开关电源毕业设计论文

毕业综合实践

课题名称： 开关电源的剖析与设计

作 者： 学 号： 系 别： 专 业：

指导老师： 专业技术职务

xx年xx月

课 题 摘 要 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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或者单片开关电源集成电路构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 本文介绍了根据目前市场常见的一种开关电源的性能特点，设计并制作一款与其相似的开关电源的全部设计及制作工艺流程。主要包括：电源电路的设计及器件选择（本文介绍的是由Power Integrations公司旗下的一款离线式开关IC——TinySwitch-Ⅲ系列组成的开关电源）、印制电路板的设计与制作、高频变压器的设计与制作（用软件设计的高频变压器参数和人工设计的高频变压器参数进行对比验证）以及电路的焊接和调试。由于采用了集成电路，电源的体积以及成本都得到了优化。 关键词 斩波电路 高频变压器 TinySwitch-Ⅲ开关IC 脉宽调制

目 次

1 引言 .................................................................. 1 2 课题要求 .............................................................. 2 3 开关电源基础原理及其类型 .............................................. 2 3.1 开关电源基础理论 ...................................................... 2 3.1.1 开关电源基本工作原理 ................................................. 2 3.1.2 开关电源的组成 ....................................................... 3 3.2 开关电源的类型 ........................................................ 3 3.2.1 开关电源类型简介 ..................................................... 3 3.2.2 单端正激式开关电源 ................................................... 5 3.2.3 单端反激式开关电源 ................................................... 5 3.2.4 正激式及反激式开关电源电路的方案设计 ................ 错误！未定义书签。 4 开关电源的电路设计 .................................................... 6 4.1 主电路设计 ............................................................ 6 4.1.1 整流电路的设计 ....................................................... 7 4.1.2 滤波电路的设计 ....................................................... 7 4.2 控制电路的设计 ........................................................ 9 4.2.1 输入欠压检测电路 ..................................................... 9 4.2.2 输出反馈电路 ......................................................... 9 4.3 保护电路的设计 ....................................................... 10 4.3.1 偏置电路过压保护 .................................................... 10 4.3.2 漏极钳位保护电路 .................................................... 10 5 高频变压器的设计 ..................................................... 12 5.1 高频变压器磁芯的选择 ................................................. 12 5.2 高频变压器导线的选择 ................................................. 13 5.2.1 漆包线的选择 ........................................................ 13 5.2.2 三层绝缘线的选择 .................................................... 14 5.3 利用软件设计开关电源及高频变压器的实例 ............................... 14 5.3.1 PI Expert9.0的主要特点 ............................................. 14 5.3.2 利用软件设计开关电源的实例 .......................................... 15 5.3.3 查阅并修改高频变压器参数的方法 ...................................... 22 5.4 设计高频变压器的基本公式 ............................................. 23 5.5 设计高频变压器的注意事项 ............................................. 25 6 开关电源的制作与测试 ................................................. 25 6.1 开关电源印制电路板（PBC）的设计 ...................................... 25 6.1.1 电路原理图的绘制 .................................................... 25

6.1.2 电路PCB图的绘制 .................................................... 27 6.1.3 多功能制版机制作PCB的流程 .......................................... 29 6.2 开关电源的测试 ....................................................... 29 6.2.1 测试的主要名词解释 .................................................. 29 6.2.2 输出电压调整率的测试 ................................................ 30 6.2.3 负载调整率的测试 .................................................... 30 6.2.4 输出电压纹波参数测试 ................................................ 31 7 主要元器件的介绍 ..................................................... 31 7.1 TinySwitch-Ⅲ系列开关IC介绍 ......................................... 31 7.1.1 引脚功能描述 ........................................................ 31 7.1.2 TinySwitch-Ⅲ主要功能描述 ........................................... 32 7.1.3 TinySwitch-III部分工作原理 ......................................... 34 7.2 超快恢复整流二极管BYV28-200 .......................................... 34 7.3 光耦PC817A ........................................................... 35 结 论 ..................................................................... 37 致 谢 ..................................................................... 38 参 考 文 献 ................................................................ 39 附录A 器件清单 ............................................................ 40 附录B 开关电源原理图 ...................................................... 41 附录C 开关电源PCB图 ...................................................... 42

1 引言

随着电力电子技术的高速发展，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80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，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或者单片开关电源集成电路构成。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。

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，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。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。

