小功率DCDC变换器初步设计毕业设计论文.docx

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小功率DCDC变换器初步设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

课题:

小功率DC/DC变换器初步设计及调试

学生:

系部:

电子信息系

班级:

学号:

指导教师:

装订交卷日期:

毕业设计（论文）成绩评定记录表

指导教师评语（包含学生在毕业实习期间的表现）:

成绩（平时成绩）:

指导教师签名：

年月日

评阅教师评语：

成绩（评阅成绩）:

评阅教师签名：

年月日

答辩情况记录:

答辩成绩:

答辩委员会主任（或答辩教师小组组长）签名:

年月日

总评成绩:

注：

1.此表适用于参加毕业答辩学生的毕业设计（论文）成绩评定；

2.平时成绩占20%、卷面评阅成绩占50%、答辩成绩占30%，在上面的评分表中，可分别按20分、50分、30分来量化评分，三项相加所得总分即为总评成绩，总评成绩请转换为优秀、良好、中等、及格、不及格五等级计分。

教务处制

毕业设计（论文）成绩评定记录表

指导教师评语（包含学生在毕业实习期间的表现）:

成绩（平时成绩）:

指导教师签名：

年月日

评阅教师评语：

成绩（评阅成绩）:

评阅教师签名：

年月日

总评成绩:

注：

1.此表适用于不参加毕业答辩学生的毕业设计（论文）成绩评定；

2.平时成绩占40%、卷面评阅成绩占60%，在上面的评分表中，可分别按40分、60分来量化评分，二项相加所得总分即为总评成绩，总评成绩请转换为优秀、良好、中等、及格、不及格五等级计分。

教务处

重庆电子工程职业学院电子信息系

毕业设计（论文）、毕业实习报告

任务书

学生

姓名

吴娱

班级

应电082

学号

2008220352

联系电话

136********

电子邮箱

wuy.u@

课题

题目

小功率DC/DC变换器初步设计及调试

型式

毕业设计●

毕业论文○

总结报告○

任务

来源

●

○

○

完成时间

任务下达

2010年2月20日

开题报告

2011年2月26日

定稿交卷

2011年3月20日

毕业答辩

月日

指导教师

姓名

童贞理

电子邮箱

53242097@QQ.com

联系电话

（办）

要求完成的主要任务内容：

本次设计了一种实用的DC/DC30W开关稳压电源电路，该电源采用单端反激型电路结构，输出纹波较小，效率高，而且磁绕组匝数少，减小了变压器体积。

应用电流型PWM控制器TOP225Y，提高了电源的动态响应速度，引入了过压、过流、保护，使电路能可靠工作。

课题目的意义和主要技术指标：

本设计介绍了PWM/MOSFET二合一的TOPSwitch系列集成电路，分析了单端反激变换器的工作原理。

并结合到设计对象的实际情况选用了Buck技术来进行模块的设计。

设计了一个30W低压大电流的电源模块，详细的设计步骤以及样品的调试，及测试结果。

设计过程中选用了TOPSwitch-ⅡPWM控制芯片作为模块的驱动部分，并以此芯片为基础与TL431线性稳压器和PC817A光电耦合器构成电路的反馈补偿网络。

主要文献、资料和参考书

[1]刘征宇编著.电子电路设计与制作.福建：

福建科学技术出版社，2004

[2]孙余凯、项绮明等编著.电子产品制作与技能实训教程.北京：

电子工业出版社，2006

[3]周雪主编.模拟电子技术.西安：

西安电子科技大学出版社，2002

[4]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用.北京：

电子工业出版社，2001

[5]王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术.北京：

电子工业出版社，1999

[6]ConversionDevice公司.SR系列DC/DC变换器专门手册，1999

[7]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例.北京：

人民邮电出版社

[8]沙占友.单片开关电源计算机辅助设计软件与应用.北京：

机械工业出版社

[9]RaymondA.Mack，Jr.开关电源入门.北京：

人民邮电出版社

[10]倪海东.高频开关电源集成控制器.

[11]SamsungPowerSwitch公司样本

[12]PI公司产品样本，1999～2000

[13]柏松,陆鸣.TOPSwitch器件在电源中的应用[J].电源技术应用,2001;4（1-2）:

19-23.

[14]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京:

电子工业出版社,2001.

[15]张占松.高频开关稳压电源[M].广州:

广东科技出版社,1992.

