反激式开关电源毕业论文

撰写人：_日 期：_摘 要随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。反激式开关电源以其设计简单，体积小巧等优势，广泛应用于小功率场合。开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。 传统的反激式开关电源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率开关管(频率较高时一般使用MOSFET)组成，PWM芯片控制环路设计复杂，容易造成系统工作不稳定，功率开关管有时需要外加驱动电路。高效率与小型化在一定程度上是互相限制的，因为实现高效率会要求电路有相当的复杂度，大量的器件对小型化十分不利。在开关电源设计初期，采用的都是分立元件，集成度很低，大部分电路只能在PCB版上实现，极大的限制了小型化实现的可能。而且大量器件暴露在外，也影响了系统的稳定性。采用近年来，为了实现更高的效率和更小的体积，开关电源的工作频率有了很大的提高。高工作频率能够减小外围电感和电容的大小，从而减少系统的体积。另外，反激变压器的设计也是一个难点，其往往导致电源设计周期延长。随着PI公司生产的以TOPSwitch为代表的新一代单片开关电源的问世，以上诸多问题都得到了很好的解决。应用TOPSwitch-HX设计开关电源，不仅器件更少，结构更简单，发热量更少，工作更可靠，采用该系列芯片已成为一种高效的反激式开关电源设计方案。关键词：TOPSwitch-HX 反激式变换器 高频变压器 开关电源.AbstractWith the development of power electronics, switching power supply used more and more widely. Flyback switching power supply with its simple design, small size and other strengths, is widely used in low power situations. Switching power supply with its small, light weight and high efficiency characteristics, is widely used in various electrical equipment and systems, the merits of their performance is directly related to the realization of the whole system functions. There are many types of switching power supply, including single-ended flyback switching power supply With simple circuit, the fewer components needed, can provide multiple advantages, such isolated output is widely used in low-power power supply field.Conventional flyback switching power supply generally PWM control chip (such as the UC3842) and power switch (usually used at high frequency MOSFET) formed, PWM control loop design of complex chips, likely to cause system instability, and sometimes the power switch need external drive circuit. High efficiency and miniaturization each other to some extent limited because of high efficiency will require a considerable circuit complexity, a large number of devices on a very small negative. Early in the switching power supply design using discrete components are integrated very low, most of the circuit can only be realized in the PCB version, greatly limiting the possibility to achieve miniaturization. And a large number of devices exposed and affected the systems stability. Used in recent years, in order to achieve higher efficiency and smaller size, switching power supply operating frequency has been greatly improved. High operating frequency can reduce the size