topswitc GX开关电源设计07讲义.docx

topswitc GX开关电源设计07讲义.docx

《topswitc GX开关电源设计07讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《topswitc GX开关电源设计07讲义.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

topswitcGX开关电源设计07讲义

课程设计说明书

题目

（院）系电气信息学院

专业班级学号

学生姓名

指导老师姓名

完成日期年月日至年月日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：

电力电子技术

题目：

TopSwitchGX开关稳压电源设计

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导老师：

审批：

任务书下达日期年月日

设计完成日期年月日

设计内容与设计要求

一．设计内容：

1．电路功能：

1）电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到20~50KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流；

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：

工频整流滤波、功率变换（高频逆变）、高频整流滤波。

控制电路主要环节：

脉冲发生电路、topswitchGX控制芯片、电压电流检测单元、驱动电路。

3）功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护

2.系统总体方案确定

3.主电路设计与分析

1）确定主电路方案

2）主电路元器件的计算及选型

3）主电路保护环节设计

4.控制电路设计与分析

1）检测电路设计

2）功能单元电路设计

3）触发电路设计

4）控制电路参数确定

二．设计要求：

1．用TopSwitchGX系列控制芯片产生脉冲

2．设计思路清晰，给出整体设计框图；

3．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

4．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。

5．绘制总电路图

6．写出设计报告；

主要设计条件

1．设计依据主要参数

电源性能指标为：

输出电压为12V，输出功率为30W，2.5A,输出纹波不大于50mVpp，输入电压范围为85～265V交流，环境温度为50℃，满载时可达到标称效率80％。

2.可提供实验与仿真条件

说明书格式

1．课程设计封面；

2．任务书；

3．说明书目录；

4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；

5．单元电路设计（各单元电路图）；

6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。

7．总结与体会；

8．附录（完整的总电路图）；

9．参考文献；

11、课程设计成绩评分表

进度安排

第一周星期一:

课题内容介绍和查找资料；

星期二:

总体电路方案确定

星期三:

主电路设计

星期四:

控制电路设计

星期五:

控制电路设计；

第二周星期一:

控制电路设计

星期二：

电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:

写设计报告，打印相关图纸；

星期五下午:

答辩及资料整理

概述

电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。

目前用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。

线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，器稳压性能好，输出纹波电压小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。

开关电源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。

开关电源的内部关键器件工作在高频开关状态。

本身消耗的能量很低。

能源效率可达70%~90%，比普通的线性电源提高近一倍。

开关电源也称无工频变压器的电源。

它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究和开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

设计总体思路基本原理和框图

交流输入电路后，经过滤波电路，然后进行整流输出，通过TOPSwitch来控制变压器的通断，变压器导通后经过整流滤波后输出，为了是输出电压稳定，再接一级79LS12使输出电压更加稳定。

为了使输出电压稳定，采用反馈电路在输出端通过分压电阻采集电压再和TL431进行比较，再通过光耦进行隔离，来控制TOPSwitch的输出占空比，以实现电压的实时调整。

单元电路设计（各单元电路图）

1、输入电路

输入电路为了滤除从电网带来的纹波和干扰采用电容C2和共模扼流线圈。

同时使用了保险丝F1防止功率过大或者短路烧坏器件。

在输入端并联了压敏电阻防止过电压和欠电压。

同时采用了温敏电阻。

然后再通过整流桥把交流电整为直流。

主电路和控制电路

　　电路采用ＴＯＰ２４６Ｙ作为控制电路

TOPSwitchGX系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitchFX之后，于2000年底新推出的第四代单片开关电源集成电路，并将作为主流产品加以推广。

下面详细阐述TOPSwitchGX的性能特点、产品分类和工作原理。

1TOPSwitchGX的性能特点及产品分类

1.1性能特点

（1）该系列产品除具备TOPSwitchFX系列的全部优点之外，还将最大输出功率从75W扩展到250W，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。

（2）采用TO2207C封装的TOP242～TOP249产品，新增加了线路检测端（L）和从外部设定极限电流端（X）这两个引脚，用来代替TOPSwitchFX的多功能端（M）的全部控制功能，使用更加灵活、方便。

（3）将开关频率提高到132kHz，这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积。

（4）当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kHz降低到30kHz（半频模式下则由66kHz降至15kHz），可降低开关损耗，进一步提高电源效率。

（5）采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通／断模式下芯片的功耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为160mW。

