开关电源的PCB设计毕业作品.docx

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开关电源的PCB设计毕业作品

开关电源的PCB设计

摘要

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。

在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防、教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。

在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机设备中，并且取得了很好的经济效益。

本论文采用基于TOPSwitch的反激式开关电源进行PCB设计。

首先确定了整个设计的方案和框图，然后列出了开关电源主电路的几种电路结构（正激型电路、反激型电路、半桥型电路、全桥型电路），比较了这几种电路各自的在结构上优缺点，区分了它们的应用领域，本设计主要用于家庭用的低功率开关电源，所以电路结构基本确定为正激型电路和反激型电路。

然后简单介绍了两款功率集成模块和集成电路的功能和工作原理，选用了这两中功率集成模块设计了基于UC3842的单端正激式开关电源与基于TOPSwitch的反激式开关电源，通过对比这两种开关电源的优缺点和应用领域，并对两种开关电源的变压器、电阻、电容进行了参数计算，选定器件，设计了相应的保护电路和整流电路。

通过对比，最后本文采用基于TOPSwitch的反激式电路设计开关电源。

本设计使用了AltiumDesigner6.9软件对整个电路的原理图进行了绘制，并且详细的描述了PCB板的制作过程以及注意事项。

关键词：

开关电源；TOPSwitch；PCB设计

Abstract

Energypoweristoachievepowerconversionandpowertransmissionmajorequipment.Intheinformationage,agriculture,energy,transportation,information,defense,educationandotherareasofrapiddevelopmentofthepowerindustrymademoreandhigherrequirements,whichforcedthepowerworkersinthepowerdevelopmentprocesscontinuetoexplore,andtoseekavarietyofrelatedtechnologies,inordertomakethebestproductstomeettherequirementsofallwalksoflife.Inthepasthalfacenturyofdevelopment,switchingpowersupplyduetosmallsize,lightweight,highefficiency,lowheat,stableperformanceandgraduallyreplacethecontinuouspowerwhichwiththetraditionaltechnology,andiswidelyusedinelectronicmachineequipment,andhasmadegoodeconomicbenefits.

ThisthesisTOPSwitch-basedflybackswitchingpowersupplyforPCBdesign.Firstdeterminetheoveralldesignoftheprogramandblockdiagram,andthenlistsseveralmaincircuitswitchingpowersupplycircuitroadstructure（forwardcircuits,flybackcircuit,thehalf-bridgecircuits,full-bridgecircuit）andcomparedthesetypesofcircuitsinthestructureoftheirrespectiveadvantagesanddisadvantages,thedistinctionbetweentheirapplications,thisdesignismainlyusedforhouseholduselow-powerswitchingpowersupply,sothebasiccircuitstructureidentifiedasforward-typecircuitandflybackcircuits.Thenintroducesthetwopowermodulesandintegratedcircuitsintegratedfunctionsandworkingprinciple,thechoiceofthesetwoinpowerintegratedmoduleisdesignedbasedonsingle-endedforwardUC3842switchingpowersupplyTOPSwitch-basedflybackswitchingpowersupply,bycontrastBothadvantagesanddisadvantagesofswitchingpowersupplyapplications,andtwokindsofswitchingpowersupplytransformer,resistors,capacitorsparameterswerecalculated,theselecteddevice,designedtoprotectthecircuitandthecorrespondingrectifiercircuit.

Bycontrast,thelastpaper-basedTOPSwitchflybackswitchingpowersupplycircuitdesign.ThisdesigndrawtheentirecircuitdiagrambyusingtheAltiumDesigner6.9software,anddetaileddescriptionofthePCBboardproductionprocessandconsiderations.

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1.名词

1.powersupply

2.powersource

3.mains

keywords：

Switchingpowersupply;TOPSwitch;PCBDesign

前言

随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术的应用领域越来越广泛，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，同时电子设备的种类也越来越多。

任何电子设备都离不开可靠的开关电源，它们对开关电源性能的要求也越来越高。

由于电子设备今年来的发展趋向于的小型化和低成本化，从而使得开关电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。

传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。

虽然这种传统稳压电源技术相对而言比较成熟，并且已经有了大量集成化的线性稳压电源模块，具有输出纹波电压小、、使用可靠稳定性能好等优点。

但是这样的电源通常都需要体积大且笨重的工频变压器与滤波器。

由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射机之间必须承受较大的电压差，因而导致调整管功耗较大，电源效率很低。

