7.5V 15W单片开关电源设计

目录

第1章设计内容和要求.............................. 错误！未定义书签。第2章设计概述.. (3)

2.1开关电源的特点.............................. 错误！未定义书签。

2.2设计流程图 (4)

第3章设计过程 (8)

3.1 确定总体设计方案，选择反馈电路类型 (8)

错误！未找到引用源。 (14)

第4章设计小结 (19)

第5章参考文献 (20)

附录1元器件清单

附录2计算参数表

附录3电路图

第1章设计内容和要求

1.1应用背景

电源及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标。

线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。开关电源SMPS(Switch Mode Power Supply)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达70％一90％，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

1.2设计目的

电力电子课程设计是一门实践性很强的实践教学课。通过对单片开关电源设计，使学生初具查阅资料，掌握TOP 系列的选型，外围关键器件的计算和选择，绘图等工程能力。

1.3任务要求

初步掌握单片开关电源的设计能力。TOP 系列的选型，反馈电路类型，滤波环节设计，TVS 管钳位电路设计，最大占空比DMAX 选择，根据电源容量选择合适的三端集成芯片，计算并设计反激式高频变压器，选用合适的铁氧体磁芯和漆包线线径，并确定绕制方法。根据负载要求确定合适的反馈电路类型和滤波环节原件参数。线性光耦选择,列写元器件采购清单等。

1.4方案选择

三种基本的隔离开关电源：反激型变换器，正激型变换器，桥式变换器。三者之间的比较如下表1-1所示。

表1-1

电路优点缺点功率范围

正激电路较简单，成本

较低，可靠性高，

驱动电路简单。

变压器单向励磁，

利用率低。

几百W—几KW

反激电路非常简单，成

本很低，可靠性

高，驱动电路简

单。

难以达到较大的

功率，变压器单向

励磁，利用率低。

几W—几十W

全桥变压器双向励磁，

容易达到大功率。

结构复杂，成本

高，有直通问题，

可靠性低，需要复

杂的多组隔离驱

动电路。

几百W—几百KW

此次设计为输出电压为7.5V，电流为2A，综上所述，选择反激变换器。

第2章设计概述

2.1开关电源的特点

⑴TOPSwich—Ⅱ系列的产品，其内部主要包括振荡器、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、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断／自动重启动电路、高压电流源。如下图所示：

图2-1 TOPswitch-Ⅱ内部电路框图

图2-1 中，ZC 为控制端的动态阻抗， RFB 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。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，使用安全可靠。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS 电源，使器件功耗显著降低。

⑵只有三个引出端：控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简单的方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。以控制端为例，它具有三项功能：①该端电压V C 为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；②该端电流IC 能调节占空比；③该端还作为电源支路与自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率，并对控制回路进行补偿。控制电压 UC 的典型值应为5.7V，极限电压U CM = 9V，控制端最大允许电流ICM =

100mA。

⑶输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选110V/115V/230V交流电，允许变化±15%。若配85～265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47～440Hz。

⑷开关电源典型值为100kHz，占空比调节范围是1.7%～67%，电源效率为80%左右，最高可达到90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0～70℃，芯片的最高结温TJM = 135 ℃。

⑸TOPSwich—Ⅱ的基本工作原理是利用反馈电流IC 来调节占空比D，达到稳压的目的。

⑹外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保

护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。

2.2设计流程图

确定基本参数：u min 、u max 、f 、f L 、U o 、P o 、η、Z

选择反馈电路类型及U FB

确定C IN 、U Imin

确定U OR 、U B

确定D max

确定K RP

确定I AVG 、I P 、I R 、I RMS

选择TOPSwitch 芯片

计算TOPSwitch 结温T j

T j>100℃?

I P=0.9U Imin 或K RP=1？

Y

N

N

Y A

图2-2 设计步骤1-9流程图