軟啟動電壓滯后調節(jié)后重啟動也被激活。軟啟動電路

38、有效得降低了啟動時對MOSFET、鉗位電路的沖擊電壓和電流，并防止了變壓器的飽和。關斷/自動重啟動是為了把損耗降到最低，在缺乏持續(xù)調節(jié)的環(huán)境中，將電源以4%的占空比開通和關斷。</p><p>　　2 單端反激式開關電源原理</p><p>　　單端反激式開關[6]是指，變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向

39、負載提供功率輸出。</p><p>　　圖2－1（a） 單端反激式隔離開關電源示意圖</p><p>　　圖2－1(b) 次級線圈輸出電壓示意圖</p><p>　　圖2-1（a）為單端反激式開關電源原理圖。Ui是輸入電壓，T開關變壓器，K開關管，D，C為輸出整流管和輸出電容，N1和N2分別為初級與次級線圈匝數，u0為次級線圈輸出電壓，U0是輸出電容兩端電壓值，

40、R為負載電阻。</p><p>　　圖2-1（b）為次級線圈輸出電壓示意圖，UP為負半波平均值，Ton為導通時間，Toff為關斷時間。</p><p>　　如圖，當開關管K被控制脈沖激勵導通時，輸入電壓Ui便施加到高頻變壓器T的原邊繞組上。變壓器T副邊的整流二極管D是反接的，所以副邊繞組就沒有電流流過，當K 截止時，繞組L2上的電壓極性就顛倒，D正偏，K 導通期間儲存在T中的能量便通過D負

41、載釋放。電路在開關管導通期間可以儲存能量，最終在開關管截止期間，才會向負載傳遞能量。實驗采用的單端反激式開關電源是成本最低的一種。不僅可以將輸入和輸出回路隔離，還可以同時輸出幾路不同的電壓，可以更好的調整電壓率。但是由于在最終輸出的時候波紋電壓比較大，所以負載調整率較差，在硬件中加入相對固定的負載。而且考慮到開關三極管的最大方向峰值電壓，為了降低開關管的耐壓，在設計時也相應加入了鉗位電路進行保護。</p><p>

42、;　　3 單端反激式開關電路設計</p><p>　　3.1 輸入整流濾波回路</p><p>　　圖3－1 輸入整流濾波電路</p><p>　　開關電源輸入電路實驗采用的橋式整流濾波電路，由BRI和CI 組成。整流濾波電路是濾去整流輸出電壓中的波紋，將交流電能轉換成直流電能的一種電路。整流電路按電路結構可分為零式電路和橋式電路。零式電路是指帶零點或中性點的電

43、路又稱半波電路。它的所有整流元件的陰極都接到一個公共接點上，向直流負載供電，負載的另一根線接到交流電源的零點上。而橋式整流電路實際上是由兩個半波電路串聯(lián)而成的，又稱為全波電路。硬件采用的是橋式整流電路。橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路增加了兩只二極管的端口使之連接成“橋式”結構，便具有了全波整流流電路的優(yōu)點，并克服了全波整流的一些缺點。</p><p>　　如圖3-1所示，此圖為橋式整流電路的原理圖

44、。橋式整流電路工作原理如下：當E2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成E2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負的半波整洗電壓，E2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成E2、D2、Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復下去，結果在Rfz ，上便得

45、到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。</p><p>　　濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經典濾波和現(xiàn)代濾波。經典濾波的概念，是根據傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。根據高等數學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線

46、性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經典濾波器或濾波電路。</p><p><b>　　3.2 變壓器回路</b></p><p>　　圖3－2 變壓器回路電路</p><p>　　整流濾波過后，初級直流電壓經過高頻變壓器形成次

47、級高頻方波電壓。同時R3，C3，D1構成漏極鉗位電路，吸收高頻變壓器漏感產生的尖鋒電壓。將鉗位電路用于MOSFET上的最大電壓控制特定值，一旦MOSFET電壓達到閥值時，所有額外的漏感能量都會轉移到鉗位電路，或者先儲存起來慢慢耗散，或者重新送回主電路。當MOSFET關斷后，次級二極管立即保持方向偏置，勵磁電流對漏極電容充電，當初級繞組電壓達到由變壓器匝數所定義的反射輸出電壓時，次級二極管關斷，勵磁能量傳遞到次級，漏極能量繼續(xù)針對變壓器和

