20W小功率开关电源的设计毕业设计

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1、20W小功率开关电源的设计 2012年5月2920W小功率开关电源的设计 The Design of 20W Low-power Switching Power Supply摘 要 开关电源具有功耗小，效率高，稳压范围广，体积小等突出优点， 在通信设备数控装置，仪表仪器影音设备，家用电器等电子电路中得到广泛应用。 TOP系列电源为美国POWER INTEGRATION公司生产的集成开关电源，具有集成度高，性价比高，外围电路简单，性能指标佳以及能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。目前已成为国际上开发中、小功率开关电源，精密开关电源及电源模板的优选集成电路。 本论文主要有以下内容： (

2、1) 介绍开关电源的发展史、分类及发展趋势，开关电源常用的几种控制方法。为研究的论题基于反激式变换器的开关电源研究作铺垫。最后讲述了本课题的研究意义和工作内容。 (2) 介绍反激式开关电源的工作原理以及 TOP223Y 芯片。 (3) 设计了基于TOP223Y芯片的单端反激式开关电源。根据 TOP223Y 的特性给出了单端反激式开关电源的工程设计方法。对外围电路的设计进行了分析和讨论。 (4) 对给出的具体实例电路进行仿真测试研究，得出结论并加以分析。 关键词:开关电源 TOP223Y 脉宽调制 单端反激式 AbstractSwitching power supply with low con

3、sumption, high efficiency, wide voltage, small advantage in communication equipment, CNC equipment, instrument audio equipment, household appliances, etc widely applied in electronic circuits. TOP U.S. power supply for series of integrated production company need to switch power, has high integratio

4、n, cost-effective, outer circuit is simple, performance and can form no better efficiency of the isolated transformer switch power supply, etc. At present has become the international development of small power switch power supply, switching power supply, selection of template and integrated circuit

5、s.This paper has the following content: (1) Describes the development history, classification and development trend of switching power supply, switching power supply commonly used control methods. For the study of topic-based on the research of switching power supply for flyback converter bedding. F

6、inally describes the significance of the subject and content of work. (2) Introduced the working principle and TOP223Y of Flyback switching power supply chips. (3) Design based on single-end Flyback switching power supply for TOP223Y chip. According to the characteristics of TOP223Y gives single-end

7、 Flyback switching power supply design. Analysis and discussion on periphery circuit design. (4) To give specific examples of circuits simulation test study concluded and analysis.Key words: switching power supply TOP223Y pulse-width modulationsingle-end flyback 目录摘要IAbstractII绪论11 开关电源的分类及原理31.1 开关

8、电源的分类31.1.1 单端反激式开关电源31.1.2 单端正激式开关电源41.1.3 自激式开关稳压电源41.1.4 推挽式开关电源51.1.5 降压式开关电源61.1.6 升压式开关电源61.1.7 反转式开关电源71.2 开关电源的基本组成和原理71.3 PWM的基本工作方式及原理82 TOP Switch芯片介绍102.1 TOP Switch-系列的特点102.2 TOP Switch-结构组成112.3 TOP Switch-芯片的工作原理133 基于TOP223Y开关电源的设计153.1 技术指标和性能要求153.2 选择TOPSwitch芯片的型号153.3 TOP223Y的主

9、要性能特点和元件选择153.3.1 TOP223Y性能特点153.3.2 线性光耦合器PC817173.3.3 可调式精密并联稳压器TL431183.4 开关电源的电路设计193.4.1 基于TOP223Y开关电源原理图193.4.2 输入整流滤波电路193.4.3 高频变压器的设计203.4.4 钳压齐纳管（VR）和阻断二极管（VD）的选择223.4.5 输出整流电路的设计223.4.6 反馈电路的设计233.5 开关电源干扰的产生及其抑制233.5.1 开关电源干扰产生的机理233.5.2 对于开关电源干扰的一些抑制措施25结论27致谢28参考文献29绪 论随着电力电子技术的高速发展，电力

10、电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成

11、本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25kHz的开关电源。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子

12、计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁

13、缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。 开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电

