直流开关电源设计.doc

潍坊科技学院本科毕业设计（论文）题 目 直流开关电源设计 院（系） 汽车工程学院 专业 电气工程及其自动化学 号 200902510042 学生姓名 杨勇 指导教师 刘春瑞 起讫日期 2013/4/21 设计地点 潍坊科技学院 摘 要本设计是开关电源设计,首先介绍开关电源的优点,并对其当前的发展以及在发展中存在的问题进行了描述，然后在对开关电源的整体结构进行了介绍的基础上，对开关电源的主回路和控制回路进行设计：在主回路中整流电路采用单相桥式、功率转换电路采用单端正激功率转换电路、采用增加副边绕组的方法实现多路输出，其中功率转换电路（DC/DC变换器）是开关电源的核心部分，对此部分进行了重点设计；控制电路采用PWM控制，控制器采用78系列芯片、设计了过压保护电路、电压检测电路和电流检测电路，对各个部分的参数进行了计算并进行了元器件的选型。【关键词】DC/DC变换器、PWM控制、整流、滤波。AbstractThis design is a switching power supply design, firstly this paper introduces the advantages of switch power supply, and its current development, and the problems in developing are described, then the whole structure of the switch power is introduced, on the basis of main circuit and control circuit of switching power supply design: rectifier circuit in the main circuit adopts single-phase bridge type, power conversion circuit adopts single correct excitation power conversion circuit, increase vice winding method was adopted to realize multi-channel outputs, including power conversion circuit (DC/DC converter) is the core of switching power supply part, this part has carried on the key design; Control circuit adopts PWM control, the controller will be manufactured with 78 series chips, designed the overvoltage protection circuit, voltage detection circuit and the current detection circuit, the parameters of the each part of the calculation and selection of components. keyword DC/DC converter； PWM control； rectifier； filter 目录 1 绪 论1.1开关电源及其发展趋势开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），在电源中起调整稳压功能的电子器件。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间来调整输出电压的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优点，广泛应用于电脑、彩色电视、程控交换机、相机、VCD、电子游戏机和其他电子设备。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的快速发展，提高了开关电源的工作频率，使其具有高稳定性和高性能的特性，因此，开关电源将逐渐取代线性稳压电源高频器。 