48、漏極電容充電，直到初級繞組電壓等于鉗位電容電壓。</p><p>　　變壓器是電工、電子技術中常用的電氣設備，它是由兩個耦合線圈繞在一個共同的心子上制成的，其中一個線圈作為輸入，接入電源后形成一個回路成為原邊，另一線圈作為輸出，接入負載后形成另一回路，成為副邊回路，如圖3-2所示。</p><p>　　應實驗要求，實驗硬件采用的是定做高頻變壓器。高頻變壓器是工作頻率超過中頻（10kHz）的

49、電源變壓器，主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器，也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器的。是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置。主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵心。在電氣設備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗、安全隔離等作用?？紤]到輸出電壓的數字，在設定變壓器時采用了更小的變壓器磁心，來降低TOPSwitch-GX的功耗，同時避免啟動和輸出瞬態(tài)情況下變壓器磁芯出現(xiàn)飽和。實物圖定做數據：原邊：78匝，原邊

50、電感850uH，采用線徑0.39mm；副邊1（12V）：9匝，采用0.39線徑兩股并繞；副邊2（反饋，12V）：8匝，采用線0.39mm。</p><p><b>　　圖3－3 變壓器</b></p><p>　　在變壓器的焊接過程中要注意變壓器回路內同名端問題。載流線圈之間通過彼此的磁場相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象稱為磁耦合。為了方便反應互感“消弱”和“增助”作用和簡化圖形

51、表示，采用同名端標記方法。對兩個有耦合的線圈各取一個端子，并用相同的符號標記，如小圓點，這一對端子稱為“同名端”。簡化來說，兩個繞組方向一致時，兩個繞組的起繞點是同名端，兩個繞組方向相反時，其中一個繞組的起繞點和另一個繞組的結束點是同名端。如圖3-3為例，1、2為同名端。 </p><p>　　圖3－4 定做變壓器時的同名端要求圖</p><p>　　圖3-4是定做變壓器時的同名端要求圖

52、。很明顯的可以得到，1、2為原邊繞組，7、8為副邊，他們的繞向相同，在同一交變磁通的作用下，兩繞組中同時產生感應電勢，在任何時刻兩繞組相同時具有相同電磁極性的兩個斷頭互為同名端。1、3互為同名端，2、4互為同名端；1、4互為異名端。</p><p>　　3.3 高頻變壓器數據計算</p><p>　　3.3.1 選擇磁芯材料與形狀</p><p>　　對于高頻變壓器

53、而言,一般選擇高磁導率、高飽和磁感強度、低剩磁感強度、高電阻率的磁心材料。磁導率高,線圈通過不大的勵磁電流就能獲得較高的磁感應強度。飽和磁感強度大,剩余磁感強度小,使得高頻變壓器工作磁感強度有較大的取值范圍,相對減小了磁心體積。電阻率高,渦流小,磁心鐵耗小。在沒有特殊要求的情況下,通常選擇鐵氧體材料就可以滿足設計需要。大部分適用于高頻變壓器磁心的材料（如TDK的PC系列），居里溫度都在200℃以上，可以滿足絕大部分工作溫度的要求[6，7

54、]。因此,選擇磁心主要考慮材料的初始磁導率,飽和、剩余磁感強度，電阻率以及預計工作溫度下的磁心損耗,之后考慮材料的機械特性、密度等磁心的形狀有EE,EI,PQ,POT等多種。為了降低漏感量,減小繞組間的分布電容,應選擇高瘦型的磁心(如EE,EI),并盡量減少繞線的層數。當然,還要綜合考慮設計產品的幾何尺寸要求和應用環(huán)境。 </p><p>　　3.3.2 利用AP法確定磁心尺寸</p><p&

55、gt;　　所謂的AP法[7]就是求出磁心窗口面積Aw和磁心有效截面積Ae的乘積AP ,根據AP值,查表找出所需磁性材料的編號。</p><p>　　根據法拉第電磁感應定律：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　U為電磁感應電壓；N為線圈匝數， 錯誤!未找到引用源。/ 錯誤!未找到引用源。為磁通隨時間的變化率。&l