14、源芯片进行小功率开关型稳压电源特性的研究。单片开关电源克服了以往开关电源设计中外围元件和辅助电路复杂等问题，有力地促进了开关电源的高效化、模块化和集成化。本文采用TOP223Y研制了一款单片开关电源，论文给出了外围电路各部分的详细设计方法，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了理论的可行性。具有较强的适用性。本文主要内容如下：根据开关型稳压电源采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等新型电源特点，设计并制作出一种额定输出功率为20W的小功率单输出开关电源。本设计的交流输入电压范围是AC85V265V，该电源能同时实现输入

15、欠压保护、过压保护等功能。主要采用TOP223Y、PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合来完成。1 开关电源的分类及原理1.1 开关电源的分类开关电源的分类方法有多种。按驱动方式来分可分为自激式和它激式。自激式开关电源由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡，它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止；按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。单端式仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管；按开关管的连接方式可分为串联型与并联型开关电源。串联型开关电源的开关管是串联在

16、输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路，而并联型开关电源的开关管是与输出负载相并联的，属于升压式电路；此外，还可分为隔离与非隔离型，调频、调幅及两者混合型等。1.1.1 单端反激式开关电源单端反激式开关电源的典型电路如图1-1所示。当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1截止时，变压器T副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。图1-1 单端反激式开关电源单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的

17、实现单路或多路输出。并且开关管的驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝数比使占空比保持在最佳范围内，具有较好的电压调整率。其输出功率为20100W，工作频率在20200kHz之间，是开关电源设计中最常用的一种拓扑方式。但是，它也有一定的缺点，如开关管截止止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大等。不过，这些可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。1.1.2 单端正激式开关电源单端正激式开关电源的典型电路如图1-2所示。它与单端反激式电路在形式上相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时, VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤

18、波电感L储存能量：当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管VD1，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200W的功率。但变压器结构复杂，体积也较大。因此，实际应用并不多。 图1-2 单端正激式开关电源 1.1.3 自激式开关稳压电源自激式开关电源的典型电路如图1-3所示。接入电源后R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极

19、为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。同时，感应电压给C1充电。随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低并退出饱和区，Ic减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态

20、，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 图1-3 自激式开关电源1.1.4 推挽式开关电源推挽式开关电源的典型电路如图1-4所示。它属于双端式变换电路，使用两个开关管VT1和VT2，在外激励方波信号的控制下交替导通与截止，在变压器T次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100500W范围内。图1-4 推挽式开关电源1.1.5 降压式开关电源降压式开关电源的典型电路如图1-5所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输入的整流电压

21、经VT1和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。图1-5 降压式开关电源1.1.6 升压式开关电源升压式开关电源的稳压电路如图1-6所示。当开关管VT1导通时，电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。图1-6 升压式开关电源1.1.7 升降压式开关电源 升降压式开关电源的典型电路如图1-7所示。

22、无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感L中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容C充电。降压式、升压式、升降压式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。 图1-7 升降压式开关电源1.2 开关电源的基本组成和原理开关电源由整流滤波电路、功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路等部分组成。其中，控制电路又包括取样器、基准电压、比较器、振荡器、脉宽调制及

23、基准电压等电路组成。开关稳压电源的电路原理框图如图1-8所示：输入整流滤波功率转换电路高频变压器输出整流滤波取样器比较器脉宽调制振荡器基准电压 DCAC图1-8 开关电源的原理框图首先，交流电经输入部分整流电路和滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电。然后，该直流电又通过功率转换电路进人高频变压器被转换成所需的电压值，最后再将这个电压经输出部分整流滤波电路的整流、滤波后变为所需要的直流电供给用电设备。这中间，电源的稳压是靠反馈控制电路（控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到电压的稳定输出）来实现的。即:输出电流经取样器送至比较器，使之与基准电压电路中的电流相比较，然后由脉

24、宽调制电路根据比较结果来进行脉宽调制，从而控制功率转换电路中相应功率输出的大小，最后实现输出电压的稳定。目前，这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源的专用集成电路。1.3 PWM的基本工作方式及原理开关电源有两种基本形式：一种是脉冲宽度调制（PWM）其特点是固定开关的频率。通过改变脉冲宽度来调节占空比（D）；另一种是脉冲频率调制PFM，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。二者的电路不同单作用效果相同，均可达到稳压之目的，都属于时间比率控制方式TRC。脉宽调制式开关电源的工作原理：交流220V输入电压经过整流滤波电路变成直流电压，在由开关功率管斩波和高频电压器降压，得到