而且，由于调整管上消耗较大的功率，需要装体积很大的散热器同时采用大功率调整管有体[12]。

显然，这种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时，取而代之的是小型化、重量轻、效率高的开关电源。

开关电源五种间接直流变流电路，分别是：

正激型，反激型，全桥型，半桥型和推挽型。

正激型电路简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，但是变压器单向励磁，利用率低；反激型电路非常简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，缺点是难以达到较大的功率，变压器单向励磁，利用率低；全桥型电路变压器双向励磁，容易达到大功率，但是结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题；相比于全桥型，半桥型电路无变压器偏磁问题，开关较少，成本低，但是同样需要复杂的隔离驱动电路，可靠性低；推挽型电路变压器双向励磁，变压器一次电流回路中只有一个开关，同台损耗较小，驱动简单，但是依然有偏磁问题[2]。

本设计的题目是开关电源的PCB设计。

详细对比了以上五种电路结构的优缺点，并且选用了基于UC3842的单端正激式开关电源与基于TOPSwitch的反激式开关电源进行整体的对比，基于TOPSwitch的反激式开关电源因为其结构简单，不需要再专门设计过电流，过电压过热等保护电路，而且其效率高，性价比高，在开关电源中已经得到了广泛的应用，所以本设计最后设计了基于TOPSwitch的反激式开关电源的PCB板。

第1章绪论

1．1开关电源的概述

开关电源具有功耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、影音设备、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。

开关电源的工作原理可以用图1.1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调节管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可以得到稳定的直流输出电压U0。

（a）电路图（b）波形图

图1.1开关电源的工作原理

开关电源的基本组成如图1.2所示。

其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输出滤波、输出采样、功能指示等电路[17]。

图1.2开关电源的基本组成

（1）效率高。

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%~90%，高的可达90%以上。

（2）重量轻。

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，体积大大缩小了。

（3）稳压范围宽。

开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在

2%以下。

合理设计开关电源电路，还可以使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。

（4）安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。

（5）功耗小。

由于开关电源的工作频率高，一般在20kHZ以上，因此滤波原件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态下，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围原件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性[3]。

1．2研究课题的目的和意义

开关电源是在电子、通讯、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装备。

它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。

可以说开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术[14]。

根据应用领域和功率等级的不同，开关电源的电路结构种类繁多，控制方法灵活多变，器工程设计包括主电路、控制电路、传热、结构、电磁兼容等多方面内容，因此开关电源的设计工作比较繁琐，难度大。

国内目前仍然以工程经验和仿制为主进行设计，器缺点就是缺少渗入的理论基础，不能根据具体的应用去实现最合理的设计，往往造成设计裕量过大，设计工程中队产品工作状况和实际性能的预见性差，经常出现样机试制不成功而反复修改设计的情况，造成时间和经费的浪费。

因此，开关电源的设计应该在深入理解开关电源电路、控制等基本原则的基础上，在设计原则的指导下，利用设计公式，并遵循一定的设计方法进行设计。

1．3设计内容和要求

绘制开关电源的电路原理图，PCB图，通过该设计，掌握开关电源PCB布线的一般规则，设计TOPSwitch开关电源PCB图。

第2章开关电源设计框图

本设计开关电源需要将生活中直接提供的三相交流220V电源整流得到稳定的直流输出电压，因此本设计总体框架如图2.1所示。

图2.1开关电源设计总框架

图中输入回路的作用是将交流输入电压整流滤波成为较平滑的直流高电压；功率变换器的作用是将直流高电压变换为频率大于20kHz的高频脉冲电压；整流电路及滤波电路的作用是将高频脉冲电压转换为稳定的直流输出电压；开关电源控制器的作用是将输出直流电压进行取样，控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定[5]。

开关电源的主电路主要用于处理电能，而控制电路则主要处理电信号，是“弱电”控制电路，但开关电源中开关器件的工作都是由它控制着，所以控制电路一旦出现失误，将造成严重后果，基本能使整个电源停止工作，甚至损坏开关电源。