56、t;/p><p>　　若磁感應強度為B，則：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　由于磁心有效截面積Ae不變，于是：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　設工作在電流連續(xù)模式,則在開關管導通和截止時,原邊繞組和副邊繞

57、組分別滿足下列關系：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中：Up ,Us分別為原、副邊繞組的直流電壓；Np , Ns 分別為原、副邊繞組匝數； 錯誤!未找到引用源。 , 錯誤!未找到引用源。 錯誤!未找到引用源。分別是開關管導通和截止時變化

58、的磁通密度； 錯誤!未找到引用源。為變壓器工作頻率；D為占空比。整理得：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　磁心窗口面積Aw可用式(3-7)表示：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式中：Kw為窗口使用系數；J為電流密度；Ip ,

59、Is分別為原、副邊繞組電流。</p><p>　　將式(3-6)與式(3-7)相乘：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　由于△Bon，△Boff在平均磁化曲線上近似相等,可以用磁心工作磁通密度△B表示,這樣：</p><p><b>　　(3-9)</b></

60、p><p>　　式中：UpIp和UsIs近似為變換器的輸入、輸出功率,則上式可改寫為：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　式中：Po為輸出功率,η為預設變換器效率。</p><p>　　根據算得的AP值,從產品手冊中選擇尺寸略大于該值磁心的型號。 </p><p>

61、　　3.3.3計算原、副邊繞組匝數</p><p>　　由式(1)可知,變壓器原邊繞組匝數Np為：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　同理,副邊繞組匝數Ns為：</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　這里Us

62、’要計及二極管導通電壓和副邊繞組壓降。 </p><p>　　3.3.4 氣隙長度的計算</p><p>　　雖然磁心材料的B- H曲線斜率隨著氣隙大小變化,但帶與不帶氣隙磁心飽和磁感應強度是相同的。當有氣隙時,B- H的特征斜率減小，曲線向橫軸靠攏?？梢詼p少剩余磁感應強度Br并增加變壓器工作范圍。當反激式變換器工作在電流連續(xù)方式下,將會產生很大的直流分量,氣隙可以有效地防止磁心飽和。 &

63、lt;/p><p>　　氣隙長度可以表示為：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　式中：是真空磁導率；Lp是原邊繞組的電感值,計算：</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　式中：Krp為原邊電流紋波與電流峰值的比值

64、；Upmin為輸入直流電壓最小值；Dmax為最大占空比。確定導線規(guī)格</p><p>　　先確定原邊繞組的紋波電流：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　則原邊電流有效值為：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>

65、　　副邊電流有效值可近似表示為：</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中： 錯誤!未找到引用源。為設計輸出電流值。</p><p>　　最后根據面積公式可分別得出計算線徑：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>

66、　　副邊可根據設計要求的電流代入式（3-18)算出電流有效值,進而求得線徑。</p><p>　　根據計算線徑,可查AWG導線規(guī)格表來選定變壓器繞組線徑。</p><p>　　3.4 輸出整流濾波電路</p><p>　　圖3－5 輸出整流濾波電路原理圖</p><p>　　從原理圖3－5上看，次級高頻方波電壓要經過次級整流管D8，濾波電容

67、C10，C11；LC濾波器L3，C12，其作用是將變壓器副邊繞組產生的脈動電流進行整流濾波，使輸出電壓平滑穩(wěn)定符合直流參數標準。同時TOPSwitch-GX采用RCD鉗位，使最大占空比更大，反射電壓更高，因此變壓器采用較高的初級匝數比，降低次級整流管D8上的峰值方向電壓。</p><p>　　3.5 偏置繞組與RC補償網絡</p><p>　　圖3－6 偏置繞組</p>&

68、lt;p>　　反饋繞組電壓經過D2和C6整流濾波之后，產生反饋電壓，經U2為控制極提供偏壓供給光耦的集電極使用。在起始光耦處在關閉狀態(tài)時，TOP244以最大的占空比開通，當輸出電壓超出輸出電壓設定值的誤差范圍時，誤差放大電路使光耦導通，偏置電壓電流流向TOP244的控制腳，是控制腳電壓上升從而減小輸出占空比，是電壓下降到設定數值。</p><p>　　圖3－7 RC補償網絡</p><