25、高频矩形波电压，经整流滤波后获得所需要的直流输出电压，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符号，控制开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低达到稳压目的，锯齿波发生器用于提供稳定的时钟频率信号。利用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统，加入由于某种原因是Vo升高时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下降，导致Vo降低，反之亦然。脉冲频率调制式开关电源则是用固定脉宽发生电路代替PWM中的锯齿波发生器，并且利用压控振荡器来完成v/f转换。其稳压原理是：当Vo升高时，遥控制器输出驱动信号的脉冲宽度入变窄而周期变短，使得占

26、空比D下降。Vo降低，反之亦然。见图1-9：图 1-9 脉宽调制式开关电源的工作原理2 TOP Switch芯片介绍2.1 TOPSwitch系列的特点美国功率集成公司（PI公司）在1994年推出第一代TOP Switch芯片，1997年，美国功率集成公司又推出了TOP Switch系列器件。TOPSwitch-系列器件和TOP Switch系列器件相比，内电路作了许多改进，器件对于电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计更为方便，性能又有了增强，性能价格比更高。与TOP Switch系列器件相比，TOP Switch-系列器件在输入电压为100V、115V或230VAC时，系统功率

27、从（0100）W提高到（0150）W，在三种电压下均可工作时，系统的功率从（050）W提高到（090）W，从而使得TOP Switch器件可在如电视、监视器以及音频放大器等许多新的应用范围内使用。TOP Switch 主要用于AC/DC 转换器，具有体积小，重量轻，宽输入范围（85V-265V），提供了PI Expert专家系统设计软件，便于用户更快地设计出自已的产品。TOPSwitch-系列产品具有以下显著特点： (1) 将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏值电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器

28、使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离、反激式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。它不需要外接大功率的过流检测电阻，外部也不必担供启动时的偏值电流。 (2) 它属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占空比的AC/DC电源变换器，即电流控制型开关电源。 (3) 输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110V/115V/230V交流电，允许变化15%；在宽范围电压输入时，适配85265V交流电，但POM值要比前者降低40%，这是因为后者的工作条件更为苛刻，必须对输出功率加以限制。输入频率范围是47440HZ。以由TOP223Y构成

29、的开关电源模块为例，其电压调整率(又称线性调整率)SV=0.7%，负载调整率(亦称电流调整率)S1=1.1%(均为典型值)。若采用光耦反馈式并且外接由可调式精密并联稳压器TL431构成的误差放大器，则SV、S1分别可以达到0.2%。 (4) TOPSwitch-只有三个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，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、偏值及保护功能，其控制端属于多功能引出端，实现了一脚多用。它具有连续和不连续两种工作模式。反馈电路有4种基本类型，能构成各种普通型或精密型开关电源。 (5) 开关频率的典型值为100KHZ，允许范围是90110KHZ，占空比调节

30、范围是1.7%67%。 (6) 外围电路简单，成本低廉。外部仅需整流滤波器、高频变压器、漏极钳位保护电路、反馈电路和输出电路。由 TOPSwitch-构成5W以上的开关电源，在成本上可与相同功率的线性集成稳压电源相竞争。 (7) 电源效率高。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高能达到90%，因此被誉为“绿色”(节能型)电源。 (8) 若将它配以低压差线性集成稳压器，则可构成一种新型复合式开关电源，既保留了开关电源体积小、效率高之优点，又具有线性稳压电源稳定性好、纹波电压低等优良特性。此外，它还适配L4960/L4970A系列可调式单片关式集成稳压器，组成电压连续可调、大电流输出的

31、复合式开关电源。 (9) 采用这种芯片能够降低开关电源所产生的电磁干扰(EMI)。 (10) 其工作温度范围是070，芯片最高结温TJM=135。2.2 TOPSwitch-结构组成TOPSwitch 的内部框图如图2-1所示，主要包括10个部分：(1)控制电压源；(2)带隙基准电压源；(3)振荡器；(4)并联调整器误差放大器；(5)脉宽调制器；(6)门驱动级和输出级；(7)过流保护电路；(8)过热保护及上电复位电路；(9)关断自动重启动电路；(10)高压电流源。Zc为控制端的动态阻抗；RE为误差电压检测电阻；RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。TOPSwitch-的基本原理是利用反

