开关电源top224芯片.docx

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开关电源top224芯片

绪论

开关电源（SwitchedModePowerSupply，SMPS）是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流—直流或直流—直流电能的变换。

其功率从零点几瓦到数十千瓦，被广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。

比如：

小到彩色电视机、DVD播放机等家用电器、大到飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。

开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。

脉宽调制（PWM）技术的发展，导致了PWM开关电源问世（PWM开关电源的特点是用20KHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%～70%），大幅度节约了能源，引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20KHz革命。

高频化使开关电源装置空前的小型化，并使其进入更广泛的领域，特别是推动了高新技术产品的小型化、轻便化，在节约资源及保护环境方面具有深远的意义。

随着电子技术的高速发展，电子设备的应用领域越来越广，与人们的工作、生活的关系日益密切。

但是，任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。

并且，随着集成芯片尺寸的不断减小，处理速度越来越高，需要更加小型化、轻量化的电源（磁性元件和电容的体积、重量应随之减小）；未来的绿色电源要求开关电源的效率更高，性能更好，可靠性更高等。

这一切将促进开关电源的不断发展和进步。

开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已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源芯片进行小功率开关型稳压电源特性的研究。

本文采用TOP224Y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。

本设计的交流输入电压围是AC140V～240V，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护等功能。

主要采用TOP224Y、PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合来完成。

本主要容如下：

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40W的通用小型开关电源。

1开关电源的基本类型

开关电源的分类方法有多种。

按电路的输出稳压控制方式分类可分为脉冲宽度调制（PWM）式、脉冲频率调制（PFM）式和脉冲调频调宽式三种；按触发方式分类可分为自激式开关电源和它激式开关电源；按电路的输出取样方式分类可分为直接输出取样和间接输出取样；按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源等。

下面我们介绍几种开关电源。

（1）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1-1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。

在电路中还设有箝位线圈与二极管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，所以输出功率围大，可输出50～200W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1-1单端正激式开关电源

（2）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1-2所示。

当开关管VT1导通时，输入侧的电能以磁能的形式存储在变压器的初级线圈中，由于同名端的关系，次级侧二极管VD1不导通，负载没有电流流过。

当功率开关晶体管VT1断开时，变压器次级绕组以输出电压UO为负载供电，并对变压器进行消磁。

图1-2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，输出电压即可高于输入电压又可低于输入电压，一般适用在输出功率为200W以下的开关电源中。

（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，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

（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。

图1-4推挽式开关电源

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100～500W围。

（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

（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

（7）反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图1-7所示。

图1-7反转式开关电源

这种电路又称为升降压式开关电源，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、反转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。

2开关电源的原理

2.1开关电源的选择基础

一般来说，功率很小的电源（1～100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰较大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理。

如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路。

推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。

本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为40W的通用型小功率开关电源。

单端反激式电路不仅符合功率的要求，并且具备电路简单、所用元件少、输出与输入间有电气隔离、电压输入围宽、能方便的实现多路输出、有较好的电压调整率的特点。

因此，本设计选择了单端反激式的拓扑类型。

2.2反馈电路的类型与选择

单片开关电源的反馈电路有4种基本类型：

基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配TL431的光耦反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路。

（1）基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型化、经济型开关电源，其缺点是稳压性能较差。

（2）配TL431的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳，适于构成精密开关电源。

（3）配稳压管的光耦反馈电路，该电路相当于给TOPSwitch增加一个外部误差放大器，再与部误差放大器配合使用，即可对输出电压进行调整。

（4）改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管VDZ和电阻R1，即可使负载调整率达到-2%～+2%。

VDZ的稳定电压一般为22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压，满足电路的需要。

由于本设计是旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作的，需要有较好的稳压性能。

并且，考虑到光耦所具有的电气隔离的优点，所以选择了配TL431的光耦反馈电路。

2.3开关电源的部结构图及工作原理

2.3.1开关电源的部结构图

开关稳压电源的电路原理框图如图2-1所示。

它主要由输入整流滤波电路、功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路及控制电路部分组成。

其中，控制电路又包括取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。

2.3.2开关电源的基本工作原理

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。

图2-1开关电源的原理图

2.3.3脉宽调制式开关电源的基本工作原理

开关电源按控制方式分为调宽式和调频式以及两者混合式。

其中，前两者的区别在于：

前者通过改变占空比来实现稳压，开关器件导通的周期并不变。

而后者恰恰相反。

在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型,全称脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）技术，本设计亦采用调宽式控制方法。