概括地讲，开关电源技术的发展趋势：继续向高频、高效、高密度化、低压、大电流和多元化发展。奇峰状结构、外形尺寸必然向国际标准化发展，以适应全球一体化市场的要求进而使国内电源产品进入国际市场。1.2 开关电源电路器件的发展动态（1）半导体器件的发展。功率半导体器件仍然是一个发展的电力电子技术、电力电气技术必须依赖推出新的电力电子器件。功率场效应管（MOS-FET）是单极性,多子导电的电力电子器件。因此其开关时间显著的减小，而且MOSFET的开关工作频率很容易达到1MHz,因此功率场效应管很容易受到人们的瞩目。然而要提高MOSFET的器件阻断电压就必须使器件的漂移区变得更宽，结果使器件内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以这种器件只能用于一些中小型功率的电子产品。为减小这种电子器件的通态电阻，美国IR公司采用的措施是提高单位面积内原胞的个数。如IR公司开发了一种场效应管，这种场效应管的沟槽原胞的密度已经达到世界的最高水平，即在每平方英寸的沟槽内含有1012亿个原胞，其通态电阻可达3m .从1996年开始，这种场效应管的通态电阻每年降低50%。IR公司还开发了一种低栅极电荷(QG)的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则其通态电阻的下降率为每年30%（2）新型变压器的发展3。新型变压器是电力电子产品或开关电源中必不可少的部件。平面变压器是近两年才面世的一种全新产品，与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上，其突出优点是能量密度高因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%99%；工作频率高，从50kHz到2MHz;漏感低；电感干扰小（EMI）小等。（3）超容电容器的发展。超容电容器是电容器件近年来的最新产品。美国的麦克韦尔公司一直保持一个超大容量的电容器技术处于世界的领先地位。超容电容器采用一种独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，这种电容器具有一个很大的电极表面和最小的相对距离。现在开发并生产各种广泛应用的超级电容器单元和组件，这些单元的容量小到10F，大到2700F。超级电容器的电容系列可以轻松组装成高电压组件或联组成高储能元件。超级电容器是现在提供650V高压的电容器组件。1.3 开关电源当前存在的问题当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性：采用定频调宽的控制方式来设计电源，以输出最大功率所需的续流时间为依据来预留开关截止时间，则负载所需的功率小于电源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的不连续；“反峰电压”是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开关关断时的一种表现，而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止期间处理掉，既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存在的，那就是要及时地为励磁能量提供一个“低阻抗通道”，并且为励磁能量的通过提供一段时间，但 “单调”控制方法不具备这一条件；高频变压器的磁通复位问题；传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻，效率不高，这个问题向来是电源技术，尤其是以小体积、高功率密度见长的开关电源技术发展的“瓶颈”。1.4 本文主要完成的工作本文研究的是基于 TOP227Y 芯片的开关电源设计，主要完成了以下工作：（1）介绍了开关电源的发展史及推动开关电源技术发展的主要技术。（2）分析了开关电源的基本工作原理；描述了反激式、正激式、推挽式、半桥式、全桥式开关电源的工作过程；对开关电源的电压控制模式和电流控制模式作了详细说明，并比较了两种控制模式的优缺点。（3）说明了 DC-DC 变换器各种拓扑的结构及其工作原理，并对各种拓扑的连续工作模式和不连续工作模式作了详细的稳态分析。