32、馈电流Ic来调节占空比D，从而达到稳压的目的。 图2-1 TOPSwitch-芯片的工作原理图 (1) 振荡器：振荡器通过内部电容器线性地充放电，产生脉宽调制器所需的锯齿波电压。振荡器设定为100kHz固定频率，用于开关电源时，有助于提高效率和减少电磁干扰（EMI）。 (2) 脉冲宽度调制器（PWM）：流入控制极的电流在电阻RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM控制器的同相端，与振荡器输出的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号。PWM控制器的输出脉冲宽度与控制极电流Ic成反比，该信号驱动MOSFET管，实现稳压控制。 (3) 栅极驱动电路：栅极驱动电路按一定速率导通MOSFET管，同时为了

33、提高精度，栅极驱动电路还可以实现逐周电流限制。逐周电流限制电路采用MOSFET管的导通电阻作为电流取样电阻，限流比较器将MOSFET管导通时的漏源电压VDS（ON）与设定的限流保护阈值作比较，当VDS（ON）大于阈值电压时MOSFET管关闭，直到下一个周期。 (4) 误差放大器：误差放大器的同相端接5.7V精密基准电压，反相端接控制极反馈取样电压，误差放大器的增益由控制极的动态电阻Zc决定。 (5) 关闭/自动重新启动功能：为了减少TOPSwitch-芯片的功耗，当电路超过调整状态时，关断/自动重新启动功能仅以5%的占空比接通和关断电源。 (6) 保护电路及尖峰抑制电路：保护电路有欠压保护电路

34、、过流保护电路和过热保护电路。尖峰抑制电路用来防止比较器误动作。小散热片在内部与S脚连接控制漏极。2.3 TOPSwitch-芯片的工作原理 TOP Switch芯片是一个自偏置、自保护的电流占空比线性控制转换器。通常在控制极和源极之间，紧靠其管脚，并联一个外部旁路电容。电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc达到5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Uc供电

35、。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Uc保持在4.7V5.7V之间。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电-充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Uc进入受

36、控状态为止。该电源的稳压原理简述如下：高频变压器初级绕组NP的极性与次级绕组NS、反馈绕组NF的极性相反。在TOPSwitch导通时，次级整流管VD2截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传输给次级。高频变压器在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。图中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容，COUT是输出端滤波电容。交流电压经过整流滤波后得到直流高压，经初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。在功率MOSFET关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上还会产生感应电压(即反向电动势)UOR，两者叠加至内部功率开关管M

37、OSFET的漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管VDZ1和超快恢复二极管VD1组成。当MOSFET导通时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致VD1截止，因而钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉。反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压UF，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。CI是控制端C的旁路电容。输出电压Uo通过电阻R1、R2分压，与TL431中的2.5V基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变控制端电流。TOPSwitch的占空比D与IC

38、（控制电流）成反比，是通过调节D来稳定输出电压的。比如： 当某种原因使Uo减小，将导致UF减小，Ic减小，进而D增大，又使Uo增大，最终使输出电压趋于稳定，反之亦然。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比实现稳压的。3 基于TOP223Y开关电源的设计3.1 技术指标和性能要求小功率通用开关电源应具备小功率通用开关电源纹波小、电压低、效率高、体积小和重量轻等优点。同时还应实现欠压、过压、过流、过热等电路工作异常时的保护。具体技术指标为如下：交流输入电压：220V（85V265V）；电网频率：50Hz；开关电源频率：100KHz；额定输出功率：20W；负载调整率SI：-4%+4

39、%；电源效率H：高于70%；空载功率损耗：低于0.5W（230V时）；输出纹波电压：低于120mV。3.2 选择TOPSwitch芯片的型号设电源的输出总功率为，功率因数为（一般取=80%）,则输入功率为/，为了使芯片能稳定运行，另外还需要在考虑一定的设计余量（一般取10%以上）。通过TO-220（Y）封装的TOPSwitch-系列芯片的负荷能力（见表3-1），并且计算其功率值，选择相应的芯片。确认选用TOP223Y型号的芯片作为本次设计的芯片。表3-1 TO-220（Y）封装的TOPSwitch-系列芯片的负荷能力 型号 单电压输入 110230V 宽范围输入电压 85265VTOP221Y

