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15V、30W精密开关电源指导老师：刘维庆制作人：王文辉、马进成、丁秀娟 制作日期：2011-7-21摘要单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，引起了越来越多人的重视。目前，随着单片开关电源模块的应用，中小功率开关电源正朝着短小轻薄的方向发展。可广泛用于仪器仪表、计算机、家用、电气（如彩电、数码像机）、自动控制等领域，为新型高效节能电源的推广与普及奠定了基础。开发各种通用型、精密型及特种单片开关电源，能够大大提高我国开关电源产品的科技水平和在国内外市场上的竞争能力，创造出巨大的经济效益与社会效益。本文研制的开关电源主要应用TOP204Y芯片来构成PWM电路。TOP204Y器件是一种单片开关电源芯片。它除了一般的PWM 控制功能外，还集成了过压保护过流保护等功能。该电路可抑制各种感性负载切换或各种瞬间噪声在电路板中产生的浪涌电压和空间电磁场的干扰。关键词：开关电源TOP240YPWM EMI一、系统设计要求1、 交流输入电压范围：85265V2、 交流电网频率：47440Hz3、 输出电压：150.3V4、 最大输出电流：2A5、 连续输出功率：30W6、 峰值输出功率：60W7、 电压调整率：0.2%8、 负载调整率：0.2%9、 电源效率：84%10、 输出纹波电压的最大值：150mV11、 工作温度范围：070系统设计二、开关电源的主要组成开关电源主要包括输人电网滤波器、输人整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路，它们的功能是：输人电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动，电器的开关，雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。输入整流滤波器：将电网输人电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。变换器：是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输人电网隔离的作用。输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时可防止高频噪声对负载的干扰。控制电路： 检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。保护电路：当开关电源发生过电压，过电流短路时，保护电路是开关电源停止工作以保护负载和电源本身。三、方案论证方案一：基于单片机的开关电源采用单片机为核心，产生PWM波形。用内部的定时器产生一个200ms的脉宽可调的周期信号，经过单片机的I/O端口输出即为PWM波。在开关电源的负载上取出采样电流经过A/D转换送到单片机，由单片机对设定值和采样值进行比较，通过比较的差值对脉宽进行调节，就可以改变电压变换电路的输入电压，从而实现对输出电压的调整。原理框图如图1.1.1所示。隔离变压整流滤波PWM波产生单片机控制器数码显示DC/DC变换器键 盘图1 方案一原理方框图方案二：用开关电源的控制芯片利用开关电源的控制芯片SG3525来实时调节PWM波的脉冲宽度，保持输出电压的稳定。其大体的模块框图如图1.1.2所示。整流滤波钳位保护TOP204Y控制芯片电压变换电路过流保护电路稳 压 电 路15V 2A图2 方案二原理方框图以上两种方案各有特色。方案一可以在一定的范围内实现任意输出电压的设定，并可以步进调整，系统的显示电路简单，输出电压值比较精确，电路比较繁琐复杂，成本高。方案二的设计采用了PWM控制芯片TPO204Y。其缺点是显示电路部分设计较复杂，优点是可以使系统实现平滑调压，其电路设计简单，调试方便，成本低。工作原理：85265V交流输入电压经过整流滤波后，产生120375V的直流电压。由VD2和VD1组成漏极钳位保护电路，能抑制漏感产生的尖峰电压，以及漏极上出现的振铃电压。次级电压经过VD2整流和C2滤波，变成直流电压，再通过L1和C3滤掉高频纹波电压。RL能改善轻载时烦的负载调整率。反馈绕组电压经VD3整流、C4滤波后，产生TOP204Y的偏置电压。输出电压V0经R4、R5分压后获得的取样电压与TL431内的部2.50V基准电压进行比较后，输出误差电压信号，再经过NEC2501型光耦合器流入TOP204Y的控制端，直接控制输出占空比，获得稳定电压输出。改变电阻R4与R4的分压比，可以调整输出电压的标称值。综合以上叙述，结合器件和设备等因素，现采纳方案二。硬件设计与理论计算本设计的硬件部分主要有整流滤波、钳位保护电路、变压电路、稳压电路、过流保护等模块，各个部分的工作原理、设计及计算如下。四、整流滤波电路的计算整流滤波电路是将输入220V、50Hz的交流电压变换成经过滤波后有脉动的直流电压。通常采用容性负载整流电路。如图：220V 50HZ整流二极管的选择：根据设计要求，考虑到耐压问题选用IN5048滤波电容的选择：C1/P0=1uf/W 因P0=30W 所以C1=30Uf 取标称值且30UF 取C147UF五、变压电路的计算变压器的选择磁芯：EI28型初级电感量：L=62762.7UH初级绕组：45匝（线绕0.32mm高强度漆包线）次级绕组：6匝（线绕0.32mm双线并绕）反馈绕组5匝（线绕0.32mm双线并绕）六、稳压反馈电路稳压反馈电路是根据经典电路设计的。采用可调式精密并联稳压器（TL431）它的各项参数如下: :1000-10000。Vc：2.5V-36V。放大区工作点范围，同时也是极限值。Ic:1mA-100mA。同上，Pcm:500mW极限值Vbe:2.5V.极其敏感，则饱合，低则截止。Ib:4A.输入阻抗极高。 温度稳定性极好。可以放大音频信号。 输入特性曲线在2.5V处，直角转弯。转弯范围约10mV。输出特性曲线极其水平。输出阻抗极大。TL431就是NPN管。具体的电路图见附录系统测试七、 稳压电源（1）输出电压接上负载，在输出电流最大达到2A的情况下，用数字电压表测出输出电压14.75V，误差为3%。电压调整率，则(或)，为15V，由电压调整率的公式可以计算得到（3）负载调整率在输出电压为15V时，则，负载调整率为（4）效率的计算调整输出电压为15V，输出电流为满载2A，即输出功率。用功率表测供电输入总功率，则效率85%（5）用示波器测得纹波电压值0.5V。（6）最大输出电流 系统电流超小，不能满足要求，基本在2A以下。八、测试结果分析由以上的测试数据表明，本设计只是完成了题目所要求的一部分。究其原因，实为我们所学知识有限，再加上在实际设计中的各种突发困难以及数据参数设置的不当，导致无法精确的实现题目的要求。在本系统中存在着很多的不足之处，这些有待改进。比如说要严格按照所计算的数据进行选择元件，还有模拟电路中常常有一些不稳定的因素，所以对于模拟电路的设计要尽量保持元器件的线性度，以便给调试工作带来方便。九、参考文件1.张毅坤单片微型计算机原理及应用西安：西安电子科技大学出版社，2006年2.康华光电子技术基础 模拟部分北京：高等教育出版社， 2006年3.高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程北京：电子工业出版社， 2009年4.黄智伟全国大学生电子设计竞赛训练教程北京：电子工业出版社， 2006年5.陈永真全国大学生电子设计竞赛试题精解选北京：电子工业出版社， 2007年附录一、元件清单1、 开关芯片：TOP204Y2、 可调式精密并联稳压器：TL4313、 光耦合器：NEC25014、 电磁干扰滤波器：DNX-L型5、 瞬变电压抑制二极管TVD：P6KE2006、 整流二极管：IN5408(3A,600V)、IN4148、MUR610CT(60A,50V)、BYV26C(1A,600V)7、 电感：3.3uH8、 电容：0.01uF、0.1uF、47Uf(400V)、1000Uf(35V)、120Uf(25v)、100Pf(1.5kV)二、电路原理图1、总原理图：2、PCB图：
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