毕业设计（论文）三相四线制智能电表专用电源的设计.doc

《毕业设计（论文）三相四线制智能电表专用电源的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）三相四线制智能电表专用电源的设计.doc（41页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 毕业设计（论文）三相四线制智能电表专用电源的设计专业（系） 电气自动化 班 级 铁自 092 学生姓名 指导老师 完成日期 2011-11-5 2012届毕业设计任务书一、课题名称：三相四线制数字智能电表专用电源的设计与实现二、指导老师：刘红兵三、设计内容与要求1、课题概述随着脉宽调制技术的发展与完善,开关稳压电源以其极高的性价比在空间技术、计算机、通信、家电等领域得到了广泛的应用。美国POWER INTEGRATION公司的第二代开关电源芯片TOPSwitch系列芯片,与第一代产品相比,不仅性能上进一步改进,而且输出功率明显提高。其外围元件少、开发周期短、成本低、系统可靠性高,是目前设计2

2、50W以下的高效率、多功能单端反激式开关电源的最佳选择。数字电表是开关电源广泛应用的场合之一。随着社会用电量迅速增长和用户对电能质量要求的不断提高,三相智能电表的需求量也迅速增长。采用电子计量原理的三相智能电表具有高精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。现有的电表专用模块中普遍存在输出路数较少、隔离性较差等缺陷。本课题就是利用TOPSwitch系列芯片来设计三相四线制数字电表专用电源，设计好的专用电源能更适合应用于单相(220V)、三相(380V)数字智能电表中,也可作为电能质量监测装置的电源模块。2、 设计内容与要求1) 设计内容三相四线制电表专用电源模块的电路设计方案是：根据六路输出的

3、电流及电压估算总功率约为10W，采用推荐功率为40W TOPSwitch系列中的TOP224芯片。采用功率容量较大的TOP224不仅可以提高电源的效率和电源模块的过载能力,更有利于提高电源模块的可靠性。其次TOPSwitchII芯片集成度高,设计工作主要针对外围电路进行。外围电路可以分为：输入整流滤波电路、箝位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈电路、软启动电路及电磁兼容设计等七部分组成。2)设计要求： 为了减少外围接口,智能电表大多以测量电压作为电表电源的进线电压,这就要求智能电表具有足够宽的电压输入范围(110V25V220V45V),在智能电表的所有功能模块中,从MCU处理器、A

4、/D采样芯片,到不同偏压的数字电路、周边设备以及输入/输出电路,都各有特定的电源电压要求。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

5、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85V265V(AC)或80V375V(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

6、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（200400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

7、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

8、、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。 摘要本文介绍了一款基于美国POWER INTEGRATION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

9、计流程。设计输入电压范围（220V2538025V）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。AbstractThis article describes a U.S. POWER INTEGRATION based companys second-largest switching power supply chip, its power is 40W using TOP224Y TOP224Y chip of the production of three-phase four-wire smart meters and

10、explain their design process works. Design input voltage range (220V 25-380 25V) provides six output voltages, the power, small size, light weight, fewer external components and low cost with high reliability and electromagnetic compatibility can be used for single-phase three-phase smart meters in.

11、关键词：开关电源 PWM控制 TOPSwitch- 智能电表Switching Power Supply PWM control TOPSwitch- Smart meters目录2012届毕业设计任务书2摘要5第1章 引言61.1开关电源的发展背景61.2论文设计目标和意义81.3论文章节安排8第2章 方案论证与设计82.1方案的论证82.2 方案工作元件的选择112.2.1开关器件：(TOP224Y)：112.2.2其它元件的选用：132.3方案的总体设计142.4高频变压器的设计16第3章 硬件电路设计与原理分析203.1 开关电源的原理与应用203.2 原理图213.1.1整流滤波电路

