小功率开关稳压电源设计【毕业作品】

BI YE SHE JI

（20 届）

小功率开关稳压电源设计

所在学院

专业班级电气工程及其自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

小功率开关稳压电源设计

摘要

随着电子设备的飞跃发展，电子系统的心脏——电源也得到了迅速的发展，并对其要求越来越高。开关电源被誉为高效节能电源，它具有稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，同时它在开关管上较少的能量损耗，使它与线性电源相比具有较高的效率，最高效率可达90％以上，从而使它在移动便携式设备中得到了广泛的应用，因此开展开关电源项目研究具有重要意义。

目前开关电源正向集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的单片开关电源代表着当今开关电源发展的主流方向。本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行了小功率开关电源的研究，设计出一种实用的单路输出精密通用式开关稳压电源，可用作半导体激光器驱动电源中的精密电压源。

该设计由五个模块电路构成：输入整流滤波、功率转换电路、高频变换器、输出整流滤波和控制电路。该电源共使用3片集成线路：TOP249Y6端单片开关电源（IC1）、线性光耦合器PC817A(IC2)、可调式精密并联稳压器TL431(IC3)。本论文中对该电源

的滤波、整流、反馈、启动及保护电路等分别作了细致的研究工作，并通过反复试验取得了高频变压器设计宝贵经验，掌握了单片开关电源设计的核心技术。

关键词：单片开关电源，脉宽调制，高频变压器，纹波

The Design of Low Power Switching Power Supply

Abstract

With the rapid development of electronic equipment, electronic system of the heart -the power has been rapid development and its increasingly high demand. Known as energy efficient switching power supply, it has wide voltage range, power density than large, light weight, etc., while it is switch it on less energy consumption compared with the linear power supply with high efficiency, maximum efficiency of more than 90%, making it portable devices in mobile has been widely used to carry out switching power supply projects therefore important to study.

Toward the present switching power supply is integrated, intelligent direction; highly integrated, powerful single rose on the power of today's switching power supply represents the mainstream of development direction. This paper focus on the popular single-chip switching power supply chip for a small switching power supply of the study, design a practical single-output precision universal regulated switching power supply, laser diode driver can be used in the precision voltage source.

The design consists of five modules circuits: input rectifier filter, power conversion circuits, high frequency converters, output rectifier filter and control circuit. The power of integrated circuits using 3: TOP249Y6 end chip switching power supply (IC1); linear opt coupler PC817A (IC2); adjustable precision shunt regulator TL431 (IC3). The power supply filtering, rectification, feedback, starting and protection circuits were made by careful research and through trial and obtained valuable experience in designing high-frequency transformer; single-chip switching power supply design mastered the core technology.

Key words: single-chip switching power supply，PWM，high frequency transformer，ripple

目录

第1章前言 (1)

1.1引言 (1)

1.2单片开关电源的发展历史 (1)

1.3单片开关电源的发展趋势和新技术 (2)

1.3.1 “绿色节能”型开关电源 (3)

1.3.2 模块化的开关电源 (3)

1.3.3 高频化的开关电源 (4)

1.3.4 智能数字化的单片开关电源 (4)

1.4开关电源的工作原理和电路基本分类 (4)

1.4.1 开关稳压电源的基本工作原理 (4)

1.4.2 开关电源电路的基本分类 (5)

1.5本论文设计的意义及内容 (8)

1.5.1设计意义 (8)

1.5.2 设计要求 (8)

第2章单片开关电源的工作原理和分类 (9)

2.1单片开关电源的工作原理 (9)

2.2.1 单片开关电源的基本工作原理 (9)

2.1.2 单片开关电源的工作模式 (10)

2.1.3 单片开关电源的基本反馈电路 (10)

2.2单片开关电源的分类及主要特点 (11)

2.3单片开关电源芯片的性能特点 (12)

2.4TOP249Y的工作原理与应用 (13)

2.4.1 TOP249Y的管脚功能 (13)

2.4.2 TOP249Y的内部结构 (14)

第3章方案原理与论证 (15)