[16]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:

电子工业出版社,1998

审批:

教研室主任系主任二○○年月

重庆电子工程职业学院

毕业设计（论文）开题报告

系 别电子信息系专业应用电子技术班级082班

学生姓名吴娱学号2008220352指导教师童贞理

一、毕业设计的内容和意义：

本次设计了一种实用的DC/DC30W开关稳压电源电路，该电源采用单端反激型电路结构，输出纹波较小，效率高，而且磁绕组匝数少，减小了变压器体积。

应用电流型PWM控制器TOP225Y，提高了电源的动态响应速度，引入了过压、过流、保护，使电路能可靠工作。

总之，该电源体积小、重量轻、纹波较小，效率较高，输出电压稳定度高，源效应和负载效应较小，保护电路较为完善,适用于功率小、要求体积小、效率高的场合。

本设计介绍了PWM/MOSFET二合一的TOPSwitch系列集成电路，分析了单端反激变换器的工作原理。

并结合到设计对象的实际情况选用了Buck技术来进行模块的设计。

设计了一个30W低压大电流的电源模块，详细的设计步骤以及样品的调试，及测试结果。

设计过程中选用了TOPSwitch-ⅡPWM控制芯片作为模块的驱动部分，并以此芯片为基础与TL431线性稳压器和PC817A光电耦合器构成电路的反馈补偿网络。

二、文献综述：

随着微电子技术和现代控制理论的发展。

利用开关电源技术以及集成技术，我们可以将一个完整的电源系统集成到一个较小的空间内，得到一个高功率密度、高效率、高可靠性的电源模块。

除了模块化、小型化的发展趋势外，标准化要求也日渐提高。

我们可以将电源模块作为一个类似电阻的有着标准外形封装尺寸的元器件直接安装到电路板上来使用,无须或只须加一些少量的元器件即可完成向系统供电。

本次论文是根据正在实习的工作上接触到的东西来设计的，设计实施之前预先设计了2个方案，并通过工作上师傅的帮助选择了其中各方面较好的方案设计出了一种实用的DC/DC30W开关稳压电源电路。

这个设计方案总共用了3个芯片，分别为TOP-Switch225YAIPWM控制器芯片、TL431线性稳压器、PC817A光电耦合器，外围元器件很少，只有14只。

电路封帽完成后，对电路的电参数（三温条件下：

25℃，-85℃，105℃）也进行了详细的测试，测试出电路的功能是否正常，性能是否达到最初的预测。

经过一系列的测试，电路也达到了最初所预定的要求：

功能正常，电参数都在所要求的范围之类。

三、工作计划及方案论证：

方案一：

设计成串联型线性稳压电路，串联型线性稳压电源一般由六部分组成，即降压变压器、整流滤波、取样电路、基准电压、比较放大电路和调整元件，原理框图如图1-1所示。

图1-1串联型线性稳压电源框图

方案二：

开关型直流稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

它的电路形式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等。

基本的开关型直流稳压电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路（如图1-2所示）。

图1-2开关型直流稳压电源

1.2.2方案的选择

方案一：

串联型稳压电源的调整管工作在线性放大区，通常集射极电压大于3V以上，因此管耗大，电源效率低40%-60%。

但为了保护通电时，稳压器发热不会烧坏，又考虑到散热片体积大。

方案二：

开关稳压电源，使调整管工作在开关状态，即调整管工作在饱和和截止两种状态，饱和时UCE趋近于0V，截止时IC趋近于0A，故管耗很小，电源效率可提高到80%-90%。

方案一与方案二比较，方案二具有以下的特点：

（1）它属于DC-DC式开关电源变换器，能将90V-260V的直流电源电压变换成与之隔离的+5V、6A（30W）的直流稳压输出；

（2）电源效率高，可达90﹪；

（3）通用性强。

可用作传真机、激光打印机、终端视频监视器的电源，并能构成不间断电源。

对电路稍加改进后，既可形成系列产品；

（4）效率变换时可以不用考虑能量的损耗；

（5）采用开关电源模块，能大大减小体积与重量。

（6）模块中采用一片TOPSwitch-Ⅱ型三端单片开关电源（内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路），外围电路简单，成本非常低。

