小功率反激式开关电源设计毕业论文.docx

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小功率反激式开关电源设计毕业论文

小功率反激式开关电源设计

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摘要

小功率反激式开关电源以其设计简单，体积小巧等优势，广泛应用于小功率场合。

开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。

开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。

    传统的反激式开关电源一般由PWM控制芯片和功率开关管（频率较高时一般使用MOSFET）组成，PWM芯片控制环路设计复杂，容易造成系统工作不稳定，功率开关管有时需要外加驱动电路。

高效率与小型化在一定程度上是互相限制的，因为实现高效率会要求电路有相当的复杂度，大量的器件对小型化十分不利。

在开关电源设计初期，采用的都是分立元件，集成度很低，大部分电路只能在PCB版上实现，极大的限制了小型化实现的可能。

而且大量器件暴露在外，也影响了系统的稳定性。

采用近年来，为了实现更高的效率和更小的体积，开关电源的工作频率有了很大的提高。

高工作频率能够减小外围电感和电容的大小，从而减少系统的体积。

另外，反激变压器的设计也是一个难点，其往往导致电源设计周期延长。

随着NXP公司生产的以OB2268芯片为代表的新一代单片开关电源的问世，以上诸多问题都得到了很好的解决。

应用OB2268设计开关电源，不仅器件更少，结构更简单，发热量更少，工作更可靠，采用该系列芯片已成为一种高效的反激式开关电源设计方案。

关键词:

反激式变换器  高频变压器  开关电源PWM控制

Abstract

Lowpowerflybackswitchingpowersupplywithitssimpledesign,smallsizeandotheradvantages,iswidelyusedinsmallpowerapplications.Switchingpowersupplywithitsfeaturesofsmall,lightweightandhighefficiency,iswidelyusedinvariouselectricalequipmentandsystems,itsperformanceisdirectlyrelatedtotherealizationofthefunctionofthewholesystem.Therearemanytypesofswitchingpowersupply,whereinthesingleendflybackswitchingpowersupplywithsimplecircuit,fewercomponentsneeded,canprovidemultipleisolatedoutputhasbeenwidelyusedinsmallpowerfield.

FlybackswitchingpowersupplygenerallybythetraditionalPWMcontrolchipandapowerswitch（generallyuseMOSFEThighfrequency）components,PWMchipcontrolloopdesignofcomplex,easytocausethesystemisnotstable,tubesometimesneedexternaldrivingcircuitofpowerswitch.Highefficiencyandminiaturizationislimitedtoeachotherinacertainextent,becausetoachievehighefficiencywouldrequirecircuithasconsiderablecomplexity,alargenumberofdevicesisveryharmfultotheminiaturization.Earlyinthedesignofswitchingpowersupply,areusingdiscretecomponents,lowintegrationdegree,mostofthecircuitcanonlybeachievedinthePCBversion,greatlylimittheminiaturizationpossible.Andthenumberofdeviceisexposedoutside,alsoaffectsthestabilityofthesystem.Adoptedinrecentyears,inordertoachievehigherefficiencyandsmallersize,theoperatingfrequencyoftheswitchingpowersupplyhasbeengreatlyimproved.Highfrequencycanreducethesizeoftheexternalinductanceandcapacitance,therebyreducingthevolumeofthesystem.

Inaddition,butalsoadifficultdesignoftheflybacktransformer,whichoftenleadstopowersupplydesigncycles.AlongwiththeNXPproducedbytheOB2268chipastherepresentativeofanewgenerationofsinglechipswitchingpowersupplywaspublished,theproblemsaresolved.ApplicationofOB2268switchingpowersupplydesign,notonlyfewerdevices,thestructureismoresimple,lessheat,theworkismorereliable,theseriesofchipshavebecomeahighefficiencyflybackswitchingpowersupplydesign.

