开关电源设计课程论文

高频开关电源课程论文
基于TOP260EN的反激式开关电源的仿真
研究
学院电力学院
专业电力电子与电力传动
学生姓名王振亚
学号************
课任教师肖文勋
提交日期2013年03月19日
开关电源课程设计
本课程的设计目标是做一个100W的驱动电源，其中输入为102—265V交流电；输出分为两路：主输出为12V,8A;副输出为8V，0.4A,所用开关控制器为PI公司生产的TOP260EN芯片。

一、简单介绍
本文是为家电设计一款100W左右的冷却电源，使用TOPSwitch-HX系列的TOP260EN芯片。

电源输出为：12V 8A和8V 0.4A。

其中芯片的工作频率在66kHz—132kHz之间。

本课程设计主要包括驱动电源相关参数，电路图，电路设计原理，变压器设计，电源电路仿真，实物图等部分。

二、电源主要目标参数
图1. 开关电源的主要参数
从表中可以看出：出了前面介绍的电源输出电压电流要求外，输出电压的纹波不超过500mV,满负荷运行的效率要达到82%。

三、电路原理图
图2. 电路原理图
四、开关电源电路设计原理分析
本电路是用TOP260EN作为控制芯片的反激式驱动电源，设计运行电压范围为交流102V—265V之间。

该驱动电源有两路输出：12V 8A和8V 0.4A，总设计功率为100W，电气原理图如上图所示。

4.1驱动电源电路输入和EMI滤波部分
保险丝F1在电源出现如短路等故障时起保护作用，整流桥D2将交流电压转换成直流电压，电容C4进行电源滤波和储能。

放置在整流桥前面的共模扼流圈和电容C16作用是一方面降低共模噪音，另一方面降低EMI辐射。

R11和R12在交流输入关断时对电容放电。

C7作为旁路电容可以减少输入电压回路规模。

4.2控制电路部分
钳位缓冲电路由D4，R3，VR1和C9组成。

在主开关MOS管关断期间，变压器主线圈会因为漏感储存的能量而产生一个尖峰电压，这个电压可能超过MOS管的击穿电压。

在关断期间，二极管D4导通，VR1可以防止主线圈电压超过其额定值（本设计为200V）。

电压上升率阻尼电路由D7，R13和C17。

在MOS管关断的时候，漏极能量通过D7注入到C17中，可以限制漏极电压的变化率，同时降低EMI。

当开关管接通的时候，电容通过R13放电。

4.3 输出整流
本开关电源有两路输出，其中对于主输出12V支路而言，用两个并联的肖特基二极管来提高效率。

D1和D3添加的RC缓冲电路可以在二极管关断时对抑制尖峰电压，因为二极管的反向恢复特性和输出漏感会对EMI产生显著影响。

另外影响关断特性的二极管结电容和内电感也由这个缓冲电路控制。

输出端的后级LC滤波器可以降低纹波。

8V输出是一个非隔离浮动输出支路。

这路输出被二极管D5整流且与三端可调稳压器相连。

稳压集成器U2通过R19和R20的分压来进行调节，电容C13和C14充当输出滤波电容。

这样的输出设计可以使得在两个输出都满载的情况下，输出U2 的电压接近9V，从而降低线性稳压器中的功率损耗。

4.4 输出反馈部分
主输出的调节通过TL431电路来保持其5%的变化。

当TL431参考端的电压通过R7和R8分压高于2.5V时，TL431经光耦二极管U3吸收电流。

芯片U1通过电流注入控制端，降低占空比。

附加的缓冲
完成电路由C21，R9和D8构成。

在启动的时候，C21通过U3提供的反馈充电，比输出端更早达到稳定值。

这样既可以增加输出达到稳态的允许时间，又可以阻止输出超调。

R9在电源关闭时对电容进行放电。

为了改善暂态响应，相位裕量和交叉频率，所以该电路使用了补偿元件R21和C23。

五、变压器设计
5.1 电气原理图
图3. 变压器相关参数
5.2 变压器电气参数
主电感量：340μH，10
%
谐振频率：850kHz
主线圈漏感：5μH
5.3 变压器绕制方法
主线圈1：自引脚3起，从左到右绕19圈22AWG号线，止于引脚2。

加一层绝缘胶带。

次级线圈1：自引脚9起，从左到右绕5圈25AWG号四匝并绕铜线，止于引脚10，加一层绝缘胶带。

次级线圈2：自引脚11起，从左到右绕5圈四匝并绕的25AWG号线，止于引脚12，加两层绝缘胶带。

输出线圈：自引脚6起，从左到右绕4圈四匝并绕的30AWG号线，止于引脚7.加一层绝缘胶带。

偏压线圈：自引脚5起，从左到右绕6圈两匝并绕的30AWG号线，止于引脚4.加一层绝缘胶带。

主线圈2：自引脚2起，从左到右绕19圈22AWG号线，止于引脚1.
加一层绝缘胶带。

六、电路仿真及波形分析
6.1 开环电路图
本高频开关电源设计用软件Saber进行仿真。

对于开环而言，原电路中的反馈回路可以去掉，改用N-沟道的MOS管代替，另选用频率为66kHz的高频脉冲触发器进行驱动。

反激变压器则变为只有双
路输出。

另外由于本设计的主电路其实是一种DC-DC 变换，因此输入可用一个直流电压源代替。

根据输入电压、输出电压，变压器匝数比等可以确定各种情况下的开关管占空比。

具体电路图如下所示：
图4. 开环电路原理图
6.2相关波形图及波形分析
根据开关电源的工作原理，但电源工作在CCM 下，可知开关管的占空比D 满足下列等式：
n n U D DU O I 21)1(=
-
当输入已知的时候，根据原边与主输出线圈的匝数比可计算出占空比的大小。

下面就电路的不同工作情形进行仿真：
（1）当输入为200V 直流电，输出满载运行时，即主输出接1.5Ω负载，副输出接40Ω负载，此时经计算开关管的占空比为0.33。

各主要检测点的电压波形如下：
图5. 主输出电压波形（满载）图6. 副输出电压波形（满载）
可以看出在输出满载的情况下，主输出电压经过短暂的变化后趋于稳定在11.826V左右，满足设计要求的12V主输出，纹波500mV 的要求，副输出稳定在7.9648V左右，也满足纹波要求。

图7. MOS管漏极电压波形（200V输入）这里可以看出MOS管的漏极电压为310.45V左右。

（2）当输入200V直流电，输出半载运行，即主输出接3Ω负载时，各主要检测点的电压波形如下所示：
图8. 主输出电压波形（半载）
因为是开环工作，当输出负载变化时，输出电压会发生变化。

（3）当输入200V直流电，输出空载运行时，这主要观测点的电压波形如下图所示：。