of the external inductor and capacitors,Thereby reducing system size.In addition, the design of the flyback transformer and a difficult, which often leads to power supply design cycles. With the PI produced by TOPSwitch represented the advent of new generation single-chip switching power supply, over a number of problems have been well resolved. Application of TOPSwitch-HX design switching power supply, not only fewer devices, the structure is more simpleLess heat, more reliable, use the chips has become a highly efficient switching power supply design.Keywords : TOPSwitch-HX Flyback converter highf requency transformer switching power supply 目 录第一章 绪论 （1）一、反击式开关电源的背景（1）二、反击式开关电源现状与发展趋势（2）三、本课题选题意义及所做工作（2）第二章 反击式开关电源简介 （3）一、开关电源的分类（3）二、反击式开关电源的原理 （4）第三章 高效反激式开关电源系统设计 （5）一、提高效率的方法（5）二、高效反激式开关电源的系统设计原理图（6）三、各个子电路的分析设计（7）第四章 反激式开关电源元件选择及其参数 （8）一、Topswitch-HX 系列元件简介 （8）二、提高开关电源效率元件选取方法 （10）三、主要参数的计算 （11）第五章 设计总结与展望 （13）参考文献 （14）致谢 （15）附录 （16）精品范文模板 可修改删除第一章 绪论一、 反激式开关电源的背景开关电源的前身是线性稳压电源。线性稳压电源的结构简单。其中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压，通过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制。这样，当输入电压发生变化，或负载变化引起电源的输出电压变化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来使输出电压稳定。为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性稳压电源。早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进，开关频率才得以提高。20世纪60年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJT、GTR)的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到10KHZ左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在20世纪70年代，新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHZ。随着电力电子技术的发展，工作在高频的开关电源己经广泛应用于电气和电子设备的各个领域。开关电源设计的目的是通过能量处理将输入能量变化为所需要的能量输出，通常的形式是产生一个符合要求的输出电压，这个输出电压的值不能受输入电压或者负载电流的影响。二、 反激式开关电源的现状及其发展趋势开关电源的设计要求有非常高的效率，高效率有着极为重要的意义。首先，高效率减少了能量在传递过程中的损失，最理想的情况就是输入端的能量完全传递到了输出端，在开关电源内部不损失任何的能量，开关电源只是起到了能量形式转化的作用。然而，实际设计时这一点是不能实现的。如果电源内部有较大的损失，这部分能量将转化为热能损耗在器件上，这就要求开关电源有散热的设计，否则长时间的高温工作将减少使用寿命，大大增加不稳定性。而增大散热部件会对开关电源小型化起到巨大的阻碍作用。这一点在手持设备或者小型开关电源的应用中更为明显。其次，当今能源日趋紧张，全世界开始意识到节约能源的重要性，对于电子设备的功耗提出了硬性的指标规定。例如中国在2006年3月实施的节能评价值指标为待机能耗3W，能量效率指数为1.1。2009年3月1日将实施的节能评价值为待机能耗1W，能效指数为0.75。提高开关电源的效率不再是节省使用者电费开支的额外功能，开始成为各个产品必须满足的一项技术指标。其次开关电源设计要求能够小型化。开关电源的应用领域中小型化，集成化的需求越来越高。比如笔记本电脑的电源系统，不仅需要完成充电控制，还需完成对微处理器供电的降压处理，对硬盘供电的降压处理，以及对屏幕供电的直流转交流变换等。所有的功能都希望在尽可能小的体积中完成。因此，小型化是开关电源的另一个发展方向。而且由于集成电路器件本身的发展，已经有能力提供工作复杂的高频控制集成电路芯片。然而， 随着工作频率的不断上升，由于高频造成的开关损耗逐渐成为了一个严重的问题。