高频开关电源设计

1高频开关电源课程设计指导书在现代电力电子技术中，电力变换有下列几种，AC-DC（即AC转换成为DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流变换，DC-DC称为直流-直流变换。高频半导体功率器件出现后，用半导体功率器件作为高速开关，使其在开关状态下工作，实现能量转换的电路，称为开关变换器电路。利用闭环反馈控制稳定变换器的输出，再加上保护环节等，即可构成开关电源（SwitchingPowerSupply）。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，它是功率转换的核心。把直流电压变换为低于这一数值的直流电压，最简单办法是串联一个可变电阻（功率三极管），用线性器件控制阻值的大小，实现稳定的输出，这就是线性电源，它不涉及变频问题，电路简单，但效率低。用半导体功率器件作为开关，使变换器在固定频率下工作，通过调制占空比（PWM）控制输出，称为脉宽调制变换器，还可以固定开关导通时间，通过改变工作频率（PFM）控制输出，这称为频率控制变换器。另外，还有脉宽和频率都可以改变的变换电路。给变换电路加上整流电路和滤波电路，就构成一个完整的DC-DC变换器。一个开关周期sT内，功率开关导通时间ONt所占整个开关周期sT的比例，称为占空比D，即ONsDtT；占空比越大，负载上电压越高。目前应用较广的是脉宽调制型（PWM）变换器，它包括正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等多种类型。在高频开关电源功率转换电路中，单端变换器（反激、正激）中的高频变压器的磁芯只工作在第一象限，即处于磁滞回线的一边。按变压器的副边开关整流器二极管的不同连接方式，单端变换器有两种类型：一种是单端反激式变换器（主功率开关管与变压器副边整流管的开通时间相反：当前者导通时后者截止，反之当前者截止时后者导通），另一种是单端正激式变换器（两者同时导通或截止）。2一、单端反激式开关稳压电源设计1.1单端反激式开关电源由Buck-Boost推演并加隔离变压器后得反激变换器原理线路，如图1-1示。TrD1CRoVsVoT1Lpn:1IpIoLs图1-1单端反激变换器主回路电路图当加到原边主功率开关管Tr的激励脉冲为高电平时，Tr导通，直流输入电压Vs加在原边绕组PN两端，能量储存在原边绕组PN内，此时因副边绕组相位是上负下正，整流管D1反向偏置而截止；当驱动脉冲为低电平使Tr截止时，原边绕组PN两端电压极性反向，使变压器副边绕组相位变为上正下负，整流管被正向偏置而导通，此后储存在变压器原边绕组PN中的磁能向负载传递释放。因单端反激变换器只是在原边开关管导通期间储存能量，当它截止时才向负载释放能量，故高频变压器在开关工作过程中，既起前后级隔离作用，又是电感储能元件。因此又称单端反激变换器为“电感储能式变换器”。在单端反激变换器中，一般有两种工作方式：一种是完全能量转换（电感电流不连续方式）。在储能周期（ont）中，变压器中存储的所有能量在反激周期（offt）中都转移到输出端。另一种是不完全能量转换（电感电流连续方式）。储存在变压器中的一部份能量在offt末保留到下一个ont的开始。1.2TOPSwitch单端反激开关电源设计TOPSwitch系列芯片是美国PI公司新推出的第二代单片开关电源集成电路。芯片内含振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管（MOSFET）、偏置电路、过电流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/3自动重启动电路。能以最简单的方式构成无工频变压器的反激式开关电源。其开关频率为100KHz。它不仅设计先进，功能完善，而且外围电路简单，使用非常灵活。是目前设计小功率（250W）开关电源的最佳选择。表1-1列出了各种TOPSwitch的不同输出功率。表1-1各种TOPSwitch的不同输出功率TOPSwitch封装和内部原理图如图1-2和图1-3所示。DRAINSOURCECONTROL图1-2TOPSwitch封装外形CONTROLDRAINQQSETCLRSR+8V热关断通电复位前沿消隐最小导通时间延迟DMAX时钟SAW11ZCREQQSETCLRSRSOURCEPWM比较器可控导通门极驱动内部电源振荡器关断/自动复位5.7VVILIMIT&&&图1-3TOPSwitch内部功能框图电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比较器的同相端，与振荡器产型号Pmin(W)Pnom(W)Pmax(W)Ppeak(W)TOP220061213TOP20110162227TOP20215233040TOP20320283548TOP20430405073TOP214253442614生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Vc达到5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向Vc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Vc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向Vc充电，其关断/自动复位滞回比较器可使Vc保持在4.7V~5.7V之间。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电—充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Vc进入受控状态为止。TOPSwitch各引脚功能见表1-2。表1-2TOPSwitch引脚功能介绍引脚功能漏极脚（DRAIN）接输出管MOSFET漏极，在启动工作时，经过内部开关电流源提供内部偏置电流。