基于TOP222Y的单片开关电源的设计

摘要采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。本文介绍了三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列的工作原理及其在开关电源设计中的应用，同时也介绍了与TOPSwitch相匹配的高频功率变压器的设计。其中，PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。在研究了单片开关电源的工作原理基础之上，采用TOP222Y芯片设计了输出为5V/2A小功率单片式开关电源电路及高频变压器；并对电路中的一些元器件的参数进行了计算和选择。该电路基本能满足设计的要求。通过毕业设计，即巩固了所学的知识，又得到了一次实践的锻炼。关键词：开关电源、脉宽调制、TOP222Y目录第一章序言................................................11.1开关电源的发展................................................11.2单片开关电源芯片及应用.........................................1第二章单片开关电源工作原理................................32.1开关电源的工作原理.............................................32.2单片开关电源的工作原理.........................................4第三章基于TOP222Y的单片开关电源的设计.....................63.1TOP222Y的工作原理.............................................63.2基于TOP222Y芯片单端反激式开关电源的设计.......................8第四章单片开关电源电路的元件选择与参数计算................114.1整流滤波电路元件的选择........................................114.2PC817的内部结构及工作原理....................................114.3TL431的工作原理..............................................114.4PC817光电耦合器与TL431外围器件参数计算......................124.5TL431的取样电阻计算..........................................12第五章高频变压器设计.....................................145.1变压器的分类.................................................145.2高频变压器的工作原理..........................................145.2高频变压器设计方法............................................145.3高频变压器的绕制.............................................15第六章总结...............................................171第一章序言1.1开关电源的发展开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出功率端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器，电路的结构非常复杂，系统的稳定性不够理想，分立的MOSFET功率开关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分——PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。TOPSwitch器件是美国功率集成公司(POWERIntegrations)于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminalOfflinePWMSwtich)的英文缩写，其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化150W以下开关电源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。1.2单片开关电源芯片及应用［1］TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关（ThreeterminalOfflinePWMSwtich）的英文缩写。TOPSwitch系列器件主要包括下列型号：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210等。TOPSwitch-Ⅱ是TOP-Switch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，具有更高的性能价格比，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。TOPSwitch-Ⅱ所包括的几个型号之间的区别在于输出功率的不同，其产品分类见表1.1。2表1.1TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率产品型号固定输入（110/115/230V,AC,±15％）宽范围输入（85V～265V,AC）TOP221Y127TOP222Y2515TOP223Y5030TOP224Y7545TOP225Y10060TOP226Y12575TOP227Y15090TOP221P/221G96TOP222P/222G1510TOP223P/223G2515TOP224P/224G3020TOPSwitch系列器件仅用了三个管脚就将脱线式开关电源所必需的具有通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率的MOS场效应管，电压型PWM控制器，100kHz高频振荡器，高压起动偏置电路，带隙基准，用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护等功能全部组合在一起了。采用TOPSwitch器件的开关电源与采用分立的MOSFET功率开关及PWM集成控制器的开关电源相比，具有以下特点：1.成本低廉；2.系统效率高；3.电源设计简化；4.应用灵活性高；5.功能完善的系统级故障保护。值得注意的是，TOP222Y还特别为小功率备用电源应用作了优化，弥补了TOPSwitch系列在这一类应用中的不足。应用TOP222Y可以设计出性价比更高的开关电源，可为绿色或节能产品，如个人电脑、监视器、UPS、复印机、传真机提供备用电源，还可在诸如电视、家用电器、工业控制器和个人电脑等产品中应用。3第二章单片开关电源工作原理2.1开关电源的工作原理“开关电源”是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率,使一个电路运行于“开关状态”并维持稳定输出电压的一种电源；与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。但是，开关电源也存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点，随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。开关电源的主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。除主电路外还有控制电路，作用是保证主电路正常工作。开关电源分类方法有很多种：根据输入输出类型可分为DC/DC变换器和AC/DC变换器；根据驱动方式可分为自励式和他励式；根据控制方式可分为脉冲宽度调制式、脉冲频率调制式和混合式；根据电路组成可分为谐振型和非谐振型。此外还可分为单端正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式、升降压式等。1．开关电源的工作原理图2.1所示，50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。图2.1开关电源原理框图2．脉冲宽度调制型(PWM)开关电源4图2.2PWM方式开关电源框图(1)原理结构采用PWM技术的开关电源原理结构如图2.2所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，其余为控制回路。(2)工作原理工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压一脉冲宽度转换电路(V/W电路)、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路，以及自用电压源等基本电路构成。对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟振荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经V/W电路调制脉冲宽度以调节输出电压。例如，由于某种原因(负载电流减小或电网电压上升)使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误差电压，V/W电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。3．高频开关电源的发展趋势现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其中开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等是高频开关电源的发展趋势,这些技术的成熟,将实现高效率用电和高品质用电相结合。2.2单片开关电源的工作原理单片开关电源的原理框图2.3所示。交流220V市电经电源噪声滤波器LF后再5图2.3单片开关电源的原理框图通过桥式整流器直接整流。电源滤波器的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOPSwitch－II器件，TOPSwitch－II构成DC/DC变换电路，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。6第三章基于TOP222Y单片开关电源的设计3.1TOP222Y的工作原理［2］1.TOPSwitch-II芯片介绍TOP222Y是专业从事电源半导体芯片设计和生产的美国PowerIntegration公司的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成