尤其是如果工作频率不变，开关损耗不变，随着负载的不断减轻，系统的效率会随之下降。因此，为了保持电源的效率，新一代的开关电源芯片在工作频率上不能再一味追求高的工作频率，而需要仔细分析和处理开关损耗问题。在轻载时，通过降低工作频率以减少开关损耗，希望能保持高效率。这种仔细区分负载情况，在不同负载下采用不同模式进行控制的多模式技术是提高效率的一个趋势。减少开关损耗的另一个方法就是从开关损耗的本身出发，对引起开关损耗的起因进行改进。开关损耗的原因是开关器件的实际曲线不是瞬间导通或关闭的理想图像，在变化过程中存在着电压与电流都不为零的交叠区。对此，开关电源设计领域出现了软开关技术，即零电压开关和零电流开关。零电压开关使开关在电压为零时开关导通，零电流开关使开关在电流为零的时候开关关闭。通常软开关的实现采用准谐振或者谐振等方法。三、本课题选题的意义及所作工作电子技术的迅猛发展一方面带动了电源技术的发展，一方面也对电源产品提出了越来越高的要求。体积小、重量轻、高效能、高可靠性的“绿色电源”已成为下一代电源产品的发展趋势。功率密度的急剧增大导致电源内部电磁环境越来越复杂，因之产生的电磁干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成威胁。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的EMC性能指标直接关系到其推向市场的时间。高效反激式开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、成本低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。本设计就是设计一款低功耗的反激式开关电源控制IC。该芯片应具有以下特点：突出的性价比，较少的外围元件；能耗低，具有绿色模式功能，使系统在空载或轻载时工作在较低的频率下，能够有效减少能耗；具备各种完善的保护电路，在各种突发情况下仍能保证系统安全；优秀的抗电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)特性；体积小，重量轻，适用于多种便携设备及电源适配器。高效反激式开关电源的结构主要由220V交流电压整流及滤波电路、DC/DC变换器、反馈控制电路三大部分组成。（1）设计一个整流滤波器和DC/DC变换器之间加入了功率因数校正电路。220V交流电经整流供给功率因数校正电路，提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，从而减小谐波污染。（2）设计反馈控制电路、保护电路、软启动控制电路、浪涌吸收电路；(3)分析外围元器件参数对电路性能指标的影响。要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；第二，切断骚扰信号的传播途径；第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。(4)性能指标的分析：对电源的转换率，功耗，兼容性等各个性能指标进行分析。第二章 反激式开关电源简介一、开关电源的分类1、开关电源的结构有多种：（1）按驱动方式分，有自励式和他励式；（2）按电路控制方式分，有脉宽调制式(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)均式和PWM与PFM混合式；（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型；（4）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光藕耦合式等；（5）按变换器的工作方式分，有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦一数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。正激式：拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第1象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数百瓦一数千瓦的开关电源中。半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦一数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦数千瓦的各种工业用开关电源中。推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的生生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。三、 反激式开关电源原理反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。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C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。图2-11、反激式拓扑开关电源有两种工作方式：(1) 完全能量转换，也叫做非连续导通模式。该模式的特点是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。(2) 不完全能量转换，也叫做连续导通模式。