（4）详细阐述了 TOPSwitch-II 系列开关电源芯片的特点、内部结构及其工作原理，并介绍了应用时的注意事项。（5）绘制了基于 TOP227Y 芯片的开关电源的原理图，对各单元电路的工作原理进行了详细介绍，对元器件的选择作了详细的计算分析，对反激变压器的设计和绕制分别作了详细的计算和阐述。2 开关电源概述电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代是由计算机电源完成开关电源化,从第一个完整的计算机电源到开关电源，在90年代开关电源进入了各种电子、电器设备、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源已广泛应用于开关电源,更促进了开关电源的快速发展技术。2.1开关电源电路一开关电源结构：开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源方框图2-1二开关电源的构成（一）输入电路：线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。1线性滤波电路：抑制谐波和噪声。2浪涌滤波电路：抑制来自电网的浪涌电流。3整流电路：把交流变为直流。有电容输入型、电感输入型两种，开关电源多数为前者。（二）变换电路：含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。开关功率管是变换电路的核心器件。1、开关电路驱动方式：自激式、他激式。变换电路：隔离型、非隔离型、谐振型。功率器件：最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。调制方式：PWM、PFM、混合型三种。PWM最常用。 2变压器输出  分为无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。控制电路：向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。基准电路：提供电压基准。采样电路：对输出电压的全部或部分进行采样抽取。比较放大：对采样信号和基准信号比较从而产生误差信号，误差信号用于控制电源PWM电路。V/F变换：把电压的误差信号转换为频率信号。振荡器：产生高频振荡波。基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。输出电路：整流、滤波。将输出电压通过整流变成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。2.2开关电源分类2.2.1推挽式开关电源VT1和VT2是开关晶体管，VT1和VT的激励用PWM方式输入，开关管交替通断，将输入的直流电压变换成交流电压。当VT1导通时，输入电源电压VI通过VT1加到高频变压器T1的初级绕组Nl，由于T1具有两个匝数相等主绕组N1故在VT1导通时，在截止晶体管VT2上将加有两倍的电源电压2VI。当基极激励信号消失时，一对开关晶体管均截止，其集电极施加电压均均为2VI。当下半个周期，VT2激励导通，VT1截止，基极激励信号消失，一对晶体管开关器件将都工作截止状态，VCE1和VCE2均为VI。下一个周期五重现以上过程。推挽式转换电路的输出电压，式中N为变压器的匝比，D为晶体管的占空比，其优点是：转换效率高；经济实用；变压器的利用率高；输入输出间隔离；晶体管加相同电压，控制电路直接对其激励，不需要驱动变压器。不足之处是：需要一对开关晶体管；晶体管的耐压需要是输入电压的2倍；直流分量加到变压器上，容易使磁芯饱和。2.2.2半桥式开关电源工作过程：工作时两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，当开关管 Q1 导通时、开关管 Q2 截止，电容C1 放电，电容 C2 充电整流二极管 D1 反偏截止、D2 导通，滤波电感 L1 贮存能量并向负载 RL 释放；当开关管 Q2 导通时、开关管 Q1 截止，电容 C2 放电，电容 C1 充电，整流二极管 D2 反偏截止、D1 导通，滤波电感 L1 贮存能量并向负载 RL 释放，滤波电容 C4 滤除纹波以保证向负载 RL 提供稳定的直流电压。