单片开关电源的详细设计参考

1.3 本文的主要工作
开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导 产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的 开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的单 片开关电源芯片进行了稳压电源特性的研究，论文的主要内容如下： 开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空 比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等 特点。本设计是设计并制作出一种单片开关电源，使设计出的开关电源在输入电 压为 AC85～265V 时，输出电压在 DC16～24V 可调。
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第 1 章 开关电源简介
1.1 开关电源的发展简史
开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电，再 在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电 感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与 他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器， 使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电 源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都 离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本 化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是 连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成 化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。 但其通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于 调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必 须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有 45%左右。 另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很 大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20 世纪 50 年代，美国宇航局以 小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过 程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而 逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20 世 纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20 世纪 90 年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技 术进入高速发展期。 并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管 相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功 率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM 开关电源 问世， 它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制， 电源的效率可达 65%~70%， 而线性电源的效率只有 30%~40%。因此，用工作频率为 20kHz 的 PWM 开关电源
单片开关电源的详细设计参考 绪论
开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流— 直 流 或 直流 — 直 流 电能 变 换， 通 常称 其为开 关 电 源（ Switched Mode Power Supply-SMPS）。其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军 事等各个领域。彩色电视机、VCD 播放机等家用电器、医用 X 光机、CT 机，各 种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫 星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳 流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采 用晶闸管的相控电源相比具有效率高和体积小、重量轻两个明显的优点。因为具 有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。 值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常 低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于 5~10mV）的情况下，仍需要线性电源，由 于大功率全功率非常大（1MW 以上）时，仍需采用相控电源。但随着控制技术和 元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断 扩大。 开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态，所以称为开关电源，其原 理是用整流电路先把交流变成直流，再用开关管把直流电变成高频的直流电，这 个高频直流在通过开关变压器时，在次级感应出交流电流，再通过整流滤波后， 变成平稳的直流电， 同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的比例 （占 空比） 。由于开关变压器的频率很高，同样的功率，体积可以做的很小，所以整个 电源可以做到体积小重量轻。开关电源能输出多种可控的直流电压供不同的电路 使用。 本设计的交流输入电压范围是 85V～265V，这属于全世界通用的电压范围， 该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占 空比等功能。 开关电源的基本技术指标有： 电网频率 fL:50HZ,输出电压 UO:16~24V, 输出功率 PO:120W,电网调整率±1%. 本设计主要采用 TOP248Y 型 6 端单片开关电 源、线性光耦合器 PC817A 及可调式精密并联稳压器 TL431 等专用芯片以及其他 的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有 16~24V 稳压输出功能。
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替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发 展史上被誉为 20kHz 革命。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯 片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用 开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型 化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电 容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更 高等。这一切高新要求边不断促进了开关电源的发展和进步。
1.2 开关电源的发展趋势和前景展望
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由 于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致 力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功 率铁氧体（Mn Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs) 下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT 技术的应用使得 开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、 小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的 PWM 开关技术进行创新，实现 ZVS、 ZCS 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效 率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等 措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关 电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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 在节约资源及保护环境方面都有深远意义。 目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫； 采用 MOSFET 的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高 速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为 谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小， 这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关式的兆赫级变换器已经实 用化。开关电源的发展趋势可以概括为一下四个方面： 1. 小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储 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。
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第二章 开关电源的分类和基本工作原理
2.1 开关电源的分类
开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从推动功率管的方式来分 可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈 环路来完成自激振荡；它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的 开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。按开关管的个数及连接方式 可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管， 推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方 式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在 输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是 并联在开关电源之间的，属于升压式电路。 一般来说，功率很小的电源（1~100W）采用电路简单、成本低的反激型电路 较好；当电源功率在 100W 以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出 短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于 500W、工作条件较好的电源， 则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路； 如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大 的场合。 基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控 制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以 及可靠性高等特点。本设计旨在设计并制作出一种具有自动稳压功能的开关电源。 因此，本设计就选择了单端反激式开关电源。