存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。2、结合图2-1以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。(1) 励磁阶段：当开关VT1导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。(2) 去磁阶段：当励磁阶段结束后，VT1停止导通。由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。(3) 非连续导通阶段：当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。在连续导通模式下，不存在这个阶段。本课题设计的高效反激式开关电源控制器始终控制电源工作在非连续导通的情况下，所需的输出电压对应的占空比和工作频率可以通过公式计算得到。但是由于器件的寄生参数以及环境变化，在开关电源中一般采用闭环控制取代开环控制。而闭环控制中的电流控制模式在脉冲调制开关电源中可以大大减少回路上所遇到的各种问题，尤其对于完全能量转换的情况，因此本文的设计将采用电流模式进行闭环控制。第三章 高效反激式开关电源的系统设计一、提高效率的理论方法：1、选用合适的芯片，降低空载功耗。2、调整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R为TVS管。 3、根据输出二极管两端的峰峰电压选用低耐压的整流管，最好选用品牌肖特基。4、调整输出二极管的LC吸收回路。5、合理选用输入端的热敏电阻，保证在正常工作时，阻值最小。6、合理选用变压器，按照使铜损与铁损减到最小，增大变压器磁芯规格，增加线径，选择低功耗磁芯，调整初级电感量，合理地绕线，使漏感变小的选区标准可以提高效率。7、大电流的走线加宽，可在上面露铜加锡。8、低压大电流时，选择同步整流.。9、加大DC输出线线径。 10、取消或减小输出负载电阻。二、高效反激式开关电源设计的系统原理图图3-1该电源简要工作原理如下：交流电Ui经输入整流滤波电路后输入到高频变压器一次侧，电压经反激后，二次侧上的高频电压经过输出整流滤波电路整流滤波后，获得输出电压Uo。钳位电路是用来吸收高频变压器的漏感产生的尖峰电压，从而保护了TOPSwitch-HX中功率管不被尖峰电压烧毁。稳压管和光耦合器组成反馈电路。输出电压Uo的稳压原理如下：当由于某种原因致使Uo上升，则光耦中发光二极管的电流升高，经过光耦后，使光耦中的接收管电流也升高，使得TOPSwitch-HX控制端电流升高，经TOPSwitch-HX内部控制后，使控制脉宽占空比降低，导致Uo下降，从而实现稳压目的；反之，当Uo下降时也一样稳定。电流型控制技术是针对电压型的缺点发展起来的一种新颖的控制思想，它以独特的优越性替代电压型控制被广泛应用于正激、反激及推挽式等DC/DC功率变换器的控制电路中。电流型控制方法可分为三种形式，即峰值电流控制、电流滞环控制以及平均电流控制。由于电流滞环控制方法存在负载的大小对开关频率影响甚大的问题，而平均电流型控制电路实现较复杂，所以本设计是采用峰值电流控制方法。三、各个子电路的分析设计1、输入整流滤波电路设计输入整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容滤波三部分。交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰，其中X1为安规电容，是为了去除差模干扰；L1为共模电感，采取双线并绕，是为了去除共模干扰。整流电路一般选用满足电流阈值的整流桥。输入滤波电容C的容量与电源效率、输出功率密切相关。一般对于宽范围输入的开关电源，C的容量可按比例系数来选取；固定输入时，比例系数变成。此外，输入滤波电容的容量大小还决定着直流高压的数值。2、 钳位保护电路设计每个开关周期内，TOPSwitch-HX的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。钳位保护电路由VR1和D5构成。其中，VR1为瞬态电压抑制器，它是一种新型的过电压保护器件，在承受瞬态高能量电压时，能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子元器件不受损坏。D5称为阻塞二极管，一般选用快恢复二极管。VR1和D5的选择由反射电压VOR决定，VOR推荐值为135V。VR1的钳位电压V 由经验公式V=1.5VOR得出；D5的耐压值应大于整流后的最大电压值。3、 高频变压器设计在反激式开关电源中，高频变压器既是储能元件又是传递能量的主体，它具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。设计的主要参数包括初级电感量LP，变压器变比N，初、次级绕组匝数NP、NS和反馈绕组匝数NF 以及各绕组导线线径等。PI公司设计开发的开关电源设计软件是一种交互式软件，可以针对相关的硬件芯片、按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。其中包括三个设计软件分别是：PI Expert、PI Transformers Designer、PIXLs Designer。根据输入的电压、输出功率及芯片型号，PI Expert软件可完成电路设计的基本结构。但是，在利用这类芯片设计高频变压器之前，必须对变压器的设计过程及有关的一些名词要有所了解，这样才能设计出高效率高性能的变压器。