它通过对脉冲宽度进行调制来获得所需波形（含形状和幅值）。

其基本工作原理就是在输入电压、部参数以及外接负载发生变化的情况下，根据反馈的结果，调节开关器件的脉冲宽度（输出电压的高或低而使占空比相应小或大）使输出电压稳定。

PWM开关电源的控制原理如图2-2所示。

当T不变时，直流平均电压将与脉冲宽度T1成正比。

这样，只要设法使脉冲宽度即占空比（在一个周期T,开关导通的时间Ton所占整个周期T的比例,称为占空比D,D=Ton/T），就可达到稳定电压的目的。

图2-2PWM开关电源控制原理及波形图

3小型开关稳压电源的设计

3.1开关电源的设计流程图

图3-1开关电源的设计流程图

在本设计中，由于采用了TOPSwitch智能芯片，其本身集成了保护电路、关断电路、自动重启电路等。

所以，在设计时可以省去上面的几个环节，只需对其进行好选型。

3.2技术指标和性能要求

本设计依据要求，采用了较新的电路结构，设计出小功率通用开关电源。

它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（140V～240V）；电网频率：

50Hz；开关电源频率：

100KHz；输出直流电压Uo：

8V（两路），5V（两路），3.6V，-8V，-24V各一路；输出额定电流：

2A；额定输出功率：

30W；负载调整率SI：

-4%～+4%；电源效率H：

高于84%；空载功率损耗：

低于0.5W（230V时）；输出纹波电压：

低于120mV。

3.3TOP224Y的主要性能特点和元件选择

3.3.1性能特点

TOP224Y是TOPSwitch-Ⅱ系列中一种最常用的芯片,其封装形式是TOP220,自带小散热片,是典型的三端集成器件,TOP芯片的引脚图如图3-2，三个管脚分别为控制端C、源极S、漏极D,其部功率MOSFET器件的耐压值高达700V,可设计成40W以上仪器仪表的多路隔离式置控制电源,TOPSwitch-Ⅱ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,含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOS2FET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化,使用安全可靠。

（2）采用漏极开路输出,并利用控制极反馈电流Ic来线性调节占空比实现AC/DC变换的,即属于电流控制型单片开关电源。

（3）输入交流电压和频率的围极宽。

作固定电压输入时,可选110V/115V/230V交流电,允许变化±15%。

在宽电压围输入时,适配85～265V交流电,但输出功率峰值POM要比前者降低40%。

（4）它只有三个引出端,能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。

开关频率的典型值为100kHz,允许围是90k～110kHz,占空比调节围是117%～67%。

（5）外围电路简单,电磁干扰小,成本低廉。

由于芯片本身功耗很低,电源效率可达80%左右,最高可达90%。

图3-2TOP224Y的引脚图

TOP224Y芯片的引脚功能简介如下：

（1）DRAIN：

部功率MOSFET漏极接入端。

该端同时还是部电流的检测端，该端接高压电流源，在其启动过程中，向部功能电路提供偏置电流。

（2）CONTROL：

占空比控制端。

该端接分流调节器，在正常工作状态下提供偏置电流，该端同时还是旁路电容，自动重启电路和补偿电容的接入端。

（3）SOURCE：

部功率MOSFET源极接入端，是一次侧电路的公共端，功率的返回端和参考点。

3.3.2线性光耦合器PC817

光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。

光耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光耦合器一般由三部分组成：

光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了“电-光-电”的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性

PC817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，如图3-3所示。

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3-3PC817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，传输效率高。

可以起到很好的反馈作用。

3.4可调式精密并联稳压器TL431

TL431是由美国仪器（TI）和摩托罗拉公司生产的2.5～36V可调式精密并联稳压器。

其性能优良，价格低廉，该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。

此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压器、延时电路、精密恒流源等。

TL431的电路图形符号和基本接线如图3-4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UREF>Uref（部2.5V基准电压），比较器输出高电平，使VT（部晶体管）导通，Uo开始下降。

反之，Uo下降会导致UREF下降，从而UREF

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。

图3-4TL431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TOP224Y的控制端C端。

通过改变TOP224Y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。

3.5开关电源的电路设计

3.5.1TOP224Y芯片原理

图3-5是用TOP224Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。

输入为220VAC（±15%），输出为+15VDC，功率为40W。

由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。

外围电路基本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路及反馈电路5部分。

图3-5TOP224Y芯片原理

3.5.2输入整流滤波电路设计

输入整流滤波电路包括交流滤波、整流部分和整流滤波电容。

交流滤波采用技术成熟的∏型滤波电路，具体参数如下：

去除差模干扰的

、

为0.1μF/250V；去除共模干扰的

、

为10nF；滤波线圈

为10～33Mh，采取双线并绕。

整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400V，其承受的冲击电流应大于额定整流电流的7～10倍。