40、12W7WTOP222Y25W15WTOP223Y50W30WTOP224Y75W45WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W3.3 TOP223Y的主要性能特点和元件选择3.3.1 TOP223Y性能特点TOP223Y是TOPSwitch-系列中一种常用的芯片，封装形式为TO-220，自带小散热片，是典型的三端集成器件，三个管脚分别为控制端 C 、源极 S 和漏极D，内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V，可设计成20W30W仪器仪表的多路隔离式内置控制电源。TOPSwitch-的管脚排列如图3-1所示。它有三种封装形式。其中，TO-220

41、封装自带小散热板，属于典型的三端器件。其外形与7800系列三端线性稳压器相同。DIP-8封装和SMD-8封装各有8个引脚，但均可简化成3个；二者的区别是DIP-8可配8脚IC插座,SMD-8则为表面贴片，不需要打孔焊接。TOPSwitch-的3个管脚分别为控制端C(Control)、源极S(Source)、漏极D(Drain)。其中，控制端的作用有4个： (1) 利用控制电流Ic的大小来调节占空比D，当Ic从6.0mA减到2.0mA时，D就由1.7增至67，比例系数(即脉宽调制增益)为 K=D/ C=(1.7-67)/ 6.0mA-2.0mA=-16.3mA-16mA； (2) 与内部并联调整

42、器误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流； (3) 该端还作为电源支路和自动重启/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； (4) 对控制回路进行补偿。 a）TO220封装 b）DIP8封装和SMD8封装图3-1 TOPSwitch-的管脚排列控制电压Uc的典型值应为5.7V，极限电压UCM=9V，控制端的最大允许电流，ICM=100mA。漏极与片内功率开关管的漏极连通，漏一源击穿电压U(BR)DS700V。源极S则接内部功率开关管的源极，还与小散热片接通(仅对TO-220封装而言)，作为初级电路的公共地。对于DIP-8和SMD-8封装，都设计了6个S端，它们在内部是

43、连通的。区别只是左边的3个S端作为信号地接旁路电容的负极，右边的3个S端则称为高压返回端(HV RTN)，即功率地。安装印刷板时应将它们焊到地线区域的不同位置上，这样即可避免大电流通过功率地线所形成的压降对控制端产生的干扰。 3.3.2 线性光耦合器PC817光耦合器（Optical Coupler，OC）亦称光电隔离器，简称光耦。普通光耦只能传输数字信号（开关信号）。不适合传输模拟信号，线性光耦是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟信号，随着输入信号的强弱变化产生相应的光信号，使光敏晶体管的导通程度不同，从而输出相应的电压或电流。光耦以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好

44、的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。光耦一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。它通常把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内，如图3-2所示，其中1是阳极，2是阴极，3是发射极，4是集电极。当输入端加电信号时，驱动发光二极管（LED）发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流，再经过进一步放大后从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。图3-2 PC817内部框图本设计采用PC817光耦合器的主要优点在于：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效

45、率高,可以起到很好的反馈作用。3.3.3 可调式精密并联稳压器TL431TL431是由美国德州仪器和摩托罗拉公司生产的2.536V可调式精密并联稳压器。其工作电流范围宽，动态电阻低，输出杂波低。最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.536V。由于TL431具有体积小、基准电压精密可调、输出电流大、价格低廉等优点，所以广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图3-3所示。其中，A为阳极，使用时需接地；K为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF是输出电压Uo的设定端，外接电阻分压器

46、；NC为空脚。TL431的电路图形符号和基本接线如图3-3所示：R3是限流电阻。其稳压原理为：当Uo上升时，取样电压UREF也随之升高，使UREFUref（内部2.5V基准电压），比较器输出高电平，使VT(内部晶体管)导通，Uo开始下降。反之，Uo下降会导致UREF下降，从而UREFUref，使比较器再次翻转，输出变成低电平，VT截止、Uo上升。这样的循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫使Uo趋于稳定，从而达到了稳定的目的，并且UREF=Uref。a)基本接线 b）电路图形符号图3-3 TL431的基本接线和电路符号 在本设计中就是利用TL431和光耦构成反馈电路，其工作原理就是当输出电压发生