Keywords:

flybackconverterhighfrequencytransformerofswitchpowersupplyPWMcontrol

绪论……………………………………………………………1

第1章方案论证…………………………………………3

1.1变压器设计选择………………………………………4

1.2电流模式PWM控制器选择…………………………………6

1.3光敏开关的选择…………………………………………9

第2章硬件电路的设计……………………………………11

2.1电流模式芯片OB2268简介……………………………11

2.2整流电路及桥路电路设计………………………………14

整流电路设计…………………………………………14

桥路电路设计…………………………………………15

2.3电流模式控制电路设计………………………………16

2.4采样电路设计……………………………………18

2.5电源保护电路设计……………………………………21

2.6闭环反馈回路设计………………………………………23

第3章硬件设计…………………………………………26

3.1数据采集设计………………………………………26

第4章系统硬件调试………………………………………30

4.1调试工具简介……………………………………………30

4.2系统硬件联调…………………………………………30

第5章结论……………………………………………………31

5.1社会经济效益分析……………………………………31

5.2收获与体会……………………………………………31

结束语…………………………………………………………33

致谢……………………………………………………………34

参考文献………………………………………………………35

附录

1电路图………………………………………………45

绪论

开关电源的前身是线性稳压电源。

线性稳压电源的结构简单。

其中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压，通过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制。

这样，当输入电压发生变化，或负载变化引起电源的输出电压变化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来使输出电压稳定。

为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。

因此，这种电源被称为线性稳压电源。

早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进，开关频率才得以提高。

20世纪60年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管（亦称巨型晶体管、BJT、GTR）的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。

但当开关频率达到10KHZ左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。

为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在20世纪70年代，新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。

