多路输出反激式开关电源电路图概述

摘要
电子设备对电源的要求日益增高，促进了开关电源技术的不断发展。

本文介绍了基于美国PI公司生产的单片开关电源芯片TOPSwitch系列设计的多输出的AC/DC开关电源。

该电源性能优良，具有稳压效果好，纹波小，负载调整率高等优点．可作为电机控制的电源模块，具有很高的应用价值。

设计电路选用TOPSwitch系列芯片的TOP244Y，该芯集成了PWM控制器、MOSFET功率开关管和欠电压、过电压等保护电路，芯片的开关频率为132kHZ，最大占空比为78%。

设计电路的开关电源输出功率为25W时，实现了12V/1.2A,5V/2A和30V/20mA三路直流电压输出。

论文介绍了开关电源相关内容，反激式开关电源的原理和应用技术，为电路设计提供了理论指导，并且提出了反激式开关电源的设计规划。

仔细分析反激式开关电源之后，选择了电路所需的元器件的型号和参数，最终完成电路图的设计。

关键词：开关电源；反激式；多路输出；TOPSwitch-GX
Abstract
Electronic devices demanded on power increasingly higher to promote the continuous development of converter technology. This paper introduced the small power multi output AC/DC converter design based on the chip of TOP-Switch produced by American company Power Integrations.This power supply has good performance such as high voltage stability,low output voltage ripple,good load adjustmentrate and so on . It can be used for motor control as a power module and has better application value.
The converter design used TOP244Y as switching chip, which had PWM control circuit and power MOSFET, the chip’s switching frequency was 132 kHz, the maximum duty cycle was 78%. When the output power was 25W, switching power served three DC outputs 12V/1.2A, 5V/2A and 30V/20Ma.
The paper introduced some related content about the converter and the theory and technology of fly-back converter, to provide a theoretical guidance for circuit design. And then the paper proposed a fly-back converter supply design plan. And next, I designed a fly-back switching power circuit, and selected circuit’s components and parameters.
Keywords: Switching power supply；Fly-back；Multiple output；TOPSwitch-GX
目次
1 绪论
能源在社会现代化方面起着关键作用。

电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度和高效率，在21世纪必将得到大力发展。

开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。

1 开关电源概述
1.1 开关电源的定义与分类
电是工业的动力，是人类生活的源泉。

电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。

我们用的电，一般都需经过转换才能合适使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换小功率等。

按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC 称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。

为了达到转换的目的，电流变换的方法是多样的。

自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。

所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫开关变换电路。

在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

1.2开关电源研究的目的和意义
开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。

进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了的电源替换。

开关电源运用功率变换器进行电能变换，经过变换电
能，可以满足各种用电要求。

开关电源产品的主要特点是体积小，重量轻，效率高，可靠性和稳定性较好，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、资源以及保护环境方面都具有重要的意义。

例如高频开关整流焊接电源已取代传统焊接电源，广泛用于焊接行业，高频开关整流焊接电源在体积、质量、节能及焊接性能等方面是传统焊接电源无法比拟的。

在电力操作系统中使用AC/DC，DC/DC高频开关电源，可以实现与市电的热备用运行，既可在市电正常情况为蓄电池充电，也可以在市电断电时提供负载所需的操作电源，克服了硅整流器及二极管调压存在的体积大、精度差等缺点。

应用高压开关电源的脉冲电晕加氨脱硫是一种很有前景的烟气净化技术，可以解决世界性的三大环保问题之一的酸雨。

1.3开关电源研究现状及发展前景
半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。

早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。

在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源的控制电路实现了集成化。

20世纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于AC/DC电源变换器。

随着各种类型单片开关电源集成电路的问世。

AC/DC电源的集成化变为现实。

随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，开关电源的效率比传统的线性电源高很多，这样就节省了能源，因此它受到了人们的青睐。

但是开关电源也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对于电路的污染严重；电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路；这些都成为开关电源发展中必须解决的问题。

开关电源技术追求和发展趋势可以概括为以下几个方面:小型化、微型化、轻量化、高频化，可靠性，低噪声，采用计算机辅助设计和控制，以及低输出电压技术等。

开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。

在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。

开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

所以，要从设计方面思考，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。

而单纯地追求高频化使开关电源的缺点噪声也会随之增大，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。

随着半
导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低，这就要求DC/DC 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。

开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。

发展MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损耗磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工作，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。

总之，人们在开关电源技术领域里，边开发低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小型、高频、低噪声、高可靠方向发展。