47、波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流发生变化，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP223Y的控制端C端。通过改变TOP223Y的控制端电流大小，调节其输出占空比，从而实现稳压的目的。3.4 开关电源的电路设计3.4.1 基于TOP223Y开关电源原理图图 3-4 基于TOP223Y开关电源原理图3.4.2 输入整流滤波电路整流滤波电路包括输入交流EMI滤波、整流、电容稳压三部分。交流 EMI 滤波使用技术成熟的兀型滤波电路，其参数如下：去除差模干扰的电容C10、C11为20uF250V；去除共模干扰的C12

48、、C13 为10nF；L1 为 515mh，采用双线并绕。整流电路选择4个IN4007 二极管组成整流桥，滤波稳压电容C1可按照输出功率1uF1W选择。交流电压的输入范围为187V253V，即=187V, =253V。假设整流桥导通时间为T=3ms，则电容耐压值为： (3-1) 式中：系统效率，可选择80； fL交流电网频率； Po系统输出总功率。留出裕量最终取C1=47F/400V，同时为承受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压为275V的压敏电阻VsRc。3.4.3 高频变压器的设计反激变压器在开关电源中起到传递能量、隔离输入、输出等作用：开关管导通期间反激变压器通过初级储存

49、能量，关断后通过次级释放能量，所以相当于一个耦合电感，根据在每个开关周期变压器是否将能量完全释放掉反激电源又可分为连续式（CCM）与不连续式（DCM），连续式的优点是纹波电流小、电流有效值小，所以损耗较小，所以在较大功率时一般都选用连续式。但是需要的电感量较大（变压器也相应较大）。下面以20W、IC 为TOP223Y为例实际工作时电源结果与计算符合。20W反激变压器的设计方案： 输入：85265VAC；输出：5VDC；功率：20W；效率：0.74；IC：TOP223Y（0.9A1.1A）；磁芯：EI30(111mm2)；电容：100F (1) 根据交流输入电压范围，功率和电容确定直流输入电压范

50、围： 若输入电压为85V，则其幅值为851.414=120.19V，除去整流管压降后为118V；若输入电压为265V，则其幅值为2651.414=374.71V，除去整流管压降后为373V。 20/0.74=27W 将F=100,C=100，U1=118代入式3-2中解得 U2=92 U3=(U1+U2)/2=(118+92)/2=210/2=105,除去导通压降后为101V，同理能确定最大直流输入电压为360V,输入电压范围是101V360V。 (2) 根据直流输入电压范围，输出电压确定初，次级匝比： 根据上面算式得出，当VP=101V时，占空比最大，此时占空比为0.5475； 当VP=36

51、0V时，占空比为0.253。 (3) 根据占空比，直流输入电压确定初级电感量随着输入电压变大，I1及I2都变小，求最低电压时I1达到极限电流所需电感量： 根据上面算式得出I1=0.756,I2=0.24。 (I1=0.756A,1180.756/101=0.88A) 根据上式并考虑误差范围取初级电感量为1.0-1.2mh。 (4) 根据有效值电流确定初，次级线径：（漆包线取值基准） 由上式得 即初线径为34AWG,0.16/0.20mm 即次线径为26AWG,0.40/0.46mm3。 (100khz时穿透深度为0.4mm) (5) 确定气隙： = 0.43.141.11/(1110.6) =

52、 0.207 (mm) (6) 确定初，次级及偏置级匝数 =1.10.207/(0.43.14111) = 1633 得n=39.8t 即依次选择的匝数为40t，2t，5t 。 (7) 最终变压器型号参数 初级电感量：1.10.1mh 初级，偏置级：26AWG，0.40/0.46mm 次级：26AWG，0.40mm/0.46mm 三股并绕 40t，2t3，5t 气隙：0.207mm (两层绝缘胶带)3.4.4 钳压齐纳管（VR）和阻断二极管（VD）的选择 在开关电源的每个开关周期内，TOP223Y的关断将导致变压器产生尖峰电压，VR和VD构成了钳位电路，防止大电压对TOP223Y芯片的损坏，V