还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。

本设计中,选用四个IN4007整流二极管构成整流桥。

在当前的供电条件下，电容

的值可根据输出功率按照3μF/W来取值，再考虑余量后，取

=150μF/400V。

交流电压输入围为187V～253V，即

=187V,

=253V。

假设整流桥中二极管导通时间为

=3ms，可由式（2-1）和（2-2）式可得输入直流电压最小值和最大值为：

（2-1）

（2-2）

式中

——系统效率，可选择80%；

——交流电网频率；

——电源输出功率。

3.5.3箝位保护电路设计

当TOP224Y的功率MOSFET管由导通变为截止时,在高频变压器T的初级绕组上会产生尖峰电压和反射电压,其中尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成,它与直流高压和反射电压叠加后很容易损坏MOSFET管。

为此,必须设计箝位保护电路,对尖峰电压进行箝位和吸收。

图3-5中VD1和VD2构成的箝位电路可防止高压对TOP224Y的损坏,VD1与VD2的选择由反射电压VOR决定。

VOR一般取135V,VD1箝位电压VCLO可由经验公式VCLO=115VOR得出,VD2的耐压值应大于最大直流输入电压Vmax。

本设计中VD1采用反向击穿电压为200V的TVS（瞬态电压抑制器）P6KE200,VD2采用反向耐压为600V的超快恢复二极管BYV26C。

3.5.4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构成。

输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的1/6多，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。

由于肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管作为整流二极管。

选取的原则是根据最大反向峰值电压。

次级绕组的反向峰值电压

为：

=

+

Ns/Np（2-3）

式中

——次级绕组输出电压；

——输入交流电压最大值。

对输出滤波电容，ESR（等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。

当电容两端电压小于35V时，ESR只与电容的体积有关,本设计选择细高型120μF/35V低ESR电容。

输出滤波电感采用3.3μH的穿心电感，它是近年来问世的一种超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠电感。

其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小，一般为

。

它能主动抑制开关噪声的产生。

为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容，见图3-5中的

。

3.5.5反馈回路的设计

本设计采用可调式精密并联稳压器TL431加线形光耦PC817A构成反馈回路，可使电压调整率达到±0.1%。

电路利用输出电压与TL431构成的误差比较器，通过光耦PC817A线性关系的电流变化控制TOPSwitch的

从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。

流入TOPSwitch控制脚C的电流

与占空比D成反比关系，如图3-6所示。

图3-6TOPSwitch占空比与控制电流的关系

为使PWM线性调节，控制脚电流

应在2～6mA之间，而

是受光耦二极管电流

控制的，由于PC817A是线性光耦，二极管正向电流

在3mA左右时，三极管的集射电流

在4mA左右，而且集射电压在很宽的围线性变化，因此一般选PC817A二极管正向电流

为3mA。

从TL431的技术参数可知，阴极工作电压

的允许围为2.5～37V，阴极工作电流

在1～100mA变化，一般选20mA即可，不但可稳定工作，又能提供一部分死负载。

对于图3-5所示电路中的反馈部分，主要是确定

、

、

和

的值。

根据TL431的特性知，

、

、

和

之间存在以下关系,已知Vo=15V.：

=（1+

/

）

（2-4）

式中

——TL431参考端电压，为2.5V；

——TL431输出电压。

先取

＝10K，则由式（2-4）算得

＝50K。

再确定

和

，由图2-5电路可知

（2-5）

式中

——光耦二极管的正向压降，由PC817技术手册知，典型值为1.2V。

先取

＝300Ω，则由式（2-5），可得

＝52Ω。

设计的实际取值为：

＝300Ω，

＝52Ω，

＝50K，

＝10K。

3.5.6其他外围电路的设计

（1）为保证开关电源的正常工作，在输入端串联一熔断丝，防止整个电路被烧毁。

另外，在输入端并联一压敏电阻。

正常工作时，压敏电阻的阻值极大，相当于断路，不起作用。

当遭遇雷击时，它的阻值瞬间降至极小，造成短路来保护电路。

（2）由于交流电压经整流滤波后得到直流高压，加在TOPSwitch的漏极上。

而功率管在关断瞬间，又产生尖峰电压和反向感应电动势叠加