开关电源的很多指标（如纹波、输出特性、稳压稳流精度等）也都同控制电路相关。

综上，开关电源控制电路的设计好坏对开关电源的工作性能至关重要，所以应做为开关电源设计的重点工作。

控制电路的结构如图2.2所示。

图2.2控制电路结构框图

（1）驱动电路：

驱动电路时控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性、效率等性能密切相关。

驱动电路需要有很高的快速性，能提供一定的驱动功率，并且有较高的抗干扰和隔离噪声能力。

（2）调节器电路：

调节器的核心是运算放大器，调节器的作用是为了得到控制量将给定量和反馈量进行比较和运算。

多数PWM控制器内部都含有运算放大器，可以构成调节器，但有时其性能难以满足要求，这时可以选用合适的集成运算放大器构成调节器。

（3）并机均流电路：

开关电源经常需要并机组成系统运行，以获得更大的容量和更高的可靠性。

（4）保护电路：

未了保证开关电源在正常和非正常使用的情况下的可靠性，其控制电路中应包含保护电路。

保护电路具备自身和负载保护两方面的功能，一旦出现故障，立即使开关电路停止工作，并以声或光的形式报警，以保证在任何情况下，自身不损坏，并且不损坏负载。

自保护功能有：

输入过电压、输入欠电压、系统过热、过电流等。

负载保护功能有：

输出过电压、输出欠电压等。

第3章开关电源电路的组成

3．1主电路结构的选择

开关电源的隔离型电路包括：

正激型，反激型，半桥型，全桥型和推挽型五种电路。

在这里我们着重讨论前四种电路模型。

正激开关电源是一种采用变压耦合的降压型开关稳压电源，其电路如图3.1所示。

加在电压器N1绕组上的电压振幅等于输入电压Ui，功率开关管VT导通时间TON为开关脉冲宽度，变压器次级侧开关脉冲电压经二极管V1整流为直流。

图3.1正激开关电源电路

这种开关点烟中功率开关管VT导通时，变压器初级绕组励磁电流最大值为

（3-1）

在电流连续的情况下，输出电压表示为

（3-2）

输出电感电流不连续时，是出电压U0将高于（3-2）的计算值，并随负载减小而上高，在负载为零的极限情况下，是出电压表达式为

（3-3）

式中，LN1表示变压器初级绕组N1的电感值；

D表示脉冲占空比；

T表示脉冲开关周期。

正激开关电源的特点是，当初级侧功率开关管VT导通时，电源输入侧的能量由次级侧二极管V1经输出电感L为负载供电；当功率开关管VT断开时，有续流二极管V2继续为负载供电，并有消磁绕组N3和消磁二极管V3将初级绕组N1的励磁能量回馈到电源输入端。

反激开关电源如图3.2所示。

当功率开关管VT导通时，输入侧的电能以磁能的形式储存在电压器的初级线圈N1，由于同名端关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流流过。

当功率开关晶体管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压U0为负载供电，并对变压器进行消磁。

图3.2反激开关电源电路

反激开关变换电路的工作模式分为电流连续模式和电流断续模式。

（1）电流连续模式：

当VT开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。

输出和输入电压的关系为

（3-4）

（2）电流断续模式：

VT开通前，N2绕组中的电流已经下降到零。

其输出电压高于式（3-4）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，U0趋向于无穷。

因此反激电路不能工作在负载开路状态。

反激开关电源电路简单，输出电压U0既可高于输出电压Ui又可低于输出电压Ui，一般适用在输出功率为200W以下的开关的电源中。

半桥开关电源电路及波形如图3.3所示。

两个功率开关管VT1和VT2在开关脉冲信号的作用下，交替地导通与截止。

当开关管VT1导通、VT2截止时，输入电压Ui经VT1、电压器初级绕组N1和电容C2为变压器初级线圈N1励磁，同时经次级侧二极管V1、绕组N2给负载供电。

当开关管VT1截止、VT2导通时、输入电源经C1、电压器初级侧绕组N1和开关管VT2给变压器初级绕组N1励磁，同时经次级侧二极管V2给负载供电。

所以，初级侧电源通过功率开关管VT1、VT2交替给变压器初级线圈N1励磁并为负载供电。

变压器初级侧的脉冲电压峰值为Ui/2。

同样，电容C1、C2上的电压也分别为Ui/2。

（a）电路图

（b）波形图

图3.3半桥式开关电源及波形

当滤波电感L的电流连续时，输出电压的计算公式为

（3-5）

半桥开关电源的最大优点是自平衡能力强，不易使变压器由于VT1、VT2的导通时间不一致而产生磁饱和现象，是功率开关管VT1、VT2损坏。

这是因为，当VT1、VT2导通时间不一致时，变压器初级侧N1绕组的励磁电流大小不一样，致使电容C1、C2上的电压不相等，励磁电流越大，则对应的电容器电压越小，从而起到自平衡对称作用。