3.1整流滤波电路 (15)

3.2高频变压器 (15)

3.3开关电源的选用 (15)

3.3.1 输出电流的选择 (16)

3.3.2 保护电路 (16)

3.4电源技术发展的基础—功率器件 (16)

3.4.1 开关管 (16)

3.4.2 磁性元件 (17)

3.4.3 磁集成技术的发展和应用 (17)

第4章小功率开关电源的电路设计 (19)

4.1输入整流滤波电路 (20)

4.2箝位保护电路 (21)

4.3高频变压器 (22)

4.3.1单片开关电源高频变压器的参数计算 (22)

4.3.2 高频变压器绕制设计的要点的注意事项 (25)

4.4输出整流滤波电路的设计 (26)

4.5反馈回路的设计 (26)

第5章开关电源电子设备的电磁兼容 (29)

5.1电磁干扰的来源 (29)

5.2电磁兼容性设计的基本原理 (30)

5.2.1 接地设计 (30)

5.2.2 滤波设计 (30)

5.2.3 屏蔽设计 (31)

第6章测试结果与分析 (32)

6.1MATLAB的简介 (32)

6.2基于S IMULINK的电路仿真 (32)

第7章总结与展望 (36)

7.1总结 (36)

7.2展望 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

第1章前言

1.1 引言

随着PWM技术的不断发展和完善, 开关电源得到了广泛的应用, 以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构, 但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司( POWER Integration Inc) 开发的TOP Switch 系列新型智能高频开电源集成芯片解决了这些问题,该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起, 从而提高了电源的效率,简化了开关电源的设计和新产品的开发,使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用TOP Switch 的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。

1.2单片开关电源的发展历史

开关电源以其效率高、体积小和重量轻等优点,在许多领域正日益取代线性稳压电源。随着集成电路技术的发展,开关电源不仅实现了控制电路的集成,而且向单片开关电源集成的方向发展。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的单片开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。

开关电源SPS被誉为高效节能电源，它代表着当今稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主导产品。开关电源SPS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化及电网隔离的。开关电源内部核心器件工作在高频开关状态，它所消耗的能量很低，电源效率可达85％～90％，因此，开关电源的效率较线性稳压电源提高近一倍。

开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不高、开关频率低、电路复杂、调试困难等原因使之难以推广应用。自70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，才使开关电源获得新生。目前开关频率已20kHz左右提高到几百千赫兹至几兆赫兹。与此同时，新电磁材料、新变换技术、新型电子元器件、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源具备了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高等特点，从而使当今的开关电源得到了

极为迅猛的发展。单片开关电源芯片的集成度高，外围电路简单，通过输入整流滤波器，适配85～265V、47～440Hz的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而电源效率显著提高，体积和重量大为减小。单片开关电源自问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性迅速发展与应用。目前，它己成为开发国际通用的高效率中、小功率开关电源的优选，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。近20多年来，集成开关电源的发展方向有两个：第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司等相继推出一批PWM芯片，其典型产品有MC3520、SG3524和UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片，典型产品如UCl825、UCl864；第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations，简称PI)在世界上率先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，它属于AC／DC电源变换器，其第一代产品为1994年问世的TOPSwitch系列：第二代产品是1997年问世的TOPSwitch-II系列；第三代和第四代产品是在2000-2002年先后推出的TOPSwitch—FX、TOPSwitch-GX系列单片开关电源，这种电源最大输出功率可达290W。此外，该公司于2006、2007年新推出了PeakSwitch系列、TinySwitch-PK 系列峰值功率输出型单片开关电源集成电路。荷兰飞利浦(Philips)公司于2000年研制成功TEAl510、TEAl520系列单片开关电源，其中TEAl524的最大输出功率为50W。该公司还开发出TEAl50l、TEAl504，TEAl562、TEAl563、TEAl564、TEAl565、TEAl566和TEAl569等型号的单片开关电源，最大输出功率可达125W。美国安森美半导体公司在1998～2001年期间，也相继开发出NCPl000、NCPl050系列单片开关电源，最大输出功率为40W，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器和消费类电子产品的备用电源。