4、 输出整流滤波电路设计输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容、电感构成，输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一，是影响开关电源效率的主要因素。肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件，由于其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。因此适合作为开关电源中的低压整流管，且具有提高效率的功能。5、 反馈电路设计开关电源的反馈回路有4种基本形式：基本反馈电路；改进型反馈电路；带稳压管的光耦反馈电路和带TL431的光耦反馈电路。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”。电压反馈信号经分压网络引入TL431的参考端，转化为电流反馈信号，然后经过光耦隔离后输入TOPSwitch-HX的控制端。TL431称为可调式精密并联稳压器，利用两只外部电阻可设定2.5V36V范围内的任何基准电压值。其工作原理是当输出电压Uo发生波动时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使发光二极管的工作电流产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流Ic的大小，调节TOPSwitch-HX的输出占空比，使Uo不变，从而达到稳压目的。根据TL431的工作原理，两个分压电阻的选取要求比较严格，因此可把上面的一个分压电阻设计成一个固定阻值电阻和一的精度。6、保护电路的设计为使单片开关电源能够长期稳定、安全可靠的工作，必须精心设计保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或环境条件发生变化而损坏开关电源。反激式开关电源的保护电路可分成两大类。一是芯片内部的保护电路，例如TOPSwitch-HX系列中的过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启动电路、前沿闭锁电路；二是外部保护电路，主要包括过流保护装置(保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器)、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路、输出过压保护电路、输入欠压保护电路、软启动电路等。第四章 高效反激式开关电源的器件选择原理及其参数计算一TOPSwitch-HX系列器件简介TOPSwitch 系列芯片集PWM信号控制电路和功率开关器件MOSFET于一体。该系列开关电源集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。鉴于电流控制型有电压控制型无与伦比的优点。1、TOPSwitch-HX 内部功能TOPSwitch-HX除了像三端TOPSwitch一样，具有高压启动、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、热关断等特性外，还综合了多项能降低系统成本、提高电源性能和设计灵活性的附加功能。此外，TOPSwitch-HX采用了专利高压CMOS技术，能以高性价比将高压功率MOSFET和所有低压控制电路集成到一片集成电路中。TOPSwitch-HX使用了频率、电压监测和外部流限（仅限Y和E封装）三个引脚、电压监测和外部流限（仅限M封装）两个引脚或一个多功能引脚（P和G封装），以实现一些新的功能。将如上引脚与源极引脚连接时， TOPSwitch-HX以类似TOPSwitch的三端模式工作。然而， 在此种模式下，TOPSwitch-HX仍能实现如下多项功能而无需其他外围元件：（1）完全集成的17 m软启动，通过从低到高扫描限流点和频率以限制启动时的峰值电流和电压，可以显著降低或消除大多数应用中的输出过冲。（2）最大占空比(DCmax)可达78%，允许使用更小的输入存储电容，所需输入电压更低或具备更大输出功率能力。（3）采用多模式工作，可以优化和提高整个负载范围内的电源效率，同时保持多路输出电源中良好的交叉稳压精度。（4）采用132 kHz的开关频率，可减少变压器尺寸，并对EMI没有显著影响。（5）频率调制降低了高负载条件下全频模式下的EMI。（6）迟滞过热关断功能确保器件在发生热故障时自动恢复。滞后时间较长可防止电路板过热。TOPSwitch-HX的内部框图4-1所示：图4-12、 TOPY256MN参数由参考文献可知，在宽电压范围内，由芯片TOP256MN构成的反激式电源的输出功率可达45W，符合设计要求。芯片TOP256MN 的主要参数为：工作频率f = 100 kHz ；最大占空比Dmax = 67 %；最大允许电流Ilimit = 1.5 A ；内部MOSFET开关管的最大阻断电压Vbdss = 700 V。3、引脚功能描述（1）漏极(D)引脚：高压功率MOSFET漏极引脚，通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。 (2)控制(C)引脚：误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制.与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启/补偿电容的连接点。 (3)外部流限(X)引脚：外部流限调节和远程开/关控制的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 (4)电压监测(V)引脚：是过压(OV)，欠压(UV)，降低DCMAX的线电压前馈，输出过压保护(OVP)，远程开/关和器件复位的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。（5）源极(S)引脚：这个引脚是输出功率MOSFET的源极连接点，它也是初级控制电路的公共点及参考点。二提高反激式开关电源效率元件选择的方法1、输入整流桥(BR)的选择选择具有较大容量的整流桥并使之工作在较小的电流下，可减小整流桥的压降和功率损耗，提高电源效率。由二极管构成的整流桥(BR)的标称电源电流IN应大于在输入电压为最小值(Umin)时的初级有效电流，功率因数应取0.60.8之间，其具体数值取决于输入电压和输入阻抗。2、钳位二级管(VR1)的选择钳位电路主要用来限制高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产生的振铃电压。在图1所示的单片开关电源模块电路中，输入钳位保护电路由VR1和D5构成。为降低其损耗，D5可选用FR106型瞬变电压抑制二极管；VR1则选用P6KE200A型快恢复二极管。3、输入滤波电容(C1)输入滤波电容C1用于滤除输入端引入的高频干扰，C1的选择主要是正确估算其电容量。通常输入电压Ui增加时，每瓦输出功率所对应的电容量可减小。4、交流输入端电磁干扰滤波器(EMI)图3-1中的和C用于构成交流输入端的电磁干扰滤波器(EMI)。C能滤除输入端脉动电压所产生的串模干扰，L则可抑制初级线圈中的共模干扰。5、限流保护电路为限制通电瞬间的尖峰电流，可在输入端接入具有负温度系数的热敏电阻(NTC)。选择该电阻时应使之工作在热状态(即低阻态)，以减小电源电路中的热损耗。6、输出整流管(VD)正确选择输出整流管VD可以降低电路损耗，提高电源效率。其方法一是选用肖特基整流管，原因是其正向传输损耗低，且不存在快恢复整流管的反向恢复损耗；二是将开关电源设计成连续工作模式，以减小次级的有效值电流和峰值电流。输出整流管的标称电流应为输出直流电流额定值的3倍以上。7、输出滤波电容(C8)电源工作时，输出滤波电容(C8)上的脉动电流通常很大。一般在固定负载情况下，通过C8的交流标称值IC2晓必须满足下列条件：I*C8=(1.52) I*RL式中，IR1是输出滤波电容C8上的脉动电流。设输出端负载为纯电阻性RL，那么，RL*C8愈大，则C8放电愈慢，输出波形愈平坦。也就是说，在RL一定的情况下，C5愈大，输出直流电压愈平滑。三、主要参数计算本设计要求：输入工频交流电压85265 V；输出一路隔离的5V直流电压；输出功率20W。其具体电路图如图3-1 所示。1、输入滤波电容C1电容C1 用于保持整流后的直流电压平稳，假设系统允许20%的脉动。二极管导通时间为4ms ，则C1值可由下式决定：C1 =2 Pin ( Tline - t don)2 V ac min (1 - k2min)47F 式中：Tline为输入交流电压的周期；t don为每周期内整流二极管的导通时间；Vacmin为系统的最低输入电压；kmin为电容两端的最小电压与最大电压之比。通常情况下，C1 取23 倍的Pin (单位为F)。今取C1为47F。2、反激式变压器来分析一下一个工作周期，当开关管开通的时候，原边相当于一个电感，电感两端加上电压，其电流值不会突变，而线性的上升，有公式上升了的I=Vs*ton/L，这三项分别是原边输入电压，开关开通时间，和原边电感量。在开关管关断的时候，原边电感放电，电感电流又会下降，同样要尊守上面的公式定律，此时有下降了的=Vor*toff/L，这三项分别是原边感应电压，即放电电压，开关管关断时间，和电感量。在经过一个周期后，原边电感电流的值会回到原来，不可能会变，所以，有VS*Ton/L=Vor*Toff/L，上升了的，等于下降了的。上式中可以用来代替Ton，用来代替off，移项可得，D=Vor/（Vor+VS）。此即是最大占空比了。根据经验, 当MOSFET 开关管关断时，加在MOSFET开关管漏源极的最大尖峰电压Vdsmax为V inmax + 1. 41.5 Vor + Vd1 ( Vd1为二极管D1的瞬间正向导通电压，设为20V)。由于TOP256MN的最大关断电压为700V，故Vor应小于145V。由图3-1可知，Vor愈大，Ip愈小，最大占空比Dmax愈大。考虑到TOP256MN的最大占空比与最大电流，取Vor =135 V。根据Vor可计算出变压器的匝比：K = Vor/ Vo = 135 V/ 15 V = 9 式中：Vo为系统的输出电压.原边电感Lp的变化曲线，由图3-1可知，随着Lp 的增大，系统工作于连续模式的电压范围有所加宽(这是所希望的，因为连续模式下系统的效率更高)；流过TOP256MN的最大电流有所减小，系统的最大占空比保持不变(仅当系统完全工作于断续模式时才发生变化)。然而，电感量愈大，电感体积愈大，磁芯愈容易饱和。考虑到流过MOSFET开关管的最大电流裕量，取Lp = 600uH。3、VR1 和D5根据经验，稳压管VR1的反向击穿电压应取为1.5倍的Vor，今选用P6KE200。二极管D5应选用快恢复二极管，如FR106。4、输出整流电路D7，C6，C7，C8D7应选用快恢复二极管，其最大允许直流电流应不小于1.5 Po/Vo = 4 A。由于流过该二极管的电流较大，故应注意其散热。