湖 北 工 业 大 学
研 究 生 考 试 答 题 纸
考 试 科 目 电力电子系统设计 研究生姓名 学 号 120141116 任 课 教 师 席自强 学院、 专业 成 绩
二0 一五 年 七 月 九 日
单端反激式开关电源
一、 方案设计
1 图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。
EMI滤波器整流滤波变换电路高频变压器整流滤波控制驱动取样比较放大
图1开关电源原理框图
2 脉冲宽度调制型(PWM)开关电源
~220V50Hz输入整流滤波电路辅助电源时钟振荡器功率转换电路驱动电路V/W电路输出整流滤波电路过压过流保护检测放大+V-
图2 PWM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-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，将频率固定的振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.单片开关电源的工作原理
整流滤波高频变压器变换电路Top226y整流输出直流输出交流输入采样反馈
图3 单片开关电路的原理框图
交流220V市电经电源噪声滤波器LF后再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TOP Switch－II器件，TOP Switch－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。
故本次采用单片开关电源来实现5V 20A的开关电源设计，选择控制芯片为Top226y型。
二、基于TOP226Y单片开关电源的设计 1.TOP226Y的工作原理
TOP Switch-II系列芯片内部结构框图如图4所示。主要由以下几部分组成：
N沟道高压MOSFET管、栅极驱动器、电压模式的PWM控制器、误差放大器、100kHz振荡器、输入欠压保护、输出过流、过热保护电路及尖峰抑制电路等。
图4 TOP Switch-II系列芯片内部结构框图
(1)控制电压源:控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，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。刚起动电路时由D--C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。
(2)带隙基准电压源:带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。
(3)振荡器:内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。
(4)放大器:误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流IF，在RFB上形成误差电压UFB。
(5)脉宽调制器（PWM）:脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UFB经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号。
(6)门驱动级和输出级:门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按片结温有关。MOSFET
U(bo)ds≥700V。
(7)过流保护电路:过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。
(8)过热保护电路:当芯片结温TJ>135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器Ⅱ置位，Q=1，，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET恢复正常工作。
(9)关断/自起动电路:一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5％占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。
(10)高压电流源:在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工作时电子开关改接内部电源，将高压电流源关断。
当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变IF，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。
2.基于TOP226Y的单端反激式开关电源的设计
图5是用TOP222Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。由于TOP Switch芯片集成度高，设计工作主要为输人滤波、钳位保护、输出整流滤波及反馈等外围电路的设计。
该电源电路拓扑为单端反激式，220V市电经电源噪声滤波器LF后再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。现在很多电源设计不重视电源滤波器的选择，一些中小功率的高频开关电源往往不加电源滤波器，这样不仅降低了电源本身的抗干扰能力，影响其工作稳定性，而且也造成对公共电网的污染。市电经整流和电容滤波后，变成308V的直流电压供给TOP Switch－II器件，TOP Switch－II构成DC/DC变换器，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。电路的工作频率为100kHz，振荡元件已固化在器件内部，高频变压器的次级有3个绕组，其中的5V/2A绕组N3控制TOP Switch－II器件的脉宽，即这一组输出电压为PWM稳压，由并联可编程稳压器TL431和光电耦合器PC817A及分压电阻R203、R205完成取样反馈工作。之所以选择
这一绕组进行脉宽控制，是因为它的输出电压低电流大，更能体现出开关电源的优越性。为了实现对光耦的隔离供电，变压器单设了一个辅助绕组N2。
图5 单片反激开关电源原理图
反馈回路由外部误差放大器TL431加精密光耦PC817A构成。电路利用流过光耦PC817A呈线性关系变化电流来控制TOPS witch的IC，从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。流人TOP Switch控制脚C的电流IC与占空比D成反比关系。