1.3 单片开关电源的发展趋势和新技术

单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。目前，单片开关电源

正朝着短、小、轻、薄、节能、环保、安全的方向发展，涌现出许多单片开关电源的新技术和新产品。

1.3.1 “绿色节能”型开关电源

许多电子设备，往往会变成对电网的污染源。向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。单片开关电源设计的绿色化是指：低功耗、节能型单片开关电源集成电路。这意味着发电容量的节约和环境污染的减少。

现代电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，新型的单片开关电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的集成开关电源。1.3.2 模块化的开关电源

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。为了提高设计的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的

几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,开关电源模块化有以下优点：

（1）分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高等优点。

（2）适用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源的供电要求。

（3）当需要大功率输出时，可用小功率模块及控制集成电路做基本部件，组成积木式智能化大功率供电电源，其优点是减轻了对大功率元器件的研制压力。

1.3.3 高频化的开关电源

高频化是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度的重要技术途径。高频

化还可以使开关电源的动态响应得到改善。小功率DC／DC变换器的开关频率将

由目前的200～300kHz提高到1MHz以上。功率密度也将由每立方英寸50瓦提高到100瓦以上。因此功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。1.3.4 智能数字化的单片开关电源

近年来高性能的微处理器MCU(Micro Computer Unit)及数字信号处理DSP控制器的出现，使开关电源的全数字智能控制成为现实。数字智能控制的功率因数校正电源(PFC)、不问断电源(UPS)、有源滤波器(APF)己研究成功。目前国内也己经有了不少数字化控制电源的研究成果，如通讯电源、电站直流操作电源、UPS电源的电池充放电管理等。

1.4 开关电源的工作原理和电路基本分类

1.4.1 开关稳压电源的基本工作原理

开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：

输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。

输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。

变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。

输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。

控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工

作以保护负载和电源本身。

开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源的控制原理如图1.1所示。

图1.1 调宽式开关稳压电源的控制原理图

开关稳压电源的电路原理框图如图1.2所示。交流电（AC）经整流滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时问比例，以达到稳定输出电压的目的。

图1.2 开关稳压电源的电路原理框图

1.4.2 开关电源电路的基本分类

根据开关器件在电路中连接的方式，开关电源可分为：串联式开关电源、并联式

开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种。

（1）单端正激式开关电源

所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。如图1.3所示。

图1.3 单端正激式开关电源

正激式开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动。但是正激式变压器开关电源正激式开关电源有一个最大的缺点，就是在控制开关关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的，极易对电路和元器件造成危害电路，另外它的结构相对复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。

（2）单端反激式开关电源

所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。如图1.4所示。单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现多路输出，开关管驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调整率。其输出功率为20～100W。它也有其一定的缺点，如开关管截止期问所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。

图1.4 单端反激式开关电源电路

（3）单激式开关稳压电源

所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半个周期向负载提供功率（或电压）输出。如图1.5所示。

图1.5 单激式开关稳压电源

单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的激式

变压器的体积大，因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲线的单端，磁回路曲线变化的面积很小。

（4）双激式变压器开关电源

所谓双激式变压器开关电源，就是指在一个工作周期之内，变压器的初级线圈分别被直流电压正、反激励两次。与单激式变压器开关电源不同，双激式变压器开关电源一般在整个工作周期之内，都向负载提供功率输出。如图1.6所示。

双激式变压器开关电源输出功率一般都很大，因此，双激式变压器开关电源在一些中、大型电子设备中应用很广泛。这种大功率双激式变压器开关电源最大输出功率可以达300瓦以上，甚至可以超过1000瓦。

图1.6 双激式变压器开关电源

1.5 本论文设计的意义及内容

1.5.1设计意义

随着PWM 技术的不断发展和完善, 开关电源得到了广泛的应用, 以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构, 但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司( POWER Integration Inc) 开发的TOP Switch 系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题,该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM 控制电路及保护电路等集成在一起, 从而提高了电源的效率,简化了开关电源的设计和新产品的开发,使开关电源发展到一个新的时代。