53、R和VD的选择由反射电压Vor定。Vor推荐值为135V,VR的钳位电压Vclo可由经验公式Vclo=1.5Vcr得出。VD的耐压值应大于最大直流输入电压值，本文VR选择反向击穿电压为200V的P6KE200，VD选择反向耐压为600V的超快恢复二极管BYV26C。3.4.5 输出整流电路的设计输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。因为肖特基二极管导通时正向压降较低，因此具有更低的正向导通损耗，此外，肖特基二极管具有反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消耗输出电压中的纹波方面有显著的性能优势，因此文中选用肖特基二极管作为整流二级管：对于输出滤波电容，ESR(等效串联阻抗)和纹波电流是两

54、个重要参数。当电容两端电压小于3.5V时，ESR只与电容体积有关，在保证控制环路带宽足够的前提下，应选择耐压值高和容值低的滤波电容，文中电容选C2=C4=25V/22F、C3=C5=20V/20F。若滤波效果不理想，可以在下一级再串联一个LC滤波环节，根据经验L取2.2H10H。3.4.6 反馈电路的设计反馈回路的形式依据输出电压精度决定，本方案使用“光藕+TL431 ” 可以把输出电压精度控制在1。电压反馈信号经分压网络(R4、R5)引入TL431的Ref端，转化为电流反馈信号，经光藕隔离后输入到TOP223Y控制端。光藕工作在线性状态，起隔离作用，如果所选光藕的CRT(电流放大率)上限超过

55、200，则易造成TOP223Y过压保护，相反若CRT下限小于40，占空比D将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此, 应选择CRT 范围接近100的光藕。本文光藕选择SIEMENS的CNY17-2，CRT为63125。反馈电路参数计算如下：确定电阻 R2 和 R3 值， +=（-） (3-19)式中：光耦二极管的正向压降，典型值为1.2V； 二极管正向电流=3ma； 为TL431阴极工作电流，取=20ma，计算可得：=400，=141；实取=400，=135。确定电阻和值， （3-20）式中：TL431参考端电压，为2.5V； 输出端电压，取15V；计算可得：=10k，=51k。3.5

56、 开关电源干扰的产生及其抑制3.5.1 开关电源干扰产生的机理开关电源的干扰一般分为两大类：一是开关电源内部元器件形成的干扰；二是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰。两者都涉及到人为因素和自然因素。 (1) 开关电源内部干扰 开关电源产生的EMI主要是由基本整流器产生的高次谐波电流干扰和功率变换电路产生的尖峰电压干扰。 基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为工频交流正弦波通过整流后不再是单一频率的电流，而变成一直流分量和一系列频率不同的谐波分量，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，使前端电流发生畸变，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一

57、方面通过电源线产生射频干扰。 功率变换电路是开关稳压电源的核心，它产带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要元器件为开关管开关管及其散热器与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，当开关管流过大的脉冲电流（大体上是矩形波）时，该波形含有许多高频成份；同时，关电源使用的器件参数如开关功率管的存储时间，输出级的大电流，开关整流二极管的反向恢复时间，会造成回路瞬间短路，产生很大短路电流，另外，开关管的负载是高频变压器或储能电感，在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的涌流，造成尖峰噪声。 开关电源中的高频变压器，用作隔离和变压，但由于漏感的原因，会产生电磁感应噪声；同时，在高频状况下变压器层间的分布

58、电容会将一次侧高次谐波噪声传递给次级，而变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成噪声。 整流二极管二次侧整流二极管用作高频整流时，由于反向恢复时间的因素，往往正向电流蓄积的电荷在加上反向电压时不能立即消除（因载流子的存在，还有电流流过）。一旦这个反向电流恢复时的斜率过大，流过线圈的电感就产生了尖峰电压，在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。 电容、电感器和导线开关电源由于工作在较高频率，会使低频元件特性发生变化，由此产生噪声。 (2) 开关电源外部干扰 开关电源外部干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。

59、干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等，电源干扰的类型见表3-1。表3-1 开关电源外部干扰序号干扰的类型典型的起因1跌落雷击重载接通电网电压低下2失电恶劣的气候变压器故障其他原因的故障3频率偏移发电机不稳定区域性电网故障4电器噪声雷达无线电信号转换器和逆变器5浪涌突然减轻负载变压器的抽头不恰当6谐波失真整流开关负载开关型电源7瞬变雷击电源线负载设备切换空载电动机的断开在表3-1中的几种干扰中，能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停