（7）精度高，可以作为高档仪器的精密电源。

随着微电子技术和现代控制理论的发展。

电力电子装置中所需的控制电源容量越来越小。

而不同电压等级的稳压电源的数量确要求越来越多。

且各组之间要严格绝缘隔离，输入电压一般都是从交流市电直接整流而得，输入电压的适用范围越来越大，对可靠性要求越来越高。

因此对于电力电子装置中的控制电源，选择单端反激式是最佳的方案。

开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。

它仅用了3个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压,用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起了。

采用TOPSwitch器件的开关电源与分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制的开关电源相比，具有电路结构简洁、成本低廉、性能稳定、制作及调试方便,自保护完善等优点。

故该设计采取方案二。

四、参考文献：

[1]刘征宇编著.电子电路设计与制作.福建：

福建科学技术出版社，2004

[2]孙余凯、项绮明等编著.电子产品制作与技能实训教程.北京：

电子工业出版社，2006

[3]周雪主编.模拟电子技术.西安：

西安电子科技大学出版社，2002

[4]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用.北京：

电子工业出版社，2001

[5]王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术.北京：

电子工业出版社，1999

[6]ConversionDevice公司.SR系列DC/DC变换器专门手册，1999

[7]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例.北京：

人民邮电出版社

[8]沙占友.单片开关电源计算机辅助设计软件与应用.北京：

机械工业出版社

[9]RaymondA.Mack，Jr.开关电源入门.北京：

人民邮电出版社

[10]倪海东.高频开关电源集成控制器.

[11]SamsungPowerSwitch公司样本

[12]PI公司产品样本，1999～2000

[13]柏松,陆鸣.TOPSwitch器件在电源中的应用[J].电源技术应用,2001;4（1-2）:

19-23.

[14]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京:

电子工业出版社,2001.

[15]张占松.高频开关稳压电源[M].广州:

广东科技出版社,1992.

[16]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:

电子工业出版社,1998

五、指导教师意见：

     指导教师（签字）        日期：

六、审查意见：

摘要

利用开关电源技术以及集成技术，我们可以将一个完整的电源系统集成到一个较小的空间内，得到一个高功率密度、高效率、高可靠性的电源模块。

除了模块化、小型化的发展趋势外，标准化要求也日渐提高。

我们可以将电源模块作为一个类似电阻的有着标准外形封装尺寸的元器件直接安装到电路板上来使用,无须或只须加一些少量的元器件即可完成向系统供电。

这种模块化、标准化的电源为系统设计提供了方便,同时显著地减少了所占电路板和系统设备的空间,减轻了产品的重量和体积;另外由于其效率高，整个产品系统的温升得到大大降低,从而使得系统的可靠性得到大大提高。

尤其是基于模块化的分布式电源技术，采用多模块冗余并联，当电源系统中某个模块出现故障时，可以在断开故障模块的同时由其他的模块继续供电，从而实现了不间断供电，也方便了电源系统的检修工作，使整个电源系统具有极高的稳定性和可靠性，综上所述，模块化电源正是当今开关电源的发展方向。

本次设计了一种实用的DC/DC30W开关稳压电源电路，该电源采用单端反激型电路结构，输出纹波较小，效率高，而且磁绕组匝数少，减小了变压器体积。

应用电流型PWM控制器TOP225Y，提高了电源的动态响应速度，引入了过压、过流、保护，使电路能可靠工作。

总之，该电源体积小、重量轻、纹波较小，效率较高，输出电压稳定度高，源效应和负载效应较小，保护电路较为完善,适用于功率小、要求体积小、效率高的场合。

本设计介绍了PWM/MOSFET二合一的TOPSwitch系列集成电路，分析了单端反激变换器的工作原理。

并结合到设计对象的实际情况选用了Buck技术来进行模块的设计。

设计了一个30W低压大电流的电源模块，详细的设计步骤以及样品的调试，及测试结果。

设计过程中选用了TOPSwitch-ⅡPWM控制芯片作为模块的驱动部分，并以此芯片为基础与TL431线性稳压器和PC817A光电耦合器构成电路的反馈补偿网络。

TOP-Switch是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，在100W以下的开关电源中有很好的应用前景。