目前，开关电源以小型、高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰、模块化、轻量和高效率等特点被誉为高效节能电源，现已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。本论文主要围绕当前流行的单片集成开关电源芯片进行了小功率开关电源特性的研究。主要采用六端单片开关电源芯片TOP249Y 作为核心为前级稳压器，以最大程度提高电源电源效率，设计了一种单路输出通用型精密开关稳压电源。该电源可用作半导体激光器驱动电源中的精密电压源等。

1.5.2 设计要求

(1) o U 范围：Uo=19V ；

(2) 最大输出电流max o I =4A ；

(3) 额定输出功率Po=70W ；

(4) 负载调整率S=±4%；

(5) 输出纹波电压峰-峰值opp U ≤120mV ；

(6)电源的效率T ≥85%（O U =85V 时，T=85%，O U =230时，T>90%）。

第2章 单片开关电源的工作原理和分类

2.1 单片开关电源的工作原理

2.2.1 单片开关电源的基本工作原理

目前生产的单片开关电源主要有TOPSwitch 、TOPSwitch －ii 、TinySwitch 、tny256、mc33370和TOPSwitch －ex 六大系列；此外，还有l4960系列、l4970/l4970a 系列单片开关式稳压器，共八大系列，80 余种型号根据引出端的数量，可划分成三端、四端、五端、多端4种类型。下面以美国PI 公司生产的TOPSwitch 系列的产品为例，介绍单片开关电源的基本原理和典型应用。

TOPSwitch 系列单片开关电源的典型应用电路如图2.1所示。

高频变压器在电路中具各能量存储、隔离输出和电压变换3大功能。由图可见，高频变压器初级绕组P N 的极性（同名端用黑点表示），恰好与次级绕组S N 、反馈绕组F N 的极性相反。这表明在TOPSwitch 导通时，电能就以磁场能量形式存储在初级绕组中，此 时VD2截止。当TOPSwitch 截止时，VD2导通，能量传输给次级，此即反激式开关电源的特点。图中，BR 为 整流桥,CIN 为输人端滤波电容。交流电压u 经过整流滤波后得到直流高压UI ，经过初级绕组加至TOPSwitch 的漏极上。鉴于在TOPSwitch 关断时刻，由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压UI 和感应电压UOR 上，可使功率开关管的漏极电压超过700v 而损坏芯片，为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管（VDZ1）、阻尼二极管（VD1）组成，VD1宜采用超快恢复二极管（SRD ）。VD2为次级整流管，COUT 是输出端滤波电容。

图2.1 单片开关电源的典型应用电路

该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过3D V 、F C 整流滤波后获得反馈电

压FB V 知，经光耦和器中的光敏三极管给TOPSwitch 的控制端提供偏压。T C 是控制端C

的旁路电容。设稳压管2DZ V 的稳定电压为2Z V ，限流电阻1R 两端的压降为R V ，光耦和器中LED 发光二极管的正向压降为F V ，输出电压O V 可表示为：O V =2Z V +F V +R V 。当由

于某种原因(如交流电压升高或负载变轻)致使O V 升高时，因2Z V 不变，故F V 就随之升高，使LED 的工作电流后增大，再通过光耦合器使TOPSwitch 的控制端电流C I 增大。但因TOP TOPSwitch 的输出占空比D 与C I 成反比，故D 减小，这就迫使O V 降低，达到稳压目的。反之，O V ↓→F V ↓→F I ↓→C I ↓→D ↑→O V ↑同样起到稳压作用。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch 的占空比，使输出电压趋于稳定的。

2.1.2 单片开关电源的工作模式

开关以一定的时间间隔重复地接通和断开，开关接通时，输入电源通过开关和滤波电路提供给负载，在整个开关接通期间，电源向负载提供能量；开关断开时，输入电源便中断了能量的提供。按时间比率控制原理，单片开关电源可分三种工作方式：

（1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM ）：开关的周期是恒定，只是通过改变脉冲宽度来改变占空比。