开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHZ。

随着电力电子技术的发展，工作在高频的开关电源己经广泛应用于电气和电子设备的各个领域。

开关电源设计的目的是通过能量处理将输入能量变化为所需要的能量输出，通常的形式是产生一个符合要求的输出电压，这个输出电压的值不能受输入电压或者负载电流的影响。

开关电源的设计要求有非常高的效率，高效率有着极为重要的意义。

首先，高效率减少了能量在传递过程中的损失，最理想的情况就是输入端的能量完全传递到了输出端，在开关电源内部不损失任何的能量，开关电源只是起到了能量形式转化的作用。

然而，实际设计时这一点是不能实现的。

如果电源内部有较大的损失，这部分能量将转化为热能损耗在器件上，这就要求开关电源有散热的设计，否则长时间的高温工作将减少使用寿命，大大增加不稳定性。

而增大散热部件会对开关电源小型化起到巨大的阻碍作用。

这一点在手持设备或者小型开关电源的应用中更为明显。

其次，当今能源日趋紧张，全世界开始意识到节约能源的重要性，对于电子设备的功耗提出了硬性的指标规定。

其次开关电源设计要求能够小型化。

开关电源的应用领域中小型化，集成化的需求越来越高。

比如笔记本电脑的电源系统，不仅需要完成充电控制，还需完成对微处理器供电的降压处理，对硬盘供电的降压处理，以及对屏幕供电的直流转交流变换等。

所有的功能都希望在尽可能小的体积中完成。

因此，小型化是开关电源的另一个发展方向。

由于集成电路器件本身的发展，已经有能力提供工作复杂的高频控制集成电路芯片。

然而， 随着工作频率的不断上升，由于高频造成的开关损耗逐渐成为了一个严重的问题。

尤其是如果工作频率不变，开关损耗不变，随着负载的不断减轻，系统的效率会随之下降。

因此，为了保持电源的效率，新一代的开关电源芯片在工作频率上不能再一味追求高的工作频率，而需要仔细分析和处理开关损耗问题。

在轻载时，通过降低工作频率以减少开关损耗，希望能保持高效率。

这种仔细区分负载情况，在不同负载下采用不同模式进行控制的多模式技术是提高效率的一个趋势。

减少开关损耗的另一个方法就是从开关损耗的本身出发，对引起开关损耗的起因进行改进。

开关损耗的原因是开关器件的实际曲线不是瞬间导通或关闭的理想图像，在变化过程中存在着电压与电流都不为零的交叠区。

对此，开关电源设计领域出现了软开关技术，即零电压开关和零电流开关。

零电压开关使开关在电压为零时开关导通，零电流开关使开关在电流为零的时候开关关闭。

通常软开关的实现采用准谐振或者谐振等方法。

第1章方案论证

电子技术的迅猛发展一方面带动了电源技术的发展，一方面也对电源产品提出了越来越高的要求。

体积小、重量轻、高效能、高可靠性的“绿色电源”已成为下一代电源产品的发展趋势。

功率密度的急剧增大导致电源内部电磁环境越来越复杂，因之产生的电磁干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成威胁。

同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的EMC性能指标直接关系到其推向市场的时间。

高效反激式开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、成本低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。

本设计就是设计一款低功耗的反激式开关电源控制IC反激式开关电源控制芯片OB2268。

该芯片应具有以下特点：

突出的性价比，较少的外围元件；能耗低，具有绿色模式功能，使系统在空载或轻载时工作在较低的频率下，能够有效减少能耗；具备各种完善的保护电路，在各种突发情况下仍能保证系统安全；优秀的抗电磁干扰特性；体积小，重量轻，适用于多种便携设备及电源适配器。

高效反激式开关电源的结构主要由220V交流电压整流及滤波电路、DC/DC变换器、反馈控制电路三大部分组成。

（1）设计一个整流滤波器和DC/DC变换器之间加入了功率因数校正电路。

220V交流电经整流供给功率因数校正电路，提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，从而减小谐波污染。

（2）设计反馈控制电路、保护电路、软启动控制电路、浪涌吸收电路； 

（3）分析外围元器件参数对电路性能指标的影响。

要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：

第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；第二，切断骚扰信号的传播途径；第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。

在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。

（4）性能指标的分析：

对电源的转换率，功耗，兼容性等各个性能指标进行分析。

2.1PWM开关电源的基本原理

开关电源的工作过程相当容易理解。

在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。

在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。

功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。

也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。

它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压脉冲转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：

正激式变换和升压式变换。

尽管它们各部分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点。

正激式变换器的优点式：

输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。

升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于150W的应用场合，在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和流行。

开关电源的工作原理是:

1.交流电源输入经整流滤波成直流;

2.通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;

3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;

4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.

2.2变压器的设计

图示：

变压器电路图

匝数计算

变压器每伏匝数为：

N=10000/4.44FBS

N—每伏匝数，F—交流电频率（我国为50HZ），B—磁通密度，S—铁芯截面积，磁通密度一般因材料而异，常见的硅钢片取1.2-1.7左右.

量一下变压器磁芯尺寸，计算出截面积，就可推算出每伏匝数。

知道每伏匝数后，即可方便计算出初、次线匝数了。

量得这一小型变压器中间舌宽为2CM，叠厚为3CM，则基截面为：

2*3=6（CM^2）

B=1.4（硅钢片取1.2-1.7左右）

则计算得出：

初线接220V电源，则初线匝数=220*5.36=1179.2（匝）取1179即可。

设次级输出电源为24V，则24*5.36=128.64，取129匝即可，维修绕制，还需根据功率和电压再计算出线经大小。

线径计算

次级：

次级绕组满载功率/输出电压=电流，按3A/cm²的电流密度，求导线的截面积，再按所需导线的截面积用查表法求出线径。

初级：

次级输出总功率÷变压器效率÷初级输入电压=初级输入电流，按3A/cm²的电流密度，求导线的截面积，再按所需导线的截面积用查表法求出线径。

初级输入电压220V,次级单组输出24V,满载功率10W,变压器效率N=85%。

次级导线次的确定：

级电流Ic=10/24=0.42A;0.42/3=0.14cm²;查《国产漆包线规格参数表》0.16cm²→Φ0.45mm（裸经）故次级线圈选0.47mm高强度漆包线绕制。