图 TOPSwitch占空比与控制电流的关系
三、单片开关电源电路的元件选择与参数计算
1.整流滤波电路元件的选择［4］
输入滤波电容C1的值可根据输出功率按照1 uF/W来取值，并考虑余量后可采用 22 uF/250V的电解电容。由D200和D201构成的钳位电路可防止高压对TOP222Y的损坏，D200采用P6KE150型瞬态电压抑制器(TVS)，其钳位电压为150V，钳位时间仅1ns，峰值功率是5W。D201需采用UF4005型1A/600V的超快恢复二极管（FRD），其反向恢复时间tr=30ns。
输出整流滤波电路由整流二极管、滤波电容和滤波电感构成。
整流二极管选用MUR320，其反向电压值VR=200 V，工作电流Ip=3A。其最高反向工作电压大于实际承受的最大反向峰值电压。滤波电容选择细高型的120 uF/35 V低ESR电容。输出滤波电感采用3.3u H 的穿心电感，又叫磁珠电感。其外形呈管状，引线穿心而过，其直流电阻非常小，一般为0.005~0.01 Ω，能主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接有共模抑制电容C214。 2 PC817的内部结构及工作原理
PC817是线性光电耦合器，是以光为媒介来传播电信号的器件。通常是把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图4.1所示。
图4.1 PC817内部框图
PC817当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。 普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。
PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用，还可以起到隔离作用。 3 TL431的工作原理
在本设计中就是利用TL431和光耦构成反馈电路，基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成，在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压，由于TL431具有体积小、基准电压精密可调、输出电流大等优点，所以用TL431可以制作多种稳压器。其性能是输出电压连续可调达36V，工作电流范围宽达0.1～100mA，动态电阻典型值为0.22欧,输出杂波低。其最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.5～30V 4 PC817光电耦合器与TL431外围器件参数计算
电源反馈隔离电路由光电耦合器PC817以及并联稳压器TL431 所组成，如图4.2所示，其中R2为光耦的限流电阻，R3 及R4 为TL431 的分压电阻，C1 作为频率补偿之用。光电耦合器的限流电阻R2 可由下式求得
R2?Vo?VF (4-1) IF其中 VF 为二极管的正向压降， IF 为二极管的电流。
若PC817 之耦合效率为η ，则所产生的集极电流IC 会与IF 之间关系式为: IC???IF (4-2) 此时反馈电压信号为:
VF?IC?R1 (4-3) 输出电压Vo ，则由TL431内部2.5V之参考电压求得:
VO?2.5??1??R3?? (4-4) ?R4?
图4.2 取样反馈隔离电路图
5 TL431的取样电阻计算
1.计算总取样电流Iq值
Iq=2.5/R4=2.5V/10K=0.25mA
这里设总取样电流为0.25mA,所以R4取10K。 2.计算R1值 A路取样电流为：
Ia=Iq*[IoA/(IoA+IoB+IoC)]
Ia=0.25mA*[3.5A/(3.5A+2A+10A)] Ia=0.056mA
R1=(VoA-2.5V)/Ia=(12V-2.5V)/0.056mA R1=170K(可用150K与20K电阻串联) 3.计算R2值 B路取样电流为：
Ib=Iq*[IoB/(IoA+IoB+IoC)]
Ib=0.25mA*[2A/(3.5A+2A+10A)] Ib=0.032mA
R2=(VoB-2.5V)/Ib=(5V-2.5V)/0.032mA R2=78K(可用56K与22K电阻串联) 4.计算R3值
C路取样电流为：
Ic=Iq*[IoC/(IoA+IoB+IoC)]
Ic=0.25mA*[10A/(3.5A+2A+10A)] Ic=0.16mA
R3=(VoC-2.5)/Ic=(3.3V-2.5V)/0.16mA R3=5K 5.验算
IR1 =(12V-2.5V)/(150K+20K)=0.0558mA IR2 =(5V-2.5V)/(56K+22K)=0.032mA IR3 =(3.3v-2.5v)/5k=0.16mA
实际取样总电流：
Iq =0.0558mA+0.032mA+0.16mA
=0.2478mA 约等于理论计算值的2.5mA
四、高频变压器设计
高频变压器的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP（AP=AW×Ae，称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。
由于外围电路元件少,该电源设计的关键是高频变压器,下面给出其设计方法。 磁芯选择：
21.磁芯的截面积估算：Ae?0.12PM?0.42cm
选择Ae值比较接近的R2KDP锰锌铁氧体材料制成的EE22型磁芯。从手册中可查出Ae=0.41cm2。 2.初级电感量LP计算：
初级峰值电流：
IIP?PO?1.488A(1?0.5KRP)???VIN?Dmax初级临界电感量：LP?VIN?tON?108uH IIP适当增大Lp值，有利于电源工作在连续模式下以提高TOPSwitch的利用率。 3.初级感应电压V OR的计算：
初级感应电压VOR是开关管断开期间初级感应到的电压值：
VOR?VImin?ton/toff?VImin?Dmax/(1?Dmax)?26.7V
4.确定变压器各绕组匝数：
变压器各次级电压由式VS?VO?VL?Vf计算得：VS1?5.7V。 变压器的变比由式n?NSVS?toffV??S计算得： n1=0.2135。 NPVIN?tonVOR初级线圈匝数：NP?VIN?ton?16.96，实取18匝。
?B?Ae次级线圈匝数：NS1=NP×n1=3.84，实取4匝。 反馈绕组匝数：NB?NP?5.计算磁芯的气隙宽度Lg：
VB?VF?10.58，实取11匝。 VOR4??10?7NP2AeLg??0.138mmLP单端反激式变压器的磁芯需加入气隙来解决磁通复位的问题。
气隙应加在磁路的中心处，要求Lg>0.051mm。若小于此值，需增大磁芯尺寸或增加NP值。
单端反激开关电源