（2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM ）：开关的导通脉冲宽度为恒定值，改变开关工作频率使占空比变化。

（3）脉宽频率混合调制：脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变，它是以上1、2二种方式的混合。

2.1.3 单片开关电源的基本反馈电路

单片开关电源的基本反馈电路有四种：（1）基本反馈电路；(2)改进型基本反馈电路；(3)配稳压管的光耦反馈电路；(4)配TL431的精密光耦反馈电路。它们的简化电路如图2.2所示。

(1)基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小功率、经济型开关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率V S =±1．5％～±2％；负载调整率S=±5％。

(2)改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管DZ V 和电阻1R ，即可使负载调整率达到±2％。DZ V 的稳定电压一般为22V ，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压FB V ，满足电路的需要。

(3)配稳压管的光耦反馈电路，由DZ V 提供参考电压Z V ，当O V 发生波动时，在LED 上可获得误差电压。因此，该电路相当于给TOPSwitch 增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对O V 进行调整。

(4)配TL431的精密光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对O V 作精细调整。这种反馈电路适于构成精密开关电源，本论文采用配TL431的精密光耦反馈电路设计单片开关电源电路。

图2.2 开关电源的基本反馈电路

2.2 单片开关电源的分类及主要特点

目前生产的单片开关电源主要有TOPSwitch 、TOPSwitch —II 、TinySwitch 、 TNY256、MC33370,top249y 几大系列。据引出端的数量，单片开关电源可划分成三端、四端、五端、多端共4种。

（1）TOPSwitch 属于三端单片开关电源的第一代产品，它首PI 公司次将PWM 控制系统的全部功能集成在芯片中，三个弓l 出端分别为控制端c 、源极S 、漏极D 。能构成60W 以下无工频变压器的隔离式开关电源。TOP Switch ．II 是三端单片开关电源的第

二代产品，内部功率开关管的耐压值均提高到700V。适宜构成(1997年)150W以下的普通型和精密型开关电源及电源。

（2）TinySwitch属于四端小功率、低成本单片开关电源，比PI公司TOP Switch 增加了使能端EN,利用此端可从外部关断功率MOSFET，并以跳过时钟周期的方式来调节煎载两端的电压，达到稳压目的。它用开、关控制器来代替PWM调制器，并可等效为脉冲频率调制器PFM。其外围电路简单，适宜构成10W以下的电池充电器、电源适配器和待机电源。

（3）TOPSwitch．FX属于五端单片开关电源，具有多功能、使用灵活、效率高等优点。与TOPSwitch．II相比，主要增加了下述功能：从外部可设定极限电流值，线路欠压检测，过压保护，频率抖动，半频选择．遥控开／关。其性能优于MC33370系列。适配晶体管和光耦和器．对开关电源进行遥控。在构成彩色喷墨打印机、撒光打印机、机]页盒电源时，能用微控制器来控制开关电源的通、断。

2.3 单片开关电源芯片的性能特点

TOPSwitch单片开关电源芯片是美国PI公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，它是三端离线式PWM开关（Three Terminal 0ffLine PWM Switch）的缩写，被誉为“顶级开关电源”。其特点是将高频开关电源中的PWM控制器和

M0SFET功率开关管集成在同一芯片上，这一产品问世后，便显示出了强大的生命力，被广泛应用于仪表测量器、显示器、手机充电器、精密试验用电开关等各种领域，形成了一种小功率、高效、轻巧、低成本开关电源模式。同时因为其简易的设计方法，使得TOPSwitch芯片在应用中更显出超前的优势。应用该芯片设计的开关电源，具有效率高、体积小以及外围电路简单等优点。可以预见，应用TOPSwitch系列芯片所设计的单片开关电源必将在更广泛的领域得到应用。本节以TOP227Y芯片为例，说明单片开关电源的特点：