12、223.1.2箝位保护电路：233.1.3反馈电路243.1.4 输出整流滤波电路的确定243.1.5 软启动电路253.1.6 电磁兼容性设计：263.3 PCB图28第4章 电路的调试294.1 输入参数：294.2输出参数：294.3 效率：294.4电压调整率和负载调整率30第五章 智能电表的基本工作过程315.1 智能电表的工作原理和特点315.2智能电表带给用户的好处32总 结34参考文献35致 谢36附件37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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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，相关的单片机程序流程图，致

19、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100 W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TOPSwitch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4TOPSwitch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TOPSwitch控制极的输入;(b)在(a)的基础上增加了稳压管,是

20、(a)的增强型;(c)中输出电压通过光耦作用于TOPSwitch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1 4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）a10%5b52.5c51d10.2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

21、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。TOPSwitch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

22、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。方案的确定：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2.2.1开关器件：(TOP224Y)：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

23、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。技术参数参数名称 极限值 单位 DRAIN端电压 -0.3700 V DRAIN端电流增加量（ID）0.1XILIMITmax CONTROL端电压 -0.39 V CONTROL端电流 100 mA 储存温度 -65150 焊接温度 260 工作结点温度 -40150 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

24、、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：该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；该端电流IC能调节占空比；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

25、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220V15%交流电，若配85265V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47440Hz。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070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

26、。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-系列芯片的管脚功能与应用：TOPSwitch-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

27、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。2.2.2其它元件的选用：符号名称作用LM2930稳压芯片输出稳压LM 2940稳压芯片输出稳压LM 2990稳压芯片输出稳压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，虑滤波 高 频 变 压 器键盘5V/0.2AMCU5V/0.2A主路5V/1A正负15VA/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

28、DE7753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、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=0.20.3T，磁芯气隙宽度0.05mm初级绕组电流密度

29、J=(410)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=0.58cm磁路有效长度L=57mm 磁芯不留间隙时的等效电感AL=1800nH/T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（50.4）6匝

30、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24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12的电压对应的绕组4）验证最大磁通密度BM 及气隙宽度 B=,S 5) 确定导线截面积:初级导线外径用以下公式确定D计算电流密度 J= 验证J是否满足(410)A/mm如果J10A/mm，则选择较粗的导线或多股绕制；否则可选择较细的导线。实际当中结合POWER INTEGRATION的单片开关电源设计综合上述的计算结果来确定变压器的参数。其设计结果如下：初级绕组用0.

31、21mm漆包线绕两层50+50匝，次级主回路绕组用0.20mm漆包线绕4层4匝，两路5V各用0.14mm漆包线绕4层5匝， 15用0.14mm漆包线绕2层14匝,24V输出用0.25mm漆包线绕1层18匝,反馈绕组用0.14mm漆包线绕9匝,初级电感量957H。变压器的结构对变压器性能的影响变压器的最主要作用是隔离，电器隔离性能应符合电气安全规则的要求。为了满足电器安全规则的要求，通常要在变压器的初次级之间留有不低于3mm的绝缘边距（爬电距离），如图2-3空隙的方法。边沿空隙方法（Margin Wound）是在骨架边沿留有不绕线的余留，以提供所需的绝缘边距要求。 怎样才能取消令人深恶痛绝的变压

32、器中的边沿空隙和初次级间的绝缘？问题的关键就是改进漆包线的质量，单层绝缘的漆包线的最主要的缺陷是针孔（当然也不可否认绝缘电压可能还不够），那么在制造漆包线时可以在漆包线上多涂几次绝缘漆，这样不仅提高了绝缘电压，最主要的是彻底的消除了漆包线的漆皮上的针孔，这就是三重绝缘的漆包线。 三重绝缘漆包线绕制法（Triple Insulated）-次级绕组的导线采用三重绝缘漆包线以便任意两层结合都满足电气强度要求。实际上用三重绝缘漆包线绕制变压器时，初次级之间可以不附加任何绝缘物（如绝缘胶带）同样可以保证绝缘强度。这样，变压器的绕线窗口将得到有效的利用，同时变压器的漏感也可以减小到最小。变压器磁芯的确定

