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开关电源电路图及原理设计

开关电源电路图及原理设计-论文

开关电源电路图及原理设计

目   录

集成开关稳压电源系统设计（摘要）………………………………3

第一章  集成开关稳压电源的发展概况及主要特点……………4

第二章  集成开关稳压电源的设计要点……………………………9

第三章  集成开关稳压电源外围器件的选择………………………18

第四章  TOPSwitch-GX系列的典型应用…………………………27

结 束 语…………………………………………………………34

参考文献……………………………………………………………35

集成开关稳压电源的系统设计

【摘要】开关电源（SwitchModePowerSupply,简称SMPS）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。

目前，开关电源正进入一个蓬勃发展的新时期，各种新技术不断涌现，新工艺被普遍采用，新产品层出不穷。

突出表现在以下几个方面：

开关电源正朝着短、小、轻、薄、单片集成化、智能化、高效节能、绿色环保的方向发展，开关电源的保护电路日趋完善，其电磁兼容性设计也取得了突破性进展，专用计算机软件的问世为开关电源的优化设计提供了便利条件，而开关电源的计算机仿真技术也取得了进展。

所有这些，都为新型开关电源的推广与普及创造了有利条件。

【关键字】EMI滤波电路软启动电路连续模式CUM（ContinuousMode） 不连续模式DUM（DiscontinuousMode） 保护电路 反馈电路 输出电路

第一章集成开关稳压电源的发展概况及主要特点

一集成开关电源的发展概况

 近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。

第一个发展方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。

1977年国外首先研制成功PWM（脉冲宽度调制）控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一批PWM芯片，其典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。

在此基础上，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片，典型产品如UC1825。

   第二个发展方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。

这大致分为两个阶段：

20世纪80年代初，意-法半导体有限公司（SGS-Thomson,简称ST）率先推出L4960系列单片开关稳压器。

ST公司于90年代初又推出了L4970A系列产品，包括L4970A-L4977A。

该公司在1998年还研制出L4978型单片开关式稳压器。

其共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路集成在一个芯片中，但使用时需配工频变压器与电网隔离，适合制作低压可调式输出（5.1-40V），大中功率（400W以下），大电流（1.5-10A）。

高效率，可达90%的开关电源。

但从本质上讲，它仍属于DC/DC电源变换器。

   1994年，美国电源集成（PowerIntegrations,简称PI）公司在世界上率先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，它属于AC/DC电源变换器，其第一代产品为1994年TOPSwitch系列，第二代产品是1997年问世的TOPSwitch-II系列，第三代和第四代产品是在2000年1月和11月相继推出的TOPSwitch-FX,TOPSwitch-GX系列单片开关电源。

该公司还于1998年开发出高效、小功率、低价位的TinySwitch系列微型单片开关电源、2001年又推出了TinySwitch-II系列产品。

   在2002-2004年期间，PI公司最新推出了LinkSwitch系列高效率恒压/恒流式三端微型节能单片开关电源、LinkSwitch-TN系列四端隔离式微型节能单片开关电源、LinkSwitch-HF系列四端隔离式增强型高效微型单片开关电源和DPA-Switch系列高效率单片DC/DC电源变换器。

   此外，意-法半导体有限公司最近也相继开发出如下产品VIPer12A.VIPer22A.VIPer50A.VIPer50B.VIPer53.VIPer100.VIPer100A.和VIPer100B等中、小功率单片开关电源系列产品。

   荷兰飞利浦（Philips）公司于2000年-2004年期间开发的“绿色芯片（GreenChip）”---STARplug产品，采用高电压EZ-HV工艺技术和低电压Bi-CMOS工艺，将模拟、数字与电源电路集成在一个芯片上，为设计各种低功耗、低成本的小型化电源适配器及备用电源提供了解决方案。