1.4开关电源待解决的问题
客观上说，开关电源的发展是非常快的，这是因为它具有其他电源所无法比拟的优势。

材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。

但是，它离人们的要求、应用的价值还差得较远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。

目前要解决的问题有：①器件问题。

电源控制集成度不高，这就是影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。

②材料问题。

开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管等都很笨重，也是耗能的主要根源。

③能源变换问题。

按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。

实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。

④软件问题。

开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。

要做到“软开关”并实现程序化，更是有一定的困难。

要真正做到功率转换、功率因素改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大差距。

⑤生产工艺问题。

往往在实验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。

这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上得检测、老化、粘结、环境等方面的因素
2 反激式开关电源的原理
2.1 反激式开关电源介绍
开关电源的基本组成如图2.1所示，其中AC/DC变换器用以进行功率变换，他是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号有它激或自激电路产生；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率和波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此之外，开关电源还有辅助
电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

开关电源典型结构有串联开关电源结构、并联开关电源结构、正激开关电源结构、反激开关电源结构、半桥开关电源结构、全桥开关电源结构等。

这里重点介绍反激式开关电源结构。

图2.1 开关电源的基本组成
反激式开关电源如图2.2所示，当功率开关管VT1导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N1中，由于同名端的关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流通过。

当功率开关管VT1断开时，变压器次级绕组开始为负载供电，二次侧绕组和整流二极管构成电流回路，同时完成了磁复位的功能。

反激式开关电源输出纹波电压大，电压和电流调整率低。

要提高性能指标，可以增大滤波电容或增加辅助LC 滤波器，或者在二次侧再串联一个线性集成稳压器，但是这样势必增大体积和成本，稍弱了本来具有的优点。

因此，
单端反激式变换器多用于100W 左右的小功率电源。

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+
图2.2 反激式开关电源原理图
2.2开关电源的芯片简介
2.2.1TOPSwitch-GX芯片的内部工作原理简介
TOPSwitch系列单片机开关电源是美国功率集成公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源，它是三端离线式PWM开关的英文缩写（Three Terminal Off Line PWM Switch）被誉为“顶级开关电源”。

它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。

TOPSwitch-GX是该公司推出的第四代系列产品，除具备TOPSwitch-FX 系列的全部优点外，它还将最大输出功率从75W提高到290W，适合构成大中功率的高效率，隔离式开关电源；将开关频率提高到132kHZ，有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积，适合作为伺服电机控制板的板载电源的主控器件。

当开关电源负载很轻时，它能自动将开关频率从132kHZ降低到30kHZ（在半频模式下，则由66kHZ降到15kHZ）,这样可降低开关损耗，进一步提高电源效率，采用被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通/断模式下的功耗，当输入交流电压是230V时，功耗仅为160mW。

2.2.2TOPSwitch-GX芯片的使用的特点
TOPSwitch-GX的内部主要由18个部分组成，与第三代TOPSwitch-FX系列的主要区别是在原有的5个组成部分上新增加了3个单元电路，电流极限调节器也增加了软启动输出端；将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132kHZ（全频模式）或66kHZ（半频模式）；给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”电路，使其工作更为可靠。

TOPSwitch-GX利用反馈电流来调节占空比，达到稳压目的，当输出电压降低时，经过光耦反馈电路使反馈电流减小，占空比则增大，输出电压随之升高，最终使输出电压维持不变，同理，当输出电压升高时，通过内部调节，也能使输出电压维持不变。

2.3 P WM反馈控制方式
PWM开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。

控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压及开关器件峰值电流。

由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳
压、稳流及恒定功率的目的。

同时，可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁等功能。

图2.4为Buck降压斩波器的电压模式控制反馈系统原理图。

电压模式控制是20世纪60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。

该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界广泛应用。

电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上的斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度。

当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容和电感的相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后。

输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。

这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。

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图2.4 反馈系统原理
电压模式控制的优点有：PWM三角波的幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好；单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节。

电压模式控制的缺点有：对输入电压的变化的动态响应较慢；补偿网络设计由于闭环增益随输入电压而变化而更为复杂；输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。

在检测及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。

2.4反激式开关电源的设计规划
设计电路选用TOPSwitch系列芯片的TOP244Y，该芯集成了PWM控制器、MOSFET功率开关管和欠电压、过电压等保护电路，芯片的开关频率为132kHZ，最大占空比为78%，设计电路的开关电源输出总功率为25W，采用反激式开关电源，共有三路输出电压，输出电压各为12V/1.2A，5V/2A，30V/20mA。

电路采用闭环反馈控制模式称为脉冲宽度调制（PWM）稳压方式，使输出电压稳定在设定值，电路有过电压和欠电压保护，也有降低最大占空比的电路和从外部设定极限电流等。

以宽范围交流输入为输入电压，参照PI公司提供的产品型号和最大输出功率表，选择TOP244Y敞开式电源。

该型号芯片的最大输出功率为40W，芯片性能特点满足设计要求，而且增加的新功能可以使开关电源的电路设计更加灵活而且可靠性高。

选择好了芯片型号之后，开始对开关电源的EMI电路、整流电路、高频变压器、保护电路、多路输出电路和反馈电路分部设计。

在设计过程中选择电路的各部分的元器件以及元件的参数。

3反激式开关电源的电路设计
3.1开关电源的EMI设计
开关电源应用于交流电网的场合，整流电路导致输入电流的断续，增加了大量的高次谐波。

同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作形成了电磁干扰源，所以尽量降低开关电源的EMI，提高其使用范围，是从事开关电源设计时必须考虑的问题。

滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰来说更是如此。

任何电源线上的传导干扰信号均可用差模和共模信号来表示。

在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的影响较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的影响较大。

因此，欲减弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源的输入和输出电路中加装EMI滤波器。

3.1.1电源的输入回路的EMI滤波器设计
开关电源的工作频率为10～100kHZ。

对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较简单的EMI滤波器，就可获得满意的抑制效果。

开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了两种不同的下标“x”和“y”，不仅表示其在滤波网络中的作用，还表明了它们在滤波网络中的安全等级。

不论是选用还是设计EMI滤波器，都要认真地考虑Cx和Cy的安全等级。

在实际应用中，Cx电容接在单相电源线的L和N之间，它上面除加有电源额定电压外，还会叠加L和N之间存在的EMI信号峰值电压，因此要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值，正确选择适当的安全等级的Cx电容器。

Cy电容器接在电源供电线L、N与金属外壳(E)之间。

在使用开关电源滤波器时，要
注意滤波器在额定电流下的电源频率。

在安装滤波器时，要特别注意滤波器的输入导线与输出导线间隔距离不能把它们捆在一起走线，否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上，这将会大大降低滤波器的抑制效果。

电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源EMI滤波器的基本电路如图所示。

在图3.1中，Cx1和Cx2叫做差模电容，L1叫做共模电感，Cy1和Cy2叫做共模电容。

差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。

AC
接地
图3.1 开关电源输入的EMI滤波器
共模电感L1是由同一个磁环上的两个绕向相反，匝数相同的绕组构成的，通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕组困难。

当工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗的传输。

如果工频电流中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。

L1的电感量与EMI滤波器的额定电流I的具体关系如下表3.1所示：
表3.1电感量与额定电流的关系
在实际使用中，共模电感的两个绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被用作差模电感，所以，一般电路中不必在设置独立的差模电感了。

共模电感的差值电感与电容Cx1及Cx2构成了一个Π型滤波器。

这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。

除了共模电感以外，图中的电容Cy1和Cy2也是用来滤除共模干扰的。

对共模滤波在低频时主要有电感器起作用，而在高频时
大部分有电容Cy1和Cy2起作用。

电容Cy的选择要根据实际情况来定，由于电容Cy介于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要具有高耐压、低漏电流等特性
3.1.2电源的输出回路的EMI滤波器设计
由于开关电源的干扰源是不可能消除的，所以减小干扰源的能量就显得十分重要。

开关电源输出整流电路如图3.2所示，其中VD5为整流二极管，VD6为续流二极管。

由于VD5、VD6工作于高频开关状态，因此，输出整流电路的EMI 源主要为VD5和VD6。

在图中，R5、C12和R6、C13分别为VD5，VD6的吸收电路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。

通过减少整流二极管的数量可减少EMI的能量，因此，在同等条件下采用半波整流比采用全波整流和全波整流产生的EMI要小。

为减小二极管的EMI，必须选用具体软恢复特性、反向恢复时间短的二极管。

从理论上讲，肖特基势垒二极管（SBD）是多数载流子导流，不存在少子的存储与复合效应，因而也就不会有反向电压尖峰干扰。

但实际上对于具有较高反向工作电压的肖特基二极管，随着电子势垒厚度的增加，反向恢复电流会增大，也会产生电磁噪声。

因此，在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管产生的EMI会比选用其他二极管要小。

图3.2 输出整流电路的EMI滤波电路
为了抑制开关电源的输出对负载产生共模、差模干扰，开关电源直流输出端也可以使用直流EMI滤波器，它的典型电路如图3.3所示。

它由共模扼流圈L1，L2，扼流圈L3和电容C1，C2组成。

为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒导磁率磁芯。

L1L3
L2
图3.3 开关电源输出回路的EMI滤波器
3.2 整流电路设计
3.2.1 输入整流电路
AC输入
图3.4 输入桥式整流电路
由图3.4可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。

利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，整个周期内输出的电流方向一致。

因此，整流电路输出的是方向不变的脉动直流电压和电流。

桥式整流器选择BR106，额定电流为10A，额定电压为600V。

通过桥式整流器之后输出两端产生的是脉动电压，再通过C1将脉动的直流电压变成一个变化幅度比较小，基本上波形比较平滑的直流电压。

3.2.2 输出高频整流电路
开关电源的输出整流电路的工作频率要远远高于普通的线性稳压电源的整流电路。

开关电源中采用的整流电路类型多，从大的方面分为有普通整流、同步整流、异步整流、倍流整流等。

现代高速超大规模的集成电路尺寸不断减小，电源电压不断下降。

本设计电路选用人们比较熟悉的普通整流电路，高频变压器的。