69、p>　　RC補償網絡：電容C5作為一個旁路電容接在控制腳與源極腳之間，可以濾除經控制腳加到內部MOSFET柵極的驅動充電電流尖鋒，并且確定自動再啟動頻率，C5與R5共同維持補償控制回路的性能。</p><p>　　3.6 輸出控制回路</p><p>　　圖3－8 輸出控制回路</p><p>　　電路采用簡單的齊納檢測電路來降低成本。輸出電壓是由齊納二極管

70、（VR2），光耦（U2）內部二極管和電阻R6決定的，當有非線性加載，或者元件參數發(fā)生變化時，電阻R8會為齊納二極管(VR2)提供偏值電流，產生對12V輸出電平、過壓過載、元件變化時±5%的穩(wěn)定度。</p><p><b>　　4 元器件介紹</b></p><p>　　4.1 齊納二極管簡介</p><p>　　圖4－1 齊納二極

71、管</p><p>　　在電路的輸出控制回路中，輸出電壓穩(wěn)壓由齊納二極管VR2控制，電阻R8提供進入齊納二極管的偏置電流。齊納二極管zener diodes(又叫穩(wěn)壓二極管)，此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。在臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的，由于這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。

72、穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用PN結的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設備和一些電子電路中獲得廣泛的應用。把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向導電場合的二極管。穩(wěn)壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負載兩端的電壓將

73、基本保持不變。如圖畫出了穩(wěn)壓管的伏安特性及其符號。穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。因為</p><p><b>　　4.2 光耦二極管</b></p><p>　　圖4－2 光耦二極管</p><p>　　在輸出電壓控制回路中，輸出電壓穩(wěn)壓由齊納二極管VR2、光

74、耦合器U2組成，控制電壓數值的變化。實驗采用的是LTV817A光耦二極管。光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，

75、輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數字電路上獲得廣泛的應用。光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導體二極

76、管發(fā)光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器</p><p>　　4.3 EMI濾波器</p><p>　　圖4－3 EMI濾波器</p><p>　　交流電壓輸入時，首先經過了EMI濾波器。CX1電容是組成EMI濾波器的重要部分。標準的EMI濾波器由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，主要作用是允許設備正常工作時的頻率信號進入設備，對高

77、頻信號有較大的阻礙作用。EMI濾波器采用差模電容或者共模電容。實驗中采用的是差模電容。當電容失效時，差模電容發(fā)揮作用，不會導致電壓穿現(xiàn)象，也不會危及到人生安全。C10，C11，C12等構成了整流濾波回路，為電路提供了初級直流電壓。在開關電源的工作過程當中，變壓器繞組分布電容反復充、放電，不僅降低了電源的使用效率，而且還會與分布電感構成LC振蕩器，產生振鈴噪音。對初級繞組分布電容影響較為明顯。為此CY1充當安全電容，濾除初、次級耦合電容產

78、生的共模干擾。當EMI流過電感的電流變化時，電感線圈中產生的感生電動勢將阻止電流的變化。當通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時將一部分電能轉化成磁場能存儲于電感之中；當通過電感線圈的電流減小時，自感電動勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時釋放出存儲的能量，以補償電流的減小。因此經電感濾波后，不但負載電流及電壓的脈</p><p><b>　　5 結論

79、</b></p><p>　　經過這一系列的學習操作，我接觸到了大量平時沒有接觸到的儀器設備、元器件以及相關的使用調試經驗，另外學會了怎樣正確查閱資料和利用工具書 ，同時已經掌握了用設計開關電源的基本思路和方法以及它的整個流程。熟練的掌握整個套系統(tǒng)的開發(fā)原理，熟悉了TOPSWITCH-GX功能和使用，完全掌握了Protel軟件的使用，Protel軟件主要用于原理圖的繪制和印制電路板的制作，通過這次畢業(yè)