该公司先后研制成功TEA1510.TEA1520.TEA1530.TEA1620等系列的单片开关电源，它们属于反激式开关电源。

到目前为止，飞利浦公司在全球以售出1亿块绿色芯片，广泛应用于电视机电源到笔记本适配器等各个领域。

 表1-1通用型单片开关电源的产品分类

第一代产品 第二代产品 第三代产品 第四代产品

TOPSwitch系列 TOPSwitch-Ⅱ系列 TOPSwitch-FX TOPSwitch-GX

TOP100/TOP200 TOP221-TOP227 TOP232-TOP234 TOP242-TOP250

1994年 1997年 2000年1月 2000年11月-2002年1月

三端器件 三端器件 五端器件适配微控制器（MCU） 六端/五端器件适配微控制器（MCU）

最大输出功率Pom≤150W 最大输出功率Pom≤150W Pom≤75W Pom≤290W

开关频率f=100Hz 开关频率f=100Hz f=130kHz/65kHz f=132kHz/66kHz

交流电压输入范围u=85v-265V

电源效率n=80%左右

表1-2微型单片开关电源的产品分类

第一代产品 第二代产品

TinySwitch系列 TinySwitch-Ⅱ系列

NTY253-NTY255 NTY256 NTY264-NTY268

1998年 1999年 2001年3月

四端器件

Pom≤10W Pom≤19W Pom≤23W

f=44kHz f=130kHz F=132kHz

表1-3 4种高效节能型单片开关电源的产品分类

LinkSwtich系列 LinkSwtich--TN系列 LinkSwtich--H系列 DPA--Swtich

恒压/恒流式单片开关电源 隔离式、节能型单片开关电源 隔离式、增强型单片开关电源 单片DC/DC电源变换器

LNK500-LNK501-LNK520 LNK304P-LNK306 LNK353-LNK354 DPA423-DPA426

2004年9月 2004年9月 2004年8月 2003年4月

三端器件 四端器件 四端器件 六端器件

Po<5.5W Io<360mA Po<5W Po<100W

f=42kHz f=66kHz f=200kHz f=400kHz/300kHz

美国安森美（Onsemi）半导体公司也相继开发出NPC1000.NPC1050.NPC1200系列单片开关电源。

最大输出功率为40W，可广泛用于电器的辅助电源和便捷式电池充电器、调制解调器、消费类电子产品的备用电源。

二开关电源的主要特点

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、能够成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等特点。

目前，单片开关电源已形成15大系列100多种型号的产品。

三集成开关电源的应用领域

   单片开关电源一经问世便显示出强大的生命力，目前以成为国际上开发290W以下中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。

由它构成的开关电源，在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量大约可减小1/3-1/2，展示了良好的应用前景。

   单片开关电源的主要应用领域如下：

（1）通用开关电源

      各种通用开关电源：

      开关电源模块：

      精密开关电源模块：

      智能化开关电源模块：

（2）专用开关电源。

      微机、USB接口电源、彩电、录象机（VCR）、摄录象机（CVCR）、个人数字助理（PDA）、LCD监视器、DVD刻录驱动器等高档家用电器中的待机电源

       电子仪器仪表中的电源：

      调制解调器电源：

   IC卡付费电度表中的小型化开关电源模块：

   机顶合（Set-topBox）电源：

   手机、MP3、DVD播放器的电池充电器：

   AC/DC电源适配器、辅助电源等。

  （3）特种开关电源

   复合型开关电源：

  恒压/恒流型开关电源：

   截流输出型开关电源：

   恒功率输出型开关电源；

   功率因数校正器（PFC）:

   其它类型的特种开关电源。

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集成开关稳压电源的种类

 现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：

性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。

在使用上自动化程度越来越高。

在体积上，要日趋小型化。

这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。

所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。

（1） 按激励方式划分  

  他激式

电路中转设激励信号的振荡器  

  自激式

 开关管兼作振荡器中的振荡管  

（2） 按调制方式划分  

  脉宽调制型 

 振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

 频率调制型

   占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

  混合调制型

   通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

（3）按开关管电流的工作方式划分

   开关型

   用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

 谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

（4）按开关晶体管的类型划分

   晶体管型

   采用晶体管作为开关管

    可控硅型

   采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分。

（5）按储能电感与负载的连接方式划分

     串联型

   储能电感串联在输入与输出电压之间。

     并联型

   储能电感并联在输入与输出电压之间。

（6）按晶体管的连接的连接方式划分

     单端式

   仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高。

 推挽式

   使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。

这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头。

     半桥式

   使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。

它的特点是适应于输入电压较高的场合。

     全桥式

   使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。

它的特点是输出的功率比较大。

（7）按输入与输出的电压大小划分

     升压式

   输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

     降压式

   输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。

（8）按工作方式划分

     可控整流型

   所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。

（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。

）在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。

依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。

 斩波型

   斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。

电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的。

     隔离型

   这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。

电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。

这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

（9）按电路结构划分

     散件式

   整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

 集成电路式

   整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。

有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。

这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

彩色电视机中常采用这种开关电源。

以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。

尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。

第二章集成开关稳压电源的设计要点

设计一个高性价比的开关电源，所涉及的知识面很广。

设计人员不仅要掌握各种单片开关电源集成电路的工作原理和应用电路，还必须了解有关通用及特种半导体器件、模拟与数字电路、电磁兼容性、热力学等方面的知识。

本章详细阐述单片开关电源的设计要点及外围关键元器件的选择。

一集成开关电源设计概述

下面首先介绍单片开关电源两种工作模式的特点及设定方法，然后阐述反馈电路的4种基本类型。

1.1集成开关电源的两种工作模式

（1）连续模式及不连续模式的特点

单片开关电源有两种基本工作模式：

一种是连续传输模式CUM（ContinuousMode），简称连续模式；另一种是不连续传输模式DUM（DiscontinuousMode），简称不连续模式。

这两种模式的开关电流波形分别如图2-1a.b所示。

 连续模式的特点是高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量存储状态开始的。

连续模式的开关电流先从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零，其开关电流波形呈梯形，参见图2-1a。

此时，一次绕组脉动电流（Ir）与峰值电流（Ip）的比例因数Krp<1.0，即   

Ir=KrpIp

这表明在连续模式下，由于存储在高频变压器的能量在每个开关周期内并未完全释放掉，因此下一个开关周期具有一个初始能量。

采用连续模式可减小一次绕组峰值电流Ip和有效值电流IRms，降低芯片的功耗。

但连续模式要求增大一次绕组的电感量Lp，这会导致高频变压器的体积增大。

综上所述，连续模式适用于功率较小的TOPSwitch和尺寸较大的高频变压器。

不连续模式的特点是，存储在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉，其开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零，其开关电流的波形呈三角形，参见图2-1b.此时Krp=1.0,即

Ir=Ip                                   （2-2）

不连续模式下的Ip.Irms值较大，但所需要的Lp较小。

因此，它适合于采用输出功率较大的TOPSwitch芯片，配尺寸较小的高频变压器。

（2）工作模式的设定

利用IR与Ip的比例关系，亦即KRP的数值，可以定量的描述单片开关电源的工作模式。

KRP的取值范围是0-1.0。

若取IR=Ip，即KRP=1.0，就将开关电源设定在不连续模式。

当IR

具体讲，这又分两种情况：

（1）当0

（2）理想情况下，IR=0.KRP=0，表示处于绝对连续模式，或称为极端连续模式，此时一次绕组电感量Lp--∞，而一次绕组开关电流呈矩形波。

实际上在连续模式与不连续模式之间并无严格界限，而是存在一个过渡过程。

对于给定的交流输入电压范围，KRP值较小，就意味着更为连续的工作模式和相对较大的一次绕组电感量，并且一次绕组的Ip和Irms值较小，此时可选用功率较小的TOPSwitch芯片和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。

反之，KRP值较大，就表示连续程度较差，一次绕组电感量较小，而Ip与一次绕组有效值电流Irms较大，此时须采用功率较大的TOPSwitch芯片，配尺寸较小的高频变压器。

综上所述，选择KRP值就能设定开关电源的工作模式。

设定过程为：

Lp上升导致IR

对于85-265V宽范围输入或230V固定输入的交流电压，选择KRP=0.6-1.0比较合适。

1.2单片开关电源反馈电路的4种基本类型

   单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有4种基本类型：

1.基本反馈电路：

2.改进型基本反馈电路：

3.配稳压管的光耦反馈电路：

4.配TL431的光耦反馈电路。

它们的简化电路如下2-2a-d所示。

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图2-2反馈电路的4种基本类型

                       a.基本反馈电路             b.改进型基本反馈电路

                       c.配稳压管的光耦反馈电路   d.配TL431的光耦反馈电路

图a;为基本反馈电路，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，电压调整率Sv=+-1.5%～+-2.5%，负载调整率S1=+-55。

   图b;为改进型基本反馈电路，只需增加一只稳压管VS和电阻R1，即可使负载调整率达到正负2.5%。

VS的稳定电压一般为22V，必须相应增加反馈绕组的匝数，以获的较高的反馈电压Ufb，满足电路的需要。

   图c;为配稳压管的光耦反馈电路。

由VS提供参考电压Uz，当输出电压U0发生波动时，在光耦内部的二极管上可获得误差电压。

因此，该电路相当于给TOPSwitch增加了一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对Uo进行调整。

这种反馈电路能使电压调整率达到正负1%以下。

  图d;为配TL431的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。

这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对Uo做精细调整，可使电压调整率和负载调整率均达到正负0.2%，能与线性稳压电源相媲美。

这种反馈电路适于构成精密开关电源。

 在设计单片开关电源时，应根据实际情况来选择合适的反馈电路，才能达到规定的技术指标.