初级导线的确定：

10÷0.85÷220=0.054A,0.054/3=0.018cm²查《国产漆包线规格参数表》0.02cm²→Φ0.16mm（裸经）故次级线圈选0.2mm高强度漆包线绕制。

三、 反激式开关电源原理 

反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。

所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。

开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。

 开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：

一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。

结构框图如下图所示：

图2-1反激式开关电源结构框图

图2-1以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。

该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。

（1） 励磁阶段：

当开关VT1导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。

由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。

由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。

（2） 去磁阶段：

当励磁阶段结束后，VT1停止导通。

由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。

此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。

（3） 非连续导通阶段：

当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。

此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。

在连续导通模式下，不存在这个阶段。

本课题设计的高效反激式开关电源控制器始终控制电源工作在非连续导通的情况下，所需的输出电压对应的占空比和工作频率可以通过公式计算得到。

但是由于器件的寄生参数以及环境变化，在开关电源中一般采用闭环控制取代开环控制。

而闭环控制中的电流控制模式在脉冲调制开关电源中可以大大减少回路上所遇到的各种问题，尤其对于完全能量转换的情况，因此本文的设计将采用电流模式进行闭环控制。

第三章 高效反激式开关电源的系统设计 

一、提高效率的理论方法：

1、选用合适的芯片，降低空载功耗。

2、调整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R为TVS管。

3、根据输出二极管两端的峰峰电压选用低耐压的整流管，最好选用品牌肖特基。

 4、调整输出二极管的LC吸收回路。

5、合理选用输入端的热敏电阻，保证在正常工作时，阻值最小。

6、合理选用变压器，按照使铜损与铁损减到最小，增大变压器磁芯规格，增加线径，选择低功耗磁芯，调整初级电感量，合理地绕线，使漏感变小的选区标准可以提高效率。

 7、大电流的走线加宽，可在上面露铜加锡。

 8、低压大电流时，选择同步整流.。

 9、加大DC输出线线径。

  10、取消或减小输出负载电阻。

二、高效反激式开关电源设计的系统原理图

该电源简要工作原理如下：

交流电Ui经输入整流滤波电路后输入到高频变压器一次侧，电压经反激后，二次侧上的高频电压经过输出整流滤波电路整流滤波后，获得输出电压Uo。

钳位电路是用来吸收高频变压器的漏感产生的尖峰电压，从而保护了OB2268中功率管不被尖峰电压烧毁。

稳压管和光耦合器组成反馈电路。

输出电压Uo的稳压原理如下：

当由于某种原因致使Uo上升，则光耦中发光二极管的电流升高，经过光耦后，使光耦中的接收管电流也升高，使得OB2268控制端电流升高，经OB2268内部控制后，使控制脉宽占空比降低，导致Uo下降，从而实现稳压目的；反之，当Uo下降时也一样稳定。

电流型控制技术是针对电压型的缺点发展起来的一种新颖的控制思想，它以独特的优越性替代电压型控制被广泛应用于正激、反激及推挽式等DC/DC功率变换器的控制电路中。

电流型控制方法可分为三种形式，即峰值电流控制、电流滞环控制以及平均电流控制。

由于电流滞环控制方法存在负载的大小对开关频率影响甚大的问题，而平均电流型控制电路实现较复杂，所以本设计是采用峰值电流控制方法。

三、各个子电路的分析设计

1、输入整流滤波电路设计

整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。

20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。

滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

图整流电路及效果

本设计采用高压脉冲电源，其发射部分一般都需要一高电压、窄脉冲、不同重复频率的强功率脉冲源。

这种强功率脉冲源一般通过一个高压电源将市电升为几千伏至几十千伏直流高压，然后由一个调制器将直流高压调制为所需脉宽及频率的脉冲源以供发射管使用。

脉冲源主要由高压电源及调制器部