采用该系列控制器设计的电路有许多优点：

（1）外围元器件很少,体积可以做得很小，使用方便

（2）很容易实现输入、输出隔离（3）工作电压宽,效率高。

作为在一个生产厂家工作的实习生来说，单独考虑电路的优点还不够，电路在批量生产中，特别是二次集成电路，因元器件特征参数离散型较大的原因，对批量产品特性影响较大。

所以介绍了如何对调试方法进行优化，解决生产瓶颈问题，提高生产效率。

关键词：

DC/DC变换器功率变换脉宽调制隔离反馈生产效率

第1章总体方案设计

1.1设计任务与要求

1.1.1设计任务

小功率DC-DC使用范围广，可靠性高。

通过对小功率DC-DC初步设计，可深入掌握小功率DC-DC设计思路和调试方法。

在批量生产中，特别是二次集成电路，因元器件特征参数离散型较大的原因，对批量产品特性影响较大。

通过调试方法的优化，解决生产瓶颈问题，提高生产效率。

1.1.2设计要求

设计一个带变压器隔离的单端反激式DC-DC电源模块，具有以下设计要求：

直流输入电压范围：

VI=90V～260V

直流输出电压（IO=6A）：

VO=5V±2%

连续输出功率：

PO=30W

电压调整率（VI从90V变化到260VDC）：

SV=±3%

负载调整率（IO从0.1A变化到6A）：

SI=±3%

电源效率（VI=160VDC,IO=6A）：

η=80%

输出纹波电压的最大值：

≤±60mV

1.2方案的选择与论证

1.2.1DC-DC变换器总体设计方案

方案一：

设计成串联型线性稳压电路，。

串联型线性稳压电源一般由六部分组成，即降压变压器、整流滤波、取样电路、基准电压、比较放大电路和调整元件，原理框图如图1-1所示。

图1-1串联型线性稳压电源框图

方案二：

开关型直流稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

它的电路形式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等。

基本的开关型直流稳压电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路（如图1-2所示）。

图1-2开关型直流稳压电源

1.2.2方案的选择

方案一：

串联型稳压电源的调整管工作在线性放大区，通常集射极电压大于3V以上，因此管耗大，电源效率低40%-60%。

但为了保护通电时，稳压器发热不会烧坏，又考虑到散热片体积大。

方案二：

开关稳压电源，使调整管工作在开关状态，即调整管工作在饱和和截止两种状态，饱和时UCE趋近于0V，截止时IC趋近于0A，故管耗很小，电源效率可提高到80%-90%。

方案一与方案二比较，方案二具有以下的特点：

（1）它属于DC-DC式开关电源变换器，能将90V-260V的直流电源电压变换成与之隔离的+5V、6A（30W）的直流稳压输出；

（2）电源效率高，可达90﹪；

（3）通用性强。

可用作传真机、激光打印机、终端视频监视器的电源，并能构成不间断电源。

对电路稍加改进后，既可形成系列产品；

（4）效率变换时可以不用考虑能量的损耗；

（5）采用开关电源模块，能大大减小体积与重量。

（6）模块中采用一片TOPSwitch-Ⅱ型三端单片开关电源（内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路），外围电路简单，成本非常低。

（7）精度高，可以作为高档仪器的精密电源。

随着微电子技术和现代控制理论的发展。

电力电子装置中所需的控制电源容量越来越小。

而不同电压等级的稳压电源的数量确要求越来越多。

且各组之间要严格绝缘隔离，输入电压一般都是从交流市电直接整流而得，输入电压的适用范围越来越大，对可靠性要求越来越高。

因此对于电力电子装置中的控制电源，选择单端反激式是最佳的方案。

开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电子电气、控制、计算机等许多领域的电子设备中得到了广泛的使用。

它仅用了3个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有高压N沟道功率MOS场效应管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压,用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能块等全部集成在一起了。

采用TOPSwitch器件的开关电源与分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制的开关电源相比，具有电路结构简洁、成本低廉、性能稳定、制作及调试方便,自保护完善等优点。

故该设计采取方案二。

第2章单元模块设计

2.1设计基础

2.1.1DC-DC变换器的基本手段

把直流电压变换为另一数值的直流电压最简单办法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。

用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（L或/和C）的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电压，这就是DC-DC的基本手段，类似于“斩波作用”。

2.1.2PWM控制方式

如图2-6所示一个周期T内，电子开关接通时间ton所占整个周期T的比例，称接通占空比D，D=ton/T；断开时间toff所占T比例，称断开占空比D′，D′=toff/T。