但是由于每个功率开关管上的电压只是输入电源电压Ui的一半，因此要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。

300W左右的开关电源多采用半桥式。

全桥开关电源电路及波形如图3.4所示。

由4个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4组成一个电桥形式的电路，其中，有VT1和VT4、VT2和VT3分别组成两个导通回路。

当VT2、VT3的触发控制信号有效时，VT1、VT1的触发控制信号无效，VT2、VT3导通时，输入电压Ui经VT2、变压器的初级线圈N1和VT3形成电路回路，加至变压器初级线圈的电压为电源电压Ui，经次级侧二极管V1整流、滤波后为负载供电。

同理、当VT2、VT3关断时，VT1、VT4导通时，输入电压Ui从和VT2、VT3导通时电流相反的方向为变压器初级线圈N1励磁，并通过次级线圈N2和整流二极管V2为负载供电，这样在次级得到如Up所示的脉冲波形。

（a）电路图

（b）波形图

图3.4全桥开关电源电路及波形

设每对管导通时间为TON，开关周期为T，则在滤波电感电流连续时，输出电压与输入电压的关系表达式为

（3-6）

和半桥开关电源相比，由于加在全桥变压器初级线圈上的电压、电流比半桥开关电源的各大一倍，因此在同样的电源供电电压Ui下，全桥开关电源的输出功率是半桥开关电源的4倍。

全桥开关电源常用在输出功率较大的场合。

各种结构的开关电源的比较如表3.1所示。

表3.1各种结构的开关电源的比较

电路结构

优点

缺点

功率范围

应用领域

正激型开关电源

电路简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单

变压器单向励磁，利用率低

几百瓦~几千瓦

各种中、小功率开关电源

反激型开关电源

电路简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单

难以达到较大的功率，变压器单向励磁，利用率低

几瓦~几十瓦

小功率和消费电子设备、计算机设备开关电源

半桥型开关电源

变压器双向利息，无变压器偏磁问题，开关较少，成本低

有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路

几百瓦~几千瓦

各种工业用开关电源，计算机设备用开关电源等

全桥型开关电源

变压器双向励磁，容易达到大功率

结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题

几百瓦~几千瓦

大功率工业用开关电源、焊接电源、电解电源等

由表可见，正激型开关电源与反激型电源不久就够简单，成本低，而且可靠性高，基本上能满足日常设备开关的电源的要求，所以在下面设计中，主要针对这两种开关电源结构作谈论[17]。

3．2功率模块及功率集成电路

从20世纪80年代中后期开始，在电力电子器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化，即按照典型电力电子电路所需要的电路结构，将多个电力电子器件封装在一个模块中，这样就可以缩小装置的体积，简化布局、不限，降低成本，提高可靠性。

更重要的是，对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。

本设计重点讨论了UC3842和TOPSwitch两种典型的集成电路。

UC3842功能完善，性能可靠，目前广泛被各种普通电源采用，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中，器内部结构如图3.5所示。

图3.5UC3842内部电路框图

UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路，器内部电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存电路、5VC基准电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等[6]。

UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，其功能如下：

（1）输出电路：

图腾柱输出结构，电路1A，驱动MOS管及双极性晶体管。

（2）5V基准电源：

内部电源，经衰减得到2.5V作为误差比较器的比较基准。

（3）误差放大器：

由VFB端输入的反馈电压和2.5V做比较，误差电压COMP用于调节脉冲宽度。

COMP端引出接外部RC网络，以改变增益和频率特性。

（4）欠压锁定电路VVLO：

开通阈值16V，关闭阈值10V。

具有滞回特性。

（5）振荡器：

产生方波振荡。

RT接在4、REF8脚之间，CT接在4、GND5之间。

频率

最大为500Hz。

（6）PWM锁存电路：

保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。

（7）电流取样比较器：

3脚ISENSE用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感器采样每当VISENSE>1V时，关闭输出脉冲，使开关管关断。

这实际上是一个过电流保护电路。

（8）图腾柱输出电路：

输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极，这个晶体管的发射极接下面管子的集电极同时输出；下晶体管的发射极接地。

两个晶体管的基极分别接前级的控制。

就是上下两个输出晶体管，从直流角度看是串联，两晶体管联接处为输出端。

上晶体管导通下晶体管截止，输出高电平；下晶体管导通上晶体管截止，