2TOPSwitchGX的引脚功能

TOPSwitchGX的引脚排列如图1所示。

其中，TO2207C封装有6个引出端，它们分别是控制端C，线路检测端L，极限电流设定端X，源极S，开关频率选择端F，漏极D。

利用线路检测端（L）可实现四种功能：

过压（OV）保护；欠压（UV）保护；电压前馈（当电网电压过低时用来降低最大占空比）；远程通／断（ON／OFF）和同步。

而利用极限电流设定端（X），可从外部设定芯片的极限电流。

DIP8B和SMD8B封装仍保留多功能端M，并未设置开关频率选择端F，故等效于四端器件。

其余引脚功能与TOPSwitchFX相同。

图1TOPSwitchGX的引脚排列（a）TO2207C封装（b）DIP8B和SMD8B封装

图2TOPSwitchGX的内部框图

3TOPSwitchGX的工作原理

采用Y封装的TOPSwitchGX系列产品，其内部框图如图2所示。

电路主要由18部分组成：

（1）控制电压源；

（2）带隙基准电压源；

（3）频率抖动振荡器；

（4）并联调整器／误差放大器；

（5）脉宽调制器（含PWM比较器和触发器）；

（6）过流保护电路；

（7）门驱动级和输出级；

（8）具有滞后特性的过热保护电路；

（9）关断／自动重起动电路；

（10）高压电流源；

（11）软起动电路；

（12）欠压比较器；

（13）电流极限比较器；

（14）线路比较器；

（15）线路检测端和极限电流设定端的内部电路；

（16）轻载时自动降低开关频率的电路；

（17）停止逻辑；

（18）开启电压为1V的电压比较器

TOPSwitchGX新增功能电路的原理。

3.1轻载时自动降低开关频率的电路

对TOPSwitchGX而言，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小。

其减小量与控制端流入的电流成反比。

当控制端电流逐渐增大时，占空比能线性地减少到10％，但是当负载很轻时，占空比可低于10％。

与此同时，开关频率也减少到最小值，以提高开关电源在轻载下的效率。

当开关频率的正常值（即典型值）为132kHz时，频率最小值为30kHz，在半频模式下开关频率正常值为132kHz／2=66kHz，此时频率最小值就降至15kHz。

该特性能保证开关电源在轻载时，仍保持良好的调节功能，并且降低了电源的开关损耗。

开关频率f和占空比D与控制端电流IC的关系如图3所示。

图3开关频率和占空比与控制端电流的关系曲线

3.2内部极限电流与外部可编程极限电流

TOPSwitchGX的漏极极限电流，既可由内部设定，亦可从外部设定。

这是它与TOPSwitchⅡ的另一显著区别。

其内部自保护极限电流ILIMIT的最小值、典型值和最大值见表3，测试条件为芯片结温TJ=25℃。

ILIMIT会随环境温度的升高而增大。

TOPSwitchGX在每个开关周期内都要检测MOSFET漏源极导通电阻RDS（ON）上的漏极峰值电流ID（PK）。

当ID（PK）>ILIMIT时，过流比较器就输出高电平，依次经过触发器、主控门和驱动级，将MOSFET关断，起到过流保护作用。

将TOPSwitchGX与TOPSwitchⅡ进行比较后不难发现，TOPSwitchGX的极限电流容许偏差要小得多。

例如TOP223P/Y的容差为1.00±0.1A，相对偏差达（±0.1/1.00）×100％=±10％。

而TOP244P/G的容差为1.00±0.07A，相对偏差减小到（±0.07/1.00）×100％=±7％。

这表明，用TOP244P/G代替TOP223P/Y来设计开关电源时，由于TOP244P/G不需要留出过多的极限电流余量并且它把最大占空比提高到78％（TOPSwitchⅡ仅为67％），因此在相同的输入功率／输出电压条件下，TOPSwitchGX要比同类TOPSwitchⅡ的输出功率高出10％～15％，并且还能降低外围元件的成本。

为方便用户使用，也可从外部通过改变极限电流设定端（X）的流出电流IX（用负值表示，单位是μA），来设定极限电流I′LIMIT值。

I′LIMIT的设定范围是（30％～100％）·ILIMIT。

3.3远程通／断

TOPSwitchGX是通过改变线路检测端流入（或流出）电流IX的大小及方向，来控制开关电源通、断状态的。

线路检测端内部还增加了开启电压为1V的电压比较器，此开启电压可用于远程通／断控制。

对于P/G封装的芯片，把晶体管或光耦合器的输出接到多功能端（M）与源极（S）之间，就用正逻辑信号（高电平）起动开关电源，加低电平信号则关断；而接在多功能端与控制端（C）之间，就改用负逻辑信号（低电平）起动开关电源，加高电平则关断。

对于Y封装的芯片，将晶体管或光耦的输出分别接极限电流设定端（X）、线路检测端（L），亦可对开关电源的通／断进行遥控。

C5是用来滤波的，C6是无极性电容它的高频特性比较好。

R1为欠电压或过电压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。

取R1=2MΩ时，仅当直流输入U1达到100V时，电源才能启动。

TOPSwitch—GX的欠电压电流Iuv=50μA，过电流Iov=225μA。

有公式：

欠电压保护值:

Uuv=Iuv*RL=100V

过电压保护值：

Uov=Iov*RL=450V

由于次级绕组电流较大，必须采取以下措施：

第一，采用低泄露电感的高频变压器并在初级、次级绕组之间增加屏蔽层，将漏感减至最小；第二，在钳位保护电路中的瞬态电压抑制器两端并联阻容元件R2、R3、C7，构成保护功能完善的D2、D3、R、C型钳位及吸收电路，能吸收在MOSFET关断时高频变压器次级绕组漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损坏。

这样设计的优点在于，正常工作是D3的损耗非常小，泄露磁场能量主要由R2和R3分担；D2的关键作用是限制在启动（或过载）情况下的尖峰电压，确保内部的MOSFET的漏极电压低于700V。

D3采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器，D2选用UF4006型超快恢复二极管，其反向耐压为800V。

将电容C7和并联后，能减少钳位损耗。

选择全频工作方式时，开关频率设定为132KHz。

需要指出，C1和C3都称为安全电容，区别C1接在高压与地之间，能滤除初级、次级绕组耦合电容产生的共模干扰，在IEC950国际标准中称之为“Y电容”。

C3则接在交流电源进线端，专门滤除电网线之间的串模干扰，被称作“X电容”。

TOP246Y的X管脚是外部限流电阻，用于限制外部电流。

当串联电阻接至地线时对外部可编程精确地设定电流值。

在X端与源端之间接入不同的电阻值，则开关电流即限定为不同的数值。

若R8=12KΩ，则流过开关的电流被设定为额定值的69%；若R2=6KΩ，则为额定值的90%；

若R2=25KΩ，则为额定值的43%，由此可见，随R2值增大，开关允许流过的电流会减小。

整流输出电路

ＬＭ7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。

为了减少次级绕组和输出整流管的损耗，现将次级绕组分成两路，每路单独使用一只MBR20100型20A/100V的共阴极肖特基对管（VD2、VD3），然后并联工作。

输出滤波电路由C9、C10、C13、C14、L1和C15构成。

为了是输出电压更加稳定故采用78L12三端稳压器作为后级稳压空载时，TOP246Y能自动降低开关频率，使得在交流220V输入时电源损耗仅为520mW。

TOP246Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。

只要合安全电容C1和EMI滤波器（C9、C10、C13、C14、L1、C15）的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射符合CISPR22（FCCB）/EN55022B国际标准。

将C7的一端接U1的正极，能把TOP246Y的

干扰减至最小。

反馈电路

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。

封装

TL431是一种并联稳压集成电路。

因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。

其封装形式与塑封三极管9013等相同，如图a所示。

同类产品还有图b所示的双直插外形的。

主要参数

　　三端可调分流基准源

　　可编程输出电压:

2.5V~36V

　　电压参考误差：

±0.4％，典型值@25℃（TL431B）

　　低动态输出阻抗:

0.22Ω（典型值）

　　等效全范围温度系数：

50ppm/℃（典型值）

　　温度补偿操作全额定工作温度范围

　　稳压值送从2.5--36V连续可调，

　　参考电压原误差+-1.0%，

　　低动态输出电阻，

　　典型值为0.22欧姆，

　　输出电流1.0--100毫安。

　　全温度范围内温度特性平坦，

　　典型值为50ppm，

　　低输出电压噪声。

　　封装：

TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23

　　最大输入电压为37V

　　最大工作电流150mA

　　内基准电压为2.5V

　　输出电压范围为2.5~36V

应用领域:

电源

内部结构

图c

TL431的具体功能可以用图c的功能模块示意。

由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。

由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。

当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。

TL431可等效为一只稳压二极管，其基本连接方法如下图所示。

下图a可作2.5V基准源，下图b作可调基准源，电阻R2和R3与输出电压的关系为U0=2.5（1+R2/R3）V0

光耦采用ＰＣ８１７

基本信息：

　　品处理信号：

数字信号制作工艺：

半导体集成导电类型：

双极型集成程度：

小规模规格尺寸：

231（mm）工作温度：

-40~85（℃）静态功耗：

3（ｍＷ）

主要特点：

　　PC817光电耦合器广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。

　　1.电流传输比（CTR:

MIN.50%atIF=5mA,VCE=5V）

　　2.高隔离电压:

5000V有效值

　　3.紧凑型双列直插封装,PC817为单通道光耦,PC827为双通光光耦,PC837为三通道,PC847为四通道光耦.