Q1 关闭后，Q2 导通前为死区时间，这段时间内，整流二极管 D1、D2 同时导通，滤波电感 L 中的电流通过变压器和 D1、D2 续流。半桥式开关电源电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。适合大功率、高输入电压的场合。当一个晶体管导通时，截止晶体管上加的电压约为等于输入电压，晶体管由导通转为截止的过程中，漏感引起的尖峰电压被二极管钳位，因此，开关管上承受的最高电压不超过电源电压。而且，晶体管的数量只是全桥式的一半，这是其优点。但要得全桥和推挽式电路相同的输出功率，开关晶体管必须流经两倍的电流，因此，一般适宜获得中等功率输出。然而半桥式电路具有抗不平衡能力。为此，获得其广泛应用。2.2.3全桥式开关电源工作过程：工作时，Q1、Q4 和 Q2、Q3 两两轮流导通，变压器一次侧将通过电源Q1TQ4电源及电源Q3TQ2电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经输出滤波电路(L1、C1)滤波，向负载 RL 提供稳定的直流电压。由此可见，全桥式电路开关晶体管稳态时其最高加的电压即为输入电压，暂态过程的尖峰电压亦被钳位在VI，比推挽式电路低一半，晶体管可选用耐压低的元件；而且，钳位二极管将漏感储能量馈送给输入电源，有利于提高效率，并可获得大功率输出，可大于750W。缺点是：使用4只开关晶体管，需要4组彼此隔离的基极驱动电路，电路复杂，元器件多。2.2.4单端正激式开关电源工作过程：当开关管 Q1 导通时，输出整流二极管 D2 也导通，这时滤波电感L1 储存能量并向负载 RL释放能量；当开关管 Q1 截止时，滤波电感 L1 通过续流二极管 D3 继续向负载 RL 释放能量，滤波电容 C1 滤除纹波以保证向负载 RL提供稳定的直流电压。为了防止变压器饱和，对开关器件造成损坏，二极管 D1和线圈组成磁通复位电路，泄放多余磁能。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，电路中脉冲的占空比不能大于 50。2.2.5单端反激式开关电源工作过程：反激是指当开关管 Q1 导通时，反激变压器 T1 初级绕组的感应电压为上正下负，输出整流二极管 D1 反偏截止，副边线圈没有电流通过，能量储存在反激变压器 T1 初级绕组的磁场中；当开关管 Q1 截止时，反激变压器 T1 次级绕组上的电压极性颠倒，输出整流二极管 D1导通，使初级绕组磁场中存储的能量通过输出整流二极管 D1 和输出滤波电容C1 整流滤波后变成稳定的直流电压向负载 RL 供给。单端反激式开关电源电路拓扑简单，所用元器件较少，成本较低，开关器件承受的电流峰值很大，并且输出级与输入级之间有电气隔离，能方便的实现多路输出，因此得到广泛应用。鉴于上述的介绍，本设计采用单端式的结构。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。单端式又分为正激式和反激式。单端反激式开关电源电路拓扑简单，所用元器件较少，成本较低，开关器件承受的电流峰值很大，并且输出级与输入级之间有电气隔离，能方便的实现多路输出，因此得到广泛应用。而正激式电路开关管导通时通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围较大，但电路使用的变压器结构复杂，体积较大成本较高。故采用反激式结构。2.3开关电源的控制模式一、电压模式控制 电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的直流信号与恒定频率的三角上斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到实际的脉冲宽度，目的是为了增加对输入电压变化的动态响应速度。对输出电压的控制是闭环控制。因而，这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统。电压模式控制的优点：对于多路输出电源，各路之间的交互调节效应比较好；单一反馈电压闭环设计、调试比较容易。