该脚还是内部电流监测点。控制脚（CONTROL）是误差放大器和反馈电流输入脚，以控制占空比。正常工作时内部分流调节器接通，提供内部偏置电流。该脚也接电源旁路和自动再启动/补偿电容器。源极脚（SOURCE）是输出级MOSFET的源极连线，接直流高压和主变压器原边电路的公共端与参考点。图1-4和图1-5所示为TOPSwitch单端反激式开关电源的设计方法流程图。图1-6所示为TOPSwitch单端反激变换器的原理图。51、确定电源的输入参数Vacmin,Vacmax,fL,Vo,Po2、选择反馈电路和VB3、确定直流高压输入值Vmin,Cin4、确定反射、箝位电压VOR,VCLO5、确定最大占空比Dmax6、设置电流比例因数KRP7、确定原边电流IAVG,Ip,IR,IRMS8、选择合适的TOPSwitch9、计算TOPSwitch功耗PD10、PD过高时11、Ip=0.9ILIMIT12、确定原边电感量13、选择磁心和绕线骨架，确定变压器Ae,Le,AL,BW14、设置Ns,L15、计算Np,NB16、计算Bm17、2000Bm300018、计算气隙Lg19、气隙Lg0.051mm20、计算OD,DIA,CMA21、200CMA50023、计算Isp,ISRMS,IRIPPLE,DIAs,ODs24、计算PIVs,PIVB22、Ns,L反复核查是是非非是非非非非是是是图1-4TOPSwitch单端反激式开关电源的设计方法流程图（一）625、选择箝位齐纳管和阻断二极管26、选择输出整流二极管27、选择输出电容28、开关脉动过高29、选择输出后续滤波器L,C30、选择偏置整流二极管31、选择偏置电容32、选择控制脚电容器和串联电阻33、根据参考设计选择反馈电路结构34、选择桥式整流器35、完成设计是非图1-5TOPSwitch单端反激式开关电源的设计方法流程图（二）C1D1D2R1C2C3D4C8D3C6C7R4R3R5R6C9C4R2接线端子C5R7输出U1U2TLU3图1-6TOPSwitch单端反激变换器原理图单端反激变换器中的变压器，既是作为变压器，又是作为储能电感，它的设计方法与单端正激变换器变压器大不相同，与其他类型的变换器也不同。其设计参数主要有三项：1．先求出原边绕组电感量PL；72．选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯；3．再计算原边绕组匝数PN。下面给出计算公式：2222onLpotERLVT，由于ontDT，2ooLVPR，则222poETDLP因为单端反激变换器的功率通常较小，一般选用铁氧体磁芯作为变压器，其功率容量（Ap）计算式如下：6102TpeQsmmcPAAAfBKK式中Ae是磁芯截面积（cm2），AQ是磁芯窗口面积（cm2），PT是变压器的标称输出功率（W），Bm是磁芯工作的磁感应强度（G），δ是线圈导线的电流密度，通常取2~3（A/mm2），η是变压器的效率，通常取它的值为0.8~0.9，Km是窗口的填充系数，一般取0.2~0.4，Kc是磁芯的填充系数，对于铁氧体KC=1。根据计算出的值，选取余量稍大些的磁芯即可。表1-3列出了EE型磁芯参数。变压器原边匝数为：2810()ppppemrLLINdABB通常在铁氧体磁芯中加进气隙，它能使变压器铁芯承受较大的励磁安匝数，防止铁芯饱和。通过调节气隙也可得到所需的绕组电感量，并使电感量在整个工作范围内变化较小。表1-3EE型磁芯参数型号C1(mm-1)Ae(mm2)le(mm)Ve(mm3)EE102.4610.626.1276EE112.2112.327.2334EE161.80519.635.4693EE191.74122.839.6903EE201.20839.047.11840EE222.1924.653.91320EE251.07844.547.92130EE550.34354120425008EE650.27950013969700EE700.34446115973200EE85A0.264714188134500EE85B0.22859189162000EE1100.1911280244312000表1-4常用漆包线规格参数（一）铜芯导线标称直径(mm)漆包线测量绝缘外径(mm)铜芯截面积(mm2)导线直流电阻(Ω/m)0.280.330.06160.30530.310.360.07550.24730.330.390.08550.21730.400.460.1260.14630.450.510.1590.11500.530.600.2210.08230.600.670.2830.06390.630.700.3120.05790.750.840.4420.04120.951.040.7090.0255表1-5常用漆包线规格参数（二）铜芯直径（mm）漆包线外径（mm）2A/mm23A/mm24A/mm25A/mm26A/mm27A/mm20.280.330.1230.1850.2460.3080.3700.4310.310.360.1510.2270.3020.3780.4530.5290.330.390.1710.2570.3400.4280.5130.5990.400.460.2520.3780.5040.6300.7560.8820.450.510.3180.4770.6360.7950.9541.110.530.600.4420.6630.8841.111.331.550.600.670.5660.8491.1301.421.701.880.630.700.6240.9361.251.561.872.180.750.840.8841.331.772.212.653.090.951.041.422.132.843.554.254.96RC缓冲保护环节的设计：TrD2D1RCVcVE图1-7RCD缓冲器原理图9工作原理：当晶体管Tr关断时，电容C通过二极管D1被充电到（Vc-VD1）。这样集电极电流有了分路，集电极电流能较快地减小。当晶体管Tr导通时，C通过电阻R