主要参数：

　　光电耦合器

　　电流传输比：

50%（最小值）

　　高隔离电压：

5000V（有效值）

　　符合UL标准

　　极限参数

　　正向电流：

50mA

　　峰值正向电流：

1A

　　反向电压：

6V

　　功耗：

70mW

　　集电极发射极电压：

35V

　　发射极集电极电压：

6V

　　集电极电流：

50mA

　　集电极功耗：

150mW

　　总功耗：

200mW

　　工作温度：

－30℃～+100℃

　　集电极发射极饱和电压：

0.1V（典型值）

　　截止频率：

80kHz

　　电流传输比：

50%～600%

　　封装：

DIP-4

电路通过R6和R7分压后经过TL431的2.5V比较，决定光耦的二极管的通断。

R4为限流电阻，C11为软启动电容，能消除刚启动的电压过冲现象。

取C11=22uF时可增加4ms的软启动时间，再加上TOP246Y本身的软启动时间，总共为14ms。

通电后TL431先不会工作，待电容C11充满电之后，再开始工作。

R5和C12是补偿电路，断电后C12通过R5释放能量。

反馈绕组经过D4、C8整流滤波之后经过光耦的三极管反馈给TOP246Y的C管脚。

TOP246Y根据反馈电压调节占空比。

若输出电压过大则减小占空比，反之增加占空比。

C16是ＴＯＰ２４６Ｙ的旁路和自动启动／补偿电容。

通电之后，首先对Ｃ１１进行充电，到达５．８Ｖ之后ＴＯＰ２４６Ｙ才开始工作。

当 启动时，经整流后的直流高电压加在漏极的引脚上，功率MODFET最初是关断的，通过连接在漏极和控制脚之间的内部高压开关电流对控制脚上的电容进行充电。

当控制脚电压Vc上升到较高的门限电压5.8V时，控制电路被激活并开始进入软启动状态。

约10ms后，软启动电路使MOSFET的占空比从零逐渐上升到最大值。

软启动过程结束时，如果没有外部反馈/电源电流流入控制引脚，则高压电流源关断，控制脚上的电容开始通过控制电路内部的内阻放电。

如果电源设计正确，而且不存在开路或输出短路等故障时，在控制脚电压放电到4.8V下限时电压值（内部电源欠压锁定门限值）之前，反馈回路闭合，提供控制引脚外部电流。

当外部注入的电流对控制脚充电到5.8V并联稳压器电压时，超过芯片所消耗的电流通过电阻RE分流到源极引脚，如图2所示。

流经RE的电流控制功率MOSFET的占空比，实现闭合环路调节，在初级反馈结构，并联稳压器较低的输出阻抗Zc决定误差放大器的增益。

控制脚的动态阻抗Zc外接电阻电容数值共同决定了电源系统的控制回路的补偿量。

    当出现开路或短路等故障而使外部电流无法注入控制脚时，控制脚上的电容开是放电，达到4.8V时激活自动重启动电路而关断功率MOSFET输出，使控制电路进而低电流的待机模式，高压电流源再次接通并对外接电容进行充电。

内部的滞后电源欠压比较器通过使高压电流源通断来保持Vc值处于典型的4.8V—5.8V窗口范围。

自动再启动电路具有一个八分频计数器，它能阻止输出级MOSFET再次导通，仅在计满（S7）时才会接通输出MOSFET。

通过把自动再启动占空比减小到典型值的4%，计数器能有效地限制TOPSwitch-FX的功耗，自动重启动作用连续工作直至输出电压通过闭合反馈环路重新进入受控状态为止

故障分析与电路改进、实验及仿真等

电路改进

输入滤波电容C1的负极应连接偏置绕组（称之为开尔文连接），以便偏置绕组上的浪涌电流直接返回到输入滤波电容，提高抑制浪涌干扰的能力。

控制端附近的电容应尽可能靠近源极和控制端的引脚。

S极与C、L（或M）、X极各通过一条独立的支路相连，不得共享一条支路。

禁止让MOSFET的开关电源通过C-S极的支路。

S、L、X端得引线与外围相关元件的距离也要尽量短捷，并且远离漏极D的支路，以防止产生噪声耦合。

线路检测电阻R1应尽可能接近于L（或M）引脚。

将控制端的旁路电容C11（47uF）与一只高频旁路电容C8（0.1uF）相并联，可以更好的抑制噪声。

反馈电路的输出端，应尽可能靠近C、S极。

为了保证TOP246Y能在满载情况下正常输出，必须给TOP246Y加上面积足够大的散热器，使芯片即使在低压输入或最高环境温度下工作，芯片的最高结温也不超过110摄氏度（仅对Y封装而言，其他封装均不超过100摄氏度）。

若受安装条件限制，无法加装大面积散热器，则必须进行通风降温。

总结与体会

附录（完整的总电路图）

参考文献

1．石玉，栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998.

2．王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000.

3．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000.

4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000.

5．郑琼林，耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996.

6．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996.

7．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.

8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999.

电气信息学院课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计及调试*情况（20%）

参数计算及设备选型情况*（10%）

设计说明书质量（20%）

答辩情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。