缺点；对变化的输入电压，响应较慢；补偿网络设计较为复杂,闭环增益使其结构更为复杂二、平均电流模式控制 平均电流模式控制的优点是：（1）平均电感电流可以高度精确跟踪当前编程信号; (2)不需要一个斜坡补偿;(3)调试好的电路抗噪声性能优越；（4）适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；（5）易于实现均流。缺点是：电流放大器在开关频率处的增益有最大限制；双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。三、峰值电流模式控制 峰值电流模式控制被称为电流模式控制,对边坡的变形补偿技术和抗噪声性能差,电流模式控制的性能面临电压模式控制的挑战。因为这种改善电压模式控制的性能与输入电压的前馈功能，并有完善的多重电流保护等功能。峰值电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是间接地控制PWM脉冲宽度。.缺点:闭环响应不如平均电流模式控制理想；容易发生次谐波振荡，因而需要斜坡补偿；对噪声敏感,抗噪声性差；多路输出电源的相互调节效果不好。四、滞环电流模式控制滞环电流控制是一种简单的Bang-bang控制，它集电流控制与PWM于一体。该方法将指令电流值与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的控制模式。与三角载波控制方式相比，该方法开关损耗小，动态响应快。但是，该方法使开关频率变化较大，容易引起脉冲电流和开关噪声。 五、相加模式控制  相加控制模式的优点是:动态响应快(比普通电压模式控制快35倍),动态过冲电压小,输出滤波电容需要较少.相加模式控制中的注入信号容易用于电源并联时的均流控制.缺点是:需要精心处理电流、电压取样时的高频噪声抑制。 通过上面各种控制模式的比较和对本设计的输出特点，决定采用电压控制模式。3开关电源电路的设计3.1整体电路图及工作原理该图是基于 TOP227Y 的开关电源。输入电压范围为 85-265VAC，输出电压为 12V，最大输出功率 36W。NTC 热敏电阻 Rt1 和保险丝 F1 组成输入保护电路Rt1 用来防止开机浪涌电流对整流桥、开关管等器件造成损坏；F1 用来防止电源或负载故障引起的过电流对电源造成损坏。安全电容 Cx1 和共模电感 L1 组成交流EMI抑制电路，分别用来消除交流电中的差模传导干扰和共模传导干扰。BR1 和 C1 组成输入整流滤波电路，将正弦交流电转换成高压脉动直流电。R1、C2 和 D1 组成漏极箝位保护电路，用来抑制开关管关断时漏感产生的尖峰电压，防止对开关管造成损坏。D2、C3 和 C4 组成的输出整流滤波电路将输出电压变成高频脉动直流电压，再通过 L2、C5 滤掉高频纹波电压。输出电压经 R2、R3分压后获得的采样电压与 U3(TL431)内部的 2.5V 基准电压源进行比较后输出误差电压，通过光耦 U2(PC817A)形成反馈电流流入 TOP227Y 直接控制占空比，从而获得稳定的输出电压。C6 用来滤除控制端的尖峰电压并决定自动重启动频率，和 R4 一起为反馈控制回路进行环路补偿。安全电容 C9 用来滤除初次级之间耦合电容产生的共模失真。3.2系统电路及参数设计3.2.1开关电源基本参数交流输入电压最小值：交流输入电压最大值：电网频率：开关频率：输出电压：,输出功率：偏置输出电压：损耗分配系数：电源效率：功率因数：3.2.2 EMI滤波电路设计开关电源工作时，其电磁干扰可分为两大类：一类是由电源输入线引入的外界干扰；一类是开关电源通过耦合通道对电网、开关电源本身和其它设备产生干扰。在开关电源中通常以共模和差模干扰来讨论电磁干扰。为了抑制基于 TOP227Y 的开关电源中的电磁干扰，在交流输入侧加入由共模电感 L1 和安全电容 Cx1 组成的 EMI 滤波器电路。由图 (b)可知，当差模电流通过共模电感时，两个绕组中产生的磁场是相互抵消的，理论上共模电感对差模电流无阻碍，差模电流可以顺利通过；由图 (a)可知，当共模电流通过共模电感时，两个绕组中产生的磁场是相互叠加的，此时有很大的共模电感，对共模电流有很大的阻碍作用，因此阻止了共模信号的传输，达到滤除共模干扰的目的。共模电感量与流过额定电流的关系如下图：额定电流(A)136101215电感范围(Mh)833240.40.80.20.30.1-0.150.07-0.08由表知取Cx1 对差模干扰有抑制作用，取值范围一般为,因此取。