（1）将脉宽调制控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离、反激式开关电源的单片集成化。

（2）属于漏极开路输出并利用电源来线性调节占空比实现AC／DC变换，电流控制型开关电源。

（3）输入交流电压和频率的范围很宽。

（4）只有3个引出端。能以最简单方式构成无工频变压器的反激式开关电源，其控制端属于多功能引出端，可完成多种控制、偏置及保护功能，具有连续和不连续两种工作模式，反馈电路有4种基本类型，能构成各种普通型和精密型开关电源。

（5）开关频率的典型值为100kHz ，允许范围是90～110kHz ，占空比调节范围是

1．7％～67％。

（6）外围电路简单，仅须接整流滤波器、高频变压器、漏极嵌位保护电路、反馈电路和输出电路。

（7）因芯片本身功耗很低，电源效率高，可达80％左右，最高可达90％。

（8）若将它配以低压差线性集成稳压器，则可构成一种新型复合式开关电源，既保留了开关电源体积小、效率高的优点，又具有线性稳压电源稳定性好、纹波电压低等优良特性。

（9）采用这种芯片能降低开关电源所产生的电磁干扰。

（10）其工作温度范围是0～70℃，芯片最高结温Tom=135℃。

2.4 TOP249Y 的工作原理与应用

2.4.1 TOP249Y 的管脚功能

TOP249Y 采用TO-220-7C 封装形式, 其外形如图2.3所示。它有六个管脚,依次为控制端C 、线路检测端L 、极限电源设定端X 、源极S 、开关频率选择端F 和漏极D 。各管脚的具体功能如下:控制端C: 误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时, 利用控制电流IC 的大小可调节占空比, 并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时,利用该端可激发输入电流,同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。线路检测端L : 输入电压的欠压与过压检测端,同时具有远程遥控功能。TOP249Y 的欠压电流uv I 为50μA ,过压电流av I 为225μA 。若L 端与输入端接入的电阻R1 为1M Ω ,则欠压保护值为50VDC ,过压保护值为225VDC 。极限电流设定端X:外部电流设定调整端。若在X 端与源极之间接入不同的电阻, 则开关电流可限定在不同的数值,随着接入电阻阻值的增大,开关允许流过的电流将变小。源极S: 连接内部MOSFET 的源极, 是初级电路的公共点和电源回流基准点。开关频率选择端F: 当F 端接到源极时,其开关频率为132kHz , 而当F 端接到控制端时, 其开关频率变为原频率的一半,即66kHz 。漏极D: 连接内部MOSFET 的漏极,在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。

图2.3 TOP249Y外形及管脚图

2.4.2 TOP249Y的内部结构

TOP249Y的内部工作原理框图如图2.4 所示, 该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/ 误差放大器、脉宽调制器( PWM) 、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重起动电路及高压电流源等部分组成。

图2.4 TOP249Y 内部功能框图

第3章方案原理与论证

3.1整流滤波电路

目前常用的整流电路有半波整流电路，全波整流电路和桥式整流电路。桥式整流电路如图3.1。优点是输出电压高，纹波电压较小，整流管所承受的最大反向电压较低，效率较高。输出滤波电路采用大电容滤波。因此本设计电路采用桥式整流电路。

图3.1 桥式整流电路

3.2高频变压器

脉冲变压器也可称作开关变压器，或简单地称作高频变压器。随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化、高频化和大功率化已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。因此，研究使用高频率的电源变压器是降低电源系统体积、提高电源输出功率比的关键因素。随着应用技术领域的不断扩展，开关电源的应用愈来愈广泛，但制作开关电源的主要技术和耗费的精力就是制作开关变压器的部件。

开关高频变压器与普通变压器的区别大致有以下几点：

（1）电源电压不是正弦波，而是交流方波，初级绕组中电流都是非正弦波。

（2）变压器的工作频率比较高，通常都在几十赫兹，甚至高达几十万赫兹。在确定铁芯材料及损耗时必须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响。

（3）绕组线路比较复杂，多半都有中心抽头。这不仅增大了初级绕组的尺寸，增大了变压器的体积和重量，而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化。本设计采用高频变压器设计电路。

3.3 开关电源的选用

单片开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点，一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大