80、設計還使我了解了從電路原理圖到印制電路板的制作的全部流程，這對我以后工作和學習是非常有用的。通過這次畢業(yè)設計使我體會到了所學理論知識與實踐相結合的重要性，知識與實踐結合的越好，設計時考慮得就能更全面，調試時就會減少故障。也熟悉了對一項課題進行研究、設計和實驗的詳細過程。這些使我在將來的工作和學習當中都會有很大的幫助。</p><p>　　由于經驗和知識面的不足，雖然本設計結果已經能夠正確顯示出來，但是還存在著不少

81、的問題。第一，雖然整個電路經過調試沒有任何問題，但是由于我的知識面的問題我選擇的元器件還不是最經濟最實用的。我想在以后知識面的不斷拓寬，我對這個系統(tǒng)的完善將會更好的；第二，在電路設計時，往往構思片面，只考慮到功能能否實現(xiàn)，沒有將設計的穩(wěn)定性考慮周全，使得設計在調試時出現(xiàn)故障。通過反復的調試和改善，本設計可順利完成系統(tǒng)功能；第三，大學的最后一個學期，我第一次完整的開發(fā)一個系統(tǒng)，學會了嘗試，敢于面對挑戰(zhàn)，更加懂得了合作對于系統(tǒng)開發(fā)成功與否的

82、重要性，這將為我將來的學習生活產生深遠影響。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 應建平，林渭勛.電力電子技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[2] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關電源實用技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001年.</p><p>　　[3

83、] 呂輝，林樺.TOPSwitch單片開關電源的原理與應用[J].第一屆中國高校電力電子與電力傳動學術年會文集，2007:4～5.</p><p>　　[4] 牛福山，馬海剛.三端離線式PWM開關TOPSwitch-Ⅱ的原理與應用[J].山東電子，2002（2）：9～11.</p><p>　　[5] 吳芳，黃聲華.第四代TOPSwitch-GX系列單片開關電源[J].華中科技大學電氣與電

84、子工程學院，2002(5):39～40.</p><p>　　[6] 李勁，陶益民.基于TOPSwitch-GX的單端反激式開關電源的設計與應用[J].福建電力職業(yè)技術學院，2009（2）：5～6.</p><p>　　[7] 邱云蘭.基于TOPSwitch-GX反激式變換器的高頻變壓器的設計[J].上海交通大學，2009:180～183.</p><p>　　[8

85、] 吳淑鐘，趙德祥.齊納二極管在瞬態(tài)干擾抑制中的應用[J].電子測試，2008:10～30.</p><p>　　[9] 張小菊.光耦器的識別及檢測[J].家庭電子，2005：70～71.</p><p>　　[10] 朱含笑，張毅城.開關電源EMI濾波器的不穩(wěn)定性的研究[J].電氣傳動，2009：23～30.</p><p>　　[11] Raoji Patel,

86、Glenn Fritz.Swtiching Power Supply Design Review[EB/OL]—60 Watt Flyback Regulator.TI Application Report,SLUPS058,1999.</p><p><b>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖</b></p><p><b>　　附錄2 實物原理圖</b>

87、</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設計作品說明書</p><p><b>　　一、作品名稱 </b></p><p>　　基于TOPSwitch的開關電源</p><p><b>　　二、作品功能</b></p><p>　　學習開關電源相關的基礎知識，學習TOPSwitch

88、的結構和原理以及利用TOPSwitch設計開關電源的基本方法；在此基礎上，設計制作基于TOPSwitch的反激開關電源，具體要求如下：</p><p>　　1、開關電源采用TOPSwitch-GX系列產品，輸入輸出隔離；</p><p>　　2、輸入電壓交流220V±10％，頻率50Hz～60Hz； </p><p>　　3、輸出兩路直流電壓，一路5V/2

89、A，另外一路12V/1A，效率大于70％； </p><p>　　4、負載調整率小于5％，電壓調整率小于2％。</p><p>　　本設計要求完成基于TOPSwitch的反激開關電源的設計與制作。</p><p><b>　　三、硬件運行環(huán)境</b></p><p>　　應在穩(wěn)定的環(huán)境運行，并且是室溫，不能超過50℃.&