3.2.3反激式变压器设计一、反激式变压器的设计反激变压器在开关管导通期间，次级二极管反偏截止，反激变压器初级作为电感运行，将能量储存在变压器磁芯的磁场中；在开关管关断时，次级感应电动势极性反转迫使二极管导通，反激变压器作为变压器运行，将存储在磁芯磁场中的能量传递到输出电容和负载。反激变压器既能储存能量，又能传递能量，并且使初次级之间形成电气隔离，因此反激变压器在开关电源中起着非常重要的作用。（1）变压器的原理图（2）初级侧参数的计算1）确定最大占空比 在直流输入电压最小时，占空比最大，为式中,VOR为初级感应电压，VDS为开关管漏源导通电压。对于宽范围交流输入，VOR=130V,有数据手册查到VDS=10V。代入数据得，DMAX=0.63。 2）确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP之比KRPKRP是表征开关电源工作模式的重要参数。 (0<KRP<1)当开关电源工作在不连续模式时，即KRP=1。初级侧电流在开关管导通期间从 0 开始上升到峰值IP ，并在开关管关断瞬间迅速下降到 0，存储在反激变压器中的能量在每个周期都要完全释放掉。当开关电源工作在连续模式时，即KRP<1。初级侧电流在开关管导通期间从一定幅值开始上升到峰值IP，并在开关管关断瞬间迅速下降到 0，存储在反激变压器中的能量在每个周期不能完全释放掉。KRP较小时，初级电感量会较大，但初级峰值电流IP和初级有效值电流IRMS较小，此时可选用较小功率的 MOSFET，但要选用较大尺寸的反激变压器；KRP较大时，初级电流连续度较差，此时须采用较大功率的 MOSFET，但可选择较小尺寸的反激变压器。在连续工作模式时，初级电路中的交流成分要比不连续工作模式少，可减小MOSFET 和反激变压器的损耗，提高开关电源效率。对于工作在连续工作模式的宽范围交流输入开关电源，一般取。3）初级波形参数计算初级波形的参数主要包括输入电流平均值IAVG、初级峰值电流IP、初级纹波电流IR和初级有效值电流IRMS输入电流平均值初级峰值电流0.73A初级纹波电流=0.3A初级有效值电流O.62A4) 验算IP以确定KRP是否合适为保证开关电源安全工作，防止初级峰值电流IP超过 TOP227Y 的极限电流最小值ILIMIT而对其造成损坏，必须验证IP。考虑到高温时 TOP227Y 的极限电流最小值会减小，使器件有更高的可靠工作范围，有有数据手册查到ILMIT的最小值为2.70A,带入上式得因此KRP合适，可以进行下一步计算。（3）反激变压器的计算反激变压器的计算过程是一个根据设计公式反复迭代计算的过程。首先要确定磁芯类型、次级绕组匝数等基本参数，然后代入公式计算，通过计算结果验证最大磁通密度、磁芯气隙宽度、初级导线的电流密度 J 等是否符合要求，若不符合要求则改变设定参数重新计算，若都符合要求就确定了变压器的各项参数，完成计算。1）计算反激变压器的初级电感量LP反激变压器的初级电感量LP表示方程为带入数据得1760.32）根据功率选择磁芯反激变压器磁芯的最大承受功率与磁芯截面积Ae之间的关系为由于本开关电源的输出功率为,综合磁芯尺寸、磁芯参数和承受功率等因素，选择 EE30 型号磁芯。其实物图如图3-1所示，尺寸如图3-2、表3-3所示，铁芯残数如表3-4所示。图3-1EE铁芯实物图图3-2铁芯尺寸图EE30磁芯尺寸和参数如下表表3-3类型标注（mm）ABCDEFHEE3030.013.1510.710.719.78.155.0表3-4类型铁芯面积Ae(cm2)无气隙有效电感AL(Nh/n2)适用骨架EE301.0904690±25%BE30-1112CPFR由表 5.4 可知，EE30 的磁芯截面积Ae=1.090cm2,可得PMAX=52.8W>(PO=26.6W)因此，选用EE30铁芯符合要求。3）计算次级绕组匝数Ns对于次级绕组匝数Ns，有Ns=式中，KN是次级绕组每伏匝数，单位为n/V。VD为输出整流二极管的正向压降。对于宽范围输入的交流电源由于输出侧采用较大功率的肖特基二极管用作输出整流二极管，因此取。4）计算初级绕组匝数NP对于次级绕组匝数NP,有5) 计算偏置绕组匝数NB对于次级绕组匝数NB,有式中，VDB为偏置整流二极管正向压降。