单片开关电源的设计及应用

一、绪论单片开关是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机控制技术的迅速发展和广泛应用。

中小规模的单片机控制系统在工业生产及日常生活中的智能机电一体化产品得到了广泛的应用。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，广泛使用的各种智能IC卡等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

在单片机控制系统的设计开发过程中，我们要突出设备的自动化程度及智能性，否则就无法体现控制系统的优越性。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

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。

二、开关电源的特点及应用2.1开关电源的特点单片机开关电源的特点主要有：集成度高，特性优良，由其构成的单片开关电源，外围电路简单，效率高，被广泛地应用于中小功率开关电源中．自问世以来，便显示了强大的生命力．但与此同时，它也是一个高频干扰源，它的干扰频率不仅范围广，而且具有一定的幅度．在电子产品要求电磁兼容的时代，分析它的电磁干扰源，并采取适当措施加以抑制，是完全必要的。

开关电源自20世纪70年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。

三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。

采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。

2.2开关电源的应用目前，单片机开关电源的应用领域主要包括：办公自动化设备；在机电一体化中的应用；在实时过程控制中的应用；在日常生活及家用电器领域的应用；在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；在计算机网络和通信领域中的应用；单片机开关电源在医用设备领域中的应用；汽车电子产品；航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域，单片机开关电源的应用更是不言而喻。

随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入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，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体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，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

三、TOP开关的结构及工作原理3.1 TOP开关的结构（图3.1）TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO220或8脚DIP封装。

少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。

三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。

其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。

控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。

在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。

源极端S是MOSFET 的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。

图3.1 TOP开关内部工作原理框图3.2 TOP开关的工作原理TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。

RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。

主要特点是：1.前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；2.自动重起动功能，以典型值为5％的自动重起动占空比接通和关断；3.低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;4.电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。

简述：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DC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Ir，在RE上形成误差电压UR。

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UR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UB。

6.门驱动级和输出级门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。

漏源击穿电压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，Q=0，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S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。

电源正常工作时S1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Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。

四、TOP开关的典型应用4.1. 12V/30W小功率开关电源图4.1 12V/30W小功率开关电源原理图12V/30W小功率开关电源原理图如图4.1所示。

该电源特性是：简单，直接可与220V交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。

并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。

该电路特点是利用三极管Q1，二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1导通，控制端C电位降低，TOP开关关闭，开关电源没有输出。

1.输入电路电网交流220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。

2.电源变换器部分在该电路中，T2为高频变压器，其中N1为初级绕组（35T）N2为反馈绕组（15T）N3为次级隔离输出绕组（7T）开关电源工作后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C，以调整TOP开关内部PWM占空比。

当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关控制端C的电流增加。

在振荡电路的控制下，漏极端D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，由控制端进行闭环调整，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。

电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。

钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。

在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。

同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。

3.反馈控制回路电容C6决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。

R4阻值过小，限流线性差，容易导致TOP开关损坏；过大则调整线性差。

在实验中取值为10kΩ4.输出回路N3、D10、C8、D11构成输出回路。

肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，提供给负载电路。

R7既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。

R7取值为430Ω。

4.2 12.5V/25W精密开关电源12.5V/25W精密开关电源原理图如图 4.2所示。

由TOP204构成隔离式＋12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当交流输入电压U从85V 变化到265V时，电压调整率为±0.2％；当负载电流从10％(0.2A)变化到100％(2A)时，负载调整率也达±0.2％，可与线性集成稳压电源相媲美。