33、可以选择最常见而又最便宜的EI40，这个磁芯可能会大一些，但是作为竞赛，这种选择也是可以的。由于开关频率选择50kHz，一般的功率铁氧体磁芯都可以满足要求，磁感应强度可以选择1500GS，即0.15mT。变压器初次级绕组导线的选择与绕法 初级绕组电流有效值。在最低输入电压下（9V）输出100W的功率（为分析方便，考虑效率为100%）每个初级绕组要流过的有效值电流约为：7.5A（100/9的1/2）。按每平方毫米流过3A有效值电流的电流密度，除级绕组需要2的导线很难绕在框架中。解决的方法有两种，其一初级绕组选择铜箔，可以选择0.05厚的铜箔三层并绕，两个初级绕组相间，即三层铜箔加一层绝缘胶带再加

34、三层铜箔的绕法。由于电路为推挽式变换器，仅初级两个绕组之间的漏感做到最小就可以了。因此可以选择初级在内，次级在外的简单绕法。表1 各种磁芯特性比较表磁芯类型非晶合金薄硅钢片坡莫合金铁氧体铁损低高中低磁导率高低高中饱和磁密高高中低温度影响中小小中加工难易易易第3章 硬件电路设计与原理分析3.1 开关电源的原理与应用基本构成：Ui U0DC/DC变换器驱动器PWM比较放大R1R2工作原理：（单端反激式）单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处

35、于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出。单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20100，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20200kHz之间。3.2 原理图3.1.1整流滤波电路整流滤波电路包括三相整流、EMI 滤波和直流滤波三部分。 三相滤波采用三相半波整流， 快恢复整流管选用耐压值600 的MUR160（是超快恢复

36、二极管，1A,600V trr:50ns）.EMI采用直流EMI滤波器。 直流滤波电容由次级输出的总功率决定，设计为600uF， 若取整流二极管导通时间典型值t=3ms由下式可得输入电容设计耐压值：V =上式中，为开关电源的效率， 典型值为80%。f为电网频率， 实际电容耐压值为400V。3.1.2箝位保护电路：箝位齐纳管VDZ 和阻塞二极管的选择每个开关周期，当TOPSwish关断，次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级上， 感应电压UoR与UI相叠加后, 加到TOPSwish内部功率开关管的漏极上, 与此同时, 高频变压器的漏感也释放能量,并在漏极上产生尖峰电压UL上述的不利情况极易

37、损坏芯片。 因此选择瞬态电压抑制器（TVS） 来吸收尖峰电压的瞬间能量， 使（U）小于功率开关管MOSFET的D-S击穿电压UDS的值700V。对于TOPSwish- 系列和230V 输入UOR的典型值为130V， 一般取TVS的箝位电压U= 1.5U=202.5V故本电路选择TVSP6KE200阻塞管为UF4005.3.1.3反馈电路精密光耦反馈电路由PC817A和TL431组成, 输出电压经过R4、R5取样后与TL431内部基准电压2.5进行比较,产生误差电压,再通过PC817A 去改变TOP224Y的输出占空比.用TL431来构成外部误差放大器可以改善调节性能，提高输出电压的稳定性。TL

38、431的偏置电流仅为1mA这有助于降低空载损耗反馈回路的形式依据输出电压精度而决定，本方案使用的“光耦”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，经过光耦隔离后输入TOPSwish的控制端。光耦工作在线性状态，起隔离作用。如果所选光耦的CRT（电流放大率）上限超过200%，容易造成TOP224Y的过压保护。相反，若CTR的下限小于E01，占空比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%的光耦。3.1.4 输出整流滤波电路的确定整流管必须选择恢复速度高的肖特基整流管, 具体的选择是依