二集成开关稳压电源保护电路的设计

 为使单片开关电源能够长期稳定、安全可靠的工作，必须设计各种类型的保护电路，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。

下面首先介绍单片开关电源保护电路的分类，然后重点阐述输出过电压保护电路，输入嵌电压保护和软启动电路的设计。

  保护电路的分类

单片开关电源的保护电路可分为两大类。

第一类是芯片内部的保护电路，例如TOPSwitch系列中的过电流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启电路、前沿闭锁电路。

第二类是外部保护电路。

主要包括过电流保护装置（如熔丝管、自恢复熔丝、熔断电阻等）、电磁干扰（EMI）滤波器、启动限流保护电路、漏级钳位保护电路（或R.C.VD）吸收电路。

输出过电压保护电路、输入欠电压保护电路、软启动电路、散热装置。

其中，内部保护电路是由芯片厂家设计的，外部保护电路由用户自己设计。

下面重点介绍输出过电压保护电路、输入欠电压保护电路和软启动电路的设计。

1.1输出过电压保护电路的设计

 （1.由分立式晶闸管构成的输出过电压保护电路

   电路如图2-3所示。

这里是用两只PNP和NPN型晶体管VT1.VT2，来构成分立式晶闸管（SCR），其中三个电级分别为阳极A，阴极K，门级G。

反馈电压Ufb经稳压管VS2和电阻R1分压后提供门级电压Ug。

正常情况下Ug较低，SCR关断当二次侧出现过电压时，Uo上升导致Ufb上升Ug也上升，就触发SCR并使之导通，进而使控制端电压Uc变低，将TOPSwitch系列单片开关电源关断，起到保护作用。

稳压管VS2的稳定电压与VT2的发射结电压之和等于（Uz2+Ube2），当Ufb>Uz2+Ube2时，就进行过电压保护。

  2.由双向触发二极管构成的输出过电压保护电路

双向触发二极管也称两端交流器件（DIAC），其结构及特性如图2-4所示。

它属于具有对称性的两端器件，可等效于基极开路、发射极与集电极完全对称的NPN晶体管。

由于正、反伏安特性完全对称，当DIAC两端电压U小于正向转折电压Ubo时，器件为高阻状态；当U>Ubo时DIAC就导通。

同理，当U超过反向转折电压Ubr时，管子也能导通。

正、反向转折电压的对称性可用△Ub表示，一般要求变化的Ub=Ubo-Ubr<2V。

因为双向触发二极管的结构简单，价格低廉，所以常用来构成过电压保护电路，并适合于触发双向晶闸管（TRIAC）。

        图2-3由分立式SCR构成的输出过电压保护电路   图2-4双向触发二极管的结构,符号及等效电路

                                                            a结构 b符号c等效d电路特性曲线

由双向触发二极管构成的输出过电压保护电路如图2-5所示，一旦输出过电压，使Ufb超过了DIAC的转折电压时，DIAC就导通，将光敏晶体管的Uce电压进行钳位，使Uc降低，TOPSwitch被关断。

图中使用一只MBS4991型双向触发二极管，其正。

反向转折电压均为10V，最大导通电流为2A，功耗为0.5W。

R为限流电阻。

  3.由稳压管构成的输出过电压保护电路

   电路如图2-6所示。

这里使用一只1N5231B型5.1V、20mA的稳压管来限制输出电压值。

当光敏晶体管损坏或二次绕组开路时，也能起到保护作用。

1N5231B可用国产稳压管2CW340代替。

     图2-5由DIAC构成的输出过电压保护电路                 图2-6由稳压管构成的输出过电压保护电路

1.2接地技术

“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。

“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

a.设备的信号接地

   设备的信号接地可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点。

它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

在这里介绍浮地和混合接地，另外还有单点接地和多点接地。

（1）浮地

采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来，浮地还可以使不同电位间的电路配合