由于采用小功率肖特基二极管作为偏置整流二极管，因此取。6）计算初级绕组漆包线线径OD及裸线线径DIA对于初级绕组漆包线线径OD，有为有效骨架宽度，为式中 L为初级绕组层数，为减小漏感，取L=2;BW为骨架宽度，由选型手册知，BE30-1112CPFR 型骨架的宽度BW=13.7mm;M 为安全边距，取M=2mm。对于初级绕组漆包线裸线线径DIA，有INS为漆包线漆膜厚度，为7）验证初级导线电流密度 J 、最大磁通密度BM及磁芯气隙宽度对于初级导线电流密度 J ，有当时，说明参数合适。若，选用更粗的漆包线并匹配更大尺寸的磁芯和骨架；若，则选用更细的漆包线并匹配更小尺寸的磁芯和骨架或适当增加初级绕组匝数。对于最大磁通密度BM，有当时，说明参数合适。若，必须增加磁芯的横截面积Ae或增加初级绕组匝数NP若，则必须减小磁芯的横截面积Ae或减小初级绕组匝数NP。对于磁芯气隙宽度Lg,有当Lg>0.051mm，最好在0.2mm0.4mm之间时，说明参数合适。若Lg<0.051mm,须选用更大尺寸的磁芯或增加初级绕组匝数NP。制作时，应逐渐增大气隙，并测量初级电感和漏感，使漏感小于3%Lp,达到标准后定型变压器。8）计算留有气隙时磁芯的等效电感ALG留有气隙时磁芯的等效电感ALG为由反激变压器参数的迭代计算结果可知，当时，反激变压器初级侧参数符合要求。此时，初级绕组匝数,偏置绕组匝数,磁芯气隙。由,查漆包线规格可知，初级绕组可选用27#（AWG）漆包线。3.2.3输入整流滤波及保护电路设计一、输入整流滤波电路的设计整流滤波后直流输入电压波形图正弦交流电压经输入整流滤波电路后转变为脉动直流电压。对于宽范围交流输入(85265VAC)的开关电源:直流输入电压最小值直流输入电压最大值（1）输入整流桥的选择计算输入整流桥选择有两个原则：1）整流桥的反向击穿电压代入数据得2)整流桥的额定电流有效值交流输入电流有效值代入数据得因此本开关电源选择反击穿电压,额定电流有效值的KBP306型整流桥。（2）输入滤波电容的选择对于输入直流电压最小值VMIN，有式中，为整流桥的响应时间，一般取3ms可得取,代入数据得又有输入滤波电容的耐压值要大于直流电压最大值,因此选择100F/400V的输入滤波电容，即C1。二、输入保护电路的设计输入保护电路由保险丝 F1 和 NTC 热敏电阻 Rt1 组成。F1 用于在开关电源或负载发生故障产生过电流时，通过熔断来切断交流电压输入，使开关电源停止工作，防止造成更大损害。NTC 热敏电阻 Rt1 的阻值随温度的升高而降低，因此在常温下用来抑制开关电源开机瞬间由于电容充电产生的浪涌电流，而在完成抑制浪涌电流作用以后，由于通过 Rt1 电流的持续作用，Rt1 温度升高、阻值将下降到非常小的程度，因此不会对正常的工作电流造成影响，消耗的功率可以忽略不计。（1）保险丝选择计算保险丝的额定电流即因此F1选择3A/250VC的保险丝。（2）热敏电阻的选择计算热敏电阻的选择有以下几个原则：1）热敏电阻的最大工作电流2)热敏电阻的标称电阻值式中IM为浪涌电流。对于开关电源IM=100IACRMS代入数据得3）滤波电容的大小决定 NTC 热敏电阻的尺寸。对于某个尺寸的 NTC 热敏电阻来说，允许接入的滤波电容的大小是有严格要求的，这个值也与最大额定电压有关。通过对常见热敏电阻的比较和分析，在满足要求且保证损耗功率最小情况下，选择型号 5D-11的 NTC 热敏电阻，即 Rt1 为 5D-11 型热敏电阻。3.2.4输出整流滤波电路设计输出整流电路将次级绕组的高频方波电压转变成脉动的直流电压，再通过输出滤波电路滤除高频纹波，使输出端获得稳定的直流电压。（1）次级输出整流滤波电路计算1）次级整流电路计算由于开关管关断时感应电动势的影响，次级整流管上的反向电压而次级整流二极管上的最高反向峰值电压为代入数据得整流二极管的额定电流通过对二极管的比较和分析以及设计的要求，肖特基二极管 MBR1060CT 满足要求，因此输出整流二极管 D2 选择 MBR1060CT 型二极管。2）次级滤波电路的计算在连续工作模式下，次级纹波电流为在选择次级滤波电容时，其标称纹波电流要大于,查电容选型表可知应使用2000的电解电容，为了降低电解电容的等效串联电阻，减小输出电压的纹波，因此采用两个1000的电解电容并联的方式，且。为了进一步减小输出电压的纹波，获得更高的电能质量，在输出端增加一级 LC 滤波器。