39、据各路的输出电压水平和输出电流容量,整流管的额定工作电流至少为该支路最大输出电流的三倍以上, 管子的反向耐压也需要在最低耐压值的基础上留够裕量。具体方案如下表所示。输出支路（V）整流管设计最低耐压值（V）实际反相耐压（V）最大输出电流（A）主路 5MBR74520457.5辅两路5IN58222040315， 24IN5402582003反馈回路IN414847750.2主路采用型滤波电路,电容取 220F/35V,电感为5.6H，两个辅路 5V,15V支路采用LM29系列低压差三端稳压器,就可以有效地减小主路负载变化时对辅路的影响。24V支路采用型滤波电路并串连磁珠防止外界的高频干扰。3.1

40、.5 软启动电路在各种过去和现在常用的电源中，开关电源是很普及的，一般可以满足任何设计要求。这种电源很经济，但在设计中也存在一些问题。这就是很多开关电源(特别是大功率开关电源)，都存在一个固有的缺点：在加电瞬间要汲取一个较大的电流。这个浪涌电流可能达到电源静态工作电流的10倍100倍。由此，至少有可能产生两个方面的问题。第一，如果直流电源不能供给足够的启动电流，开关电源可能进入一种锁定状态而无法启动；第二，这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低，足以引起使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电。传统的输入浪涌电流限制方法是串联负温度系数热敏限流电阻器(NTC)，然而这种简单的方法具有很多缺点：如

41、NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大、限流效果在短暂的输入主电网中断(约几百毫秒数量级)时只能部分地达到、NTC电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率。其实上面提出的这两个问题可以通过一个“软启动电路”来解决，下面详细介绍之。 开关电源浪涌电流产生的原因： 在论述“软启动电路”以前，我们首先讨论浪涌电流是如何产生的。现代的驱动系统、逆变器和开关电源等一般通过脉冲调制技术(PWM)来转换电能，其中的核心部件是直流直流转换器。如图1所示的开关电源中，输入电压首先经过干扰滤波，再通过桥式整流器变成直流，然后通过一个很大的电解电容器进行波形平滑，之后才能进入真正的直流直流转换器。输入浪涌电流就是

42、在对这个电解电容器进行初始充电时产生的，它的大小取决于起动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容器所形成回路的总电阻。如果恰好在交流输入电压的峰值点起动时，就会出现峰值输入浪涌电流。另外，变压器电源起动时也会出现输入浪涌电流。然而，这种输入浪涌电流的出现原因有所不同。当变压器电源在正弦输入电压的过零点起动时，变压器磁芯的磁化在前几个周期中被迫进入一种不平衡状态。结果，磁芯在每个半周饱和。此时的励磁电流只能由微弱的漏电感寄生电阻来限制，导致出现很大的输入浪涌电流。变压器电源通常带有特殊的输入浪涌电流限制器来保证其在正弦输入电压的峰值起动，以防止出现很高的输入浪涌电流。而如果在开关电源中也

43、使用这种输入浪涌电流限制器，则如前文所述，后果恰恰相反，不但起不到限流作用，反而会导致出现峰值输入浪涌电流。故我们今天只讨论开关电源浪涌电流的产生和消除，变压器电源不在论述范围。本电路软启动的设置：由于电源为多路输出，变压器所接电容较多，启动时充电电流较大，因此必须设计软启动环节限制开启电源时的占空比，使输出电压平稳地升高。为此在TL431正负极两端并联一只47F的电解电容C5作为软启动电容，可以获得大于2ms的软启动时间，对TOP224起到了保护作用.断电时C5通过R6进行放电。3.1.6 电磁兼容性设计：电磁干扰(Electromagnetic Interference)，有传导干扰和辐射

44、干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源 通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰 源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。 自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员 会在1990年和欧盟在1992 提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC (Electromagnetic Compatibility)电磁兼容设计包括电磁干扰抑制和防护两大方面。1、电磁兼容设计的基本方法基本电磁兼容设计的方法一般有三种：问题解决法、规范法和系统法。问题解决法是过去应用较多的方法。它就是在发现产品在检测中出现问题后进行改进。这种方法虽然具有针对性，但很可能导致成本上升，并影响产品及早上市。规范法即在产品开发阶段