很明显，接通占空比越大，负载上电压越高；1/T=FS称开关频率，FS越高，负载上电压也越高。

这种DC-DC变换器中的开关都在某一固定频率下（如几百千赫兹）工作，这种保持开关频率恒定，但改变接通时间长短（即脉冲的宽度），使负载变化时，负载上的电压变化不大的方法，称脉宽调制法（PulseWidthModulation简称PWM）。

2.1.3DC-DC变换器的原理框图

图2-1DC-DC变换器的原理框图

开关稳压电源结构框图如图2-1所示。

它由九部分组成，其中，取样电路、比较电路、基准电路，在组成及功能上都与普通的串联型稳压电路相同；不同的是增加了开关控制器（PWM）、开关调整管和续流滤波等电路。

（1）开关调整管：

在开关脉冲的作用下，使调整管工作在饱和和截止状态，输出断续的脉冲电压，如图2-2所示。

开关调整管采用大功率管。

设闭合时间为Ton，断开时间为T0ff,则工作周期为T=Ton+Toff。

负载上得

图2-2脉冲电压Uso波形

到的电压为：

UO=

（2-1-1）

等式（2-1-1）中，Ton/T称占空比，用δ表示，即在一个通短周期T内，脉冲持续导通时间Ton与周期T之比值。

改变占空比的大小就可以改变输出电压UO的大小。

（2）滤波器：

把矩形脉冲变成连续的平滑直流电压UO。

（3）PWM控制器：

控制开关管导通时间长短，从而改变输出电压高低。

（4）功率变换：

通过变压器来实现直流电压的变换。

2.1.4特殊器件介绍

（1）三端单片开关电源芯片

TOPSwitch-Ⅱ的管脚排列如图2-3所示。

TOPSwitch-Ⅱ封装自带小散热板，属于典型的三端器件。

TOPSwitch-Ⅱ的三个管脚分别为控制端C（CONTROL）、源极S（SOURCE）、漏极D（DRAIN）。

其中控制端的作用有4个：

图2-3TOPSwitch-Ⅱ实物图

第一：

利用控制电流IC的大小来调节占空比D，当IC从6.0mA减到2.0mA时，D就由1.7%增至67%，比例系数（即脉宽调制增益）为（2-2-2）

（2-1-2）

第二：

它与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流；

第三：

该端还作为电源支路和自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率；

第四：

对控制回路进行补偿。

控制电压VC的典型值为5.7V，极限电压Vcm=9V，控制端最大允许电流Icm=100mA。

漏极与片内功率开关管的漏极连通，漏-源击穿电压VDS≥700V。

源极S则接内部功率开关管的源极，还与小散热片连通，作为初级电路的公共地。

TOPSwitch-Ⅱ的内部框图如图2-4所示。

主要包括10部分：

①控制电压源；②带隙基准电压源；③振荡器；④并联调整器/误差放大器；⑤脉宽调制器；⑥门驱动级和输出级；⑦过流保护电路；⑧过热保护及上电复位电路；⑨关断/自动重启动电路；⑩高压电流源。

图2-4TOPSwitch-Ⅱ的内部框图

图2-5TOPSwitch-Ⅱ工作原理

（a）正常操作（b）自动重启动

图2-5中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。

RA与CA构成截止频率为7KHZ的低通滤波器。

TOPSwitch-Ⅱ的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。

举例说明，当输出电压UO↑时，经过反馈电路使得IC↑→D↓→UO↓,最终使UO不变。

下面分别介绍各单元电路的工作原理。

1.控制电压源

控制电压VC能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压（以下简称偏压），而控制端电流IC则能调节占空比。

在C-S极间接一只47μF旁路电容CT,即可为门驱动级供给电流，并且由它决定自动重启动频率，同时控制环路补偿。

VC有两种工作模式，一种是滞后调节，用于启动和过载这两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。

刚启动电路时由高压电源提供控制端电流IC，以便给控制电路供电并且对CT充电。

正常启动波形如图A所示，图中，VD表示漏极电压。

当VC首次达到5.7V时高压电流源被关断，脉宽调制器和功率MOSFET开始工作。

此后，IC改由反馈电路来提供。

当加到控制端的反馈电流超过所需电流值时，就通过并联调整器进行分流，确保VC=5.7V（典型值）。

ZC与外部阻容元件共同决定控制环路的补偿特性。

自动重启动电路中的比较器具有滞后特性，它通过控制高压电