为了减小上的压降，要选用直流电阻小的电感或增大线径。由于一般 LC 滤波电感的取值范围为2-4，因此取中间值。LC滤波电容取。（2）偏置输出整流滤波电路计算同次级整流管，偏置整流管上的反向电压而次级整流二极管上的最高反向峰值电压为代入数据得由于偏置输出电流很小，小于 100mA，因此选择正向压降低、的IN4148 肖特基二极管即可满足要求，即 D3 为 IN4148。偏置滤波电容采用典型值。3.2.5反馈电路设计反馈电路采用 TL431+PC817A 的方案，稳压精度高、所用元器件少、电路简单稳定，这也是大多数开关电源广泛采用的方案。一、 TL431和PC817A的参数表TL431的参数表如下：名称参考端输入电压Vref(v)参考端输入电流最大值Irefmax(阴极-阳极电压范围(V)阴极电流范围(mA)TL4312.54.03351.0100PC817A的表如下：名称电流传输比CTR(%)输入电流范围(mA)输入正向压降(mA)PC817A801600501.2由TL431的主要参数可知，参考端输入电压，参考端输入电流最大值。一般取TL431的参考输入端电流,且为了避免参考输入端电流将影响分压比和避免噪音信号的影响，一般取流过电阻 R3 的电流为参考输入端电流的 100 倍以上，因此，R3 的取值为代入数据得考虑功耗最小，因此应在小于 12.5 的条件下尽量取最大值，即对R2的取值有当时，取当时，取当时，取控制脚电流与占空比的关系如下图：由图可知，当控制脚电流IC从2.0mA上升到6.0mA时，占空比由DMAX下降到DMIN, 因此控制脚的电流有效控制范围为,即PC817A输出电流有效范围是。在最糟糕的情况下，由表可知，PC817A的最小电流传输比可知 PC817A 输入端的最大电流为要使 TL431 正常工作，有代入数据得取3.2.6钳位保护电路设计在开关管关断时，由于漏感影响，开关管的漏极会产生很高的反射电压，若不加抑制，将导致开关管击穿损坏，因此必须设置漏极箝位保护电路。在开关电源原理图中，漏极箝位保护电路由 R1、C2、D1 组成它们在开关管关断时为漏感能量提供泄放回路，抑制开关管漏极尖峰电压，保护开关管正常工作。对于箝位二极管的选择，必须满足两个条件：（1）由于开关电源的开关频率较高，要使保护电路正常工作，二极管的反向恢复时间短必须很短。（2）箝位二极管的最高反向峰值电压 FR106的主要参数如下表：类型最大反向电压VR(V)最大反向恢复时间Trr(ns)正向压降VFM(V)FR1068005001.3由上表可知，FR106 符合要求，因此 D1 选 FR106。对于箝位电容的选择，有即 根据经验，选择 C2 为 2.2nF/630V 的 CBB 电容对于箝位电阻，取经验值，。4 开关电源芯片的介绍4.1主控芯片的介绍一、TOPSwitch-II 系列产品的封装如上图所示，产品的主要特点有：1) 将脉宽调制器、功率 MOSFET、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路集成到三端芯片中，真正实现了反激式开关电源的单片集成化，简化了开关电源设计。2）只有3个端子即控制端、源级、漏极。其中，控制端有多种功能，能实现不同的控制、偏置和保护功能。有两种工作模式：连续工作模式和不连续工作模式。有4种反馈电路，可组成各种不同类型的开关电源。3）输入交流电压和频率的范围很宽。4）常见的开关频率为100kHz，占空比调节范围为1.7%67%。5）辅助电路简单，包括整流滤波器、变压器、漏极保护电路、反馈电路和输出电路。6)芯片功耗低，电源效率高。最高可达90%。7）能降低开关电源的电磁干扰。8）工作温度范围是070，芯片最高结温Tom=135。二、引脚功能描述漏极引脚：MOSFET 漏极引脚的输出，自动工作状态下通过内部的开关式高压电流源提供内部偏置电流，内设电流检测。源极引脚：与高压功率回路连接的 MOSFET 源极引脚的输出，初级电路的公共点和参考点。控制引脚：用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入脚，与内部并联稳压器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流，也用作电源旁