电容C6/C7 应选等效串连电阻( ESR) 较小的电解电容，其电容值与输出要求有关，今选3300uF的电解电容.5 、U2电阻R7上的电压降，光耦U2光电二极管的导通压降和稳压管U3的反向击穿电，压决定了输出电压的大小，忽略R7的压降，设光电二极管的导通压降为0. 7 V，则稳压管U3的反向击穿电压应为15 V 0. 7 V = 14. 3 V。今选击穿电压为15 V的稳压管（TL431) 。7 、光耦其他参数TL431的Vref的偏置以及R7，R8的取值计算。R7，R8在静态偏置方面，主要是提供对输出电压的采样。为了保证TL431的能正常工作，Iref的最小值，根据资料上分析的经验最好能不小于200uA。为了方便后面的小信号的计算，这里R8选取2 k1% 的电阻。因为一般TL431的Vref是2.495V，并且为了保证电压在大电流的时候，不因为PCB的铜箔阻抗下降到离5V太远，所以R8会比R7稍微大些。这里的R7选择911%和2k1%的两个电阻串联。如若输出电压脉动过大，可考虑加上由L4和C8组成的滤波电路。D7的选取只需考虑反向耐压即可。C10按厂家推荐取47F的瓷片电容。反馈电压Vo的接法基本上有2种。从最终输出段子接；在输出的LC滤波前接。采用接法可以直接反应输出电压，但是却在整个系统中引入了一个LC的二阶系统，不利于反馈调节，而且也会减缓对输出负载变换的动态响应。采用接法B，避开了这个LC的二阶系统，简化了整个系统。而通过L之后，电压降一般都很小，所以通常采用的方法是把Vo接在输出的LC滤波器前面。第五章 总结与展望在信息和数字时代，所有电子设备都需要有一个稳定可靠的电源来提供能量。因此开关电源的发展对于国家的发展与建设有及其重要的作用。经过几十年的发展，开关电源方面的技术已经有了长足的发展。为了小型化，高效率可靠的开关电源，全世界的工程师做出了不懈的努力。本文研究设计了一款高效反激式开关电源，在不同的负载条件下采用相应的工作模式，从而节省能量提高效率。主要的工作分为:电路原理分析，系统设计，电路模块参数设计。本文在电路原理分析方面就反激式拓扑开关电源的工作原理进行了介绍，并分析设计了反激式开关电源提高效率和降低干扰的方法。系统设计中详细给出设计过程的方法与细节。照几大功能群详细分析了所设计的各个重要模块电路。最后将对所设计的系统进行功能性验证。由于仅有四年对电专业的学习，专业相关知识相对比较薄弱，论文中难免有不妥之处，还请各位老师点批评指。一遍我能在今后的学习和设计中将得以继续改进。电力电子技术是重要的支撑科技，据美国总统科学和技术顾问委员会提出，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯与通信、生命科学、材料和交通。每一领域无一不和电力电子有关，都在起着重要作用，而开关电源是其中的一个重要方面，有着深远的美好前景。可以预计，关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的；也是减小体积的重要途径电路集成和系统集成及封装工艺等问题是开关电源发展的方向。参考文献1 周志敏开关电源的分类及应用M电子工业大学出版社，2001，11：36-392 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付永庆，张林开关电源稳压环动态性能的最优化设计研究J仪器仪表学报，1997年06期致谢本课题是在我的指导老师肖扬老师的精心指导下完成的。在写作过程中，我的指导老师肖老师倾注了大量的心血，从选题至开题报告，从课题的构架及写作提纲，再到一遍又一遍地指出每个环节中的具体问题，严格把关，循循善引，直到论文的完成。肖老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导论文设计之余，肖老师仍不忘拓展相关知识范围，让我们学习到相关知识。在此我表示衷心的谢意。值得一提的是，肖老师对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受益无穷。借此机会向肖老师表示最衷心的感谢！同时，本设计最终得以顺利完成，也是与我们学院其他老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，他们是肖扬老师，陈光颜老师等，在此向他们表示深深的感谢！此外，感谢各位老师大学四年以来对我学习的悉心指导和谆谆教诲令我终身受益。在各位老师的指导下，我在各方面的能力都得到了相应的提高。在大学四年生活中，不断得到各位老师、同学的关心与帮助，使我在学习和生活中不断得到友谊的温暖与关怀，最重要的是一种精神上的激励，让我非常感动。最后，感谢长江师范学院我的母校及各位老师对我的栽培。且向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示深深的感谢！附 录元件列表清单如下：元件名称元件型号数量（个）控制芯片Top256MN1变压器EEL251光耦PC817D1保险丝1A1二极管三端可调二极管TL4311瞬态抑制二极管STPS30L60CT1钳位二极管FR1061肖特基二极管BAV201桥式整流二极管1N53994电感10mH14uH12.2uH40.47uH2电容电解电容47uF/450V147uF/50V147uF/13300uF/10V2100uF/25V1一般电容4.7nF/1KF1100nF/25v14.7nF1100nF12.2nF1电阻8.6 M17.5 M12 M222 K115.4 K110 K22 K19116.81第 23 页 共 23 页免责声明：图文来源于网络搜集，版权归原作者所以若侵犯了您的合法权益，请作者与本上传人联系，我们将及时更正删除。