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2 课题要求

(1) 在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%～-20%条件下，输出电压可调范围5V

±10%

(2) 最大输出电流为2A；

(3) 电压调整率≤2%（输入电压220V变化范围+15%～-20%下，满载）； (4) 纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）； (5) 工作效率≥85%（输出电压5V、输入电压220V下，满载）；

3 开关电源基础原理及其类型

3.1 开关电源基础理论

3.1.1 开关电源基本工作原理

开关电源的核心电路就是直流斩波变换电路。顾名思义，DC/DC变换电路就是将直流斩波变换成固定的或者可调的直流电压。DC/DC变化电路除了广泛应用于开关电源外，还应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世界80年代兴起的电动汽车调速及控制等。最基本的直流斩波电路如图 3-1所示。当开关S闭合时，Uo=Ui，持续时间为Ton；当S断开时，Uo=0V，持续时间为Toff。则T=Ton+Toff为斩波的工作周期，斩波的放大后的理想工作波形就如图 3-1（b）所示。若定义斩波占空比k=Ton/T，则Uo=kUi。

图 3-1 基本斩波电路及其波形

除了上述斩波电路以外，还有其他常用的三种斩波电路，分别为：Buck（降压型）直流斩波变换电路；升压式直流斩波变换电路（Boost电路）；升降压式直流斩波电路。

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3.1.2 开关电源的组成

开关电源的基本组成如图 3-2所示。其中DC-DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

图 3-2 开关电源的基本组成

开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是功率主回路部分，完成能量的变换和传输，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容，但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。第二个模块是控制回路，控制回路比较复杂，早期由分立器件组成，随着大规模集成电路的发展，现在集成电路芯片逐步代替了分立器件，集成电路是电源产品体积小、可靠性高，给应用带来了极大方便。

3.2 开关电源的简介

3.2.1 开关电源的类型

直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。

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隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。各类型的开关电源特点如下。

（1）反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。

（2）正激式：电路拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中。

（3）半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦至数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。

（4）全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦至数千瓦的各种工业用开关电源中。

（5）推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的生生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。

下面就根据本课题，介绍与本课题相似的几款电路。

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3.2.2 单端正激式开关电源工作原理

单端正激式开关电源的典型电路如图 3-3所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时, VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

图 3-3 单端正激式开关电源典型电路

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。

由于这种电路在开关管VT1 导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也比较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。 3.2.3 单端反激式开关电源工作原理

单端反激式开关电源的典型电路如图 3-4所示。电路中所谓的单端是指高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。 开关电源中的高频变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以

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实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。

图 3-4 单端反激式开关电源典型电路

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20~100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，仅适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管T1承受的最大反向电压是电路工作电压的两倍，工作频率在20~200KHZ。本次课题采用的是反激式开关电源的方案。

4 开关电源的电路设计

4.1 主电路设计

开关电源的主电路包括整流电路，输入输出滤波电路，高频变压器，输出整流电路。其主电路的原理图如图 4-1所示。

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图 4-1 开关电源的电气原理图

4.1.1 整流电路的设计

电路中的桥式整流电路如图 4-2所示。在输入正弦波电压Uo的正半周，由D1,D4导通，负半周由D2,D3导通，如此交替导通，使得输出的电压为单向脉动性直流电。交流输入电压Uo经整流后的输出电压UL为：UL=0.9Uo。

图 4-2 输入整流滤波电路

输出端的整流电路由快速玻璃钝化二极管D7组成，如图 4-3所示。

图 4-3 输出整流滤波电路

4.1.2 滤波电路的设计

（1）EMI滤波

电磁干扰滤波器（EMI）亦称电源噪声滤波器，它能有效的抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。因此，被广泛应用于开关电源、电子测量一起、计算机机房设备等领域。EMI滤波器是由电容器、电感等元件组成的，其优点是结构简单，成本低廉，便于应用推广。

简易EMI滤波器采用单级（亦称单节）式结构；复杂EMI滤波器采用双级（亦称双节）式结构，内部包含两个单节式EMI滤波器，后者抑制电网噪声效果更好。

EMI滤波器的基本电路如图 4-4所示。该5端器件有两个输入端，两个输出端及一个接地端。使用时外壳接通大地。电路中包括共模扼流圈L、滤波电容器C1~C4，L对串模干

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扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后电感量迅速增大，因此对共模干扰产生很大的感抗，使之不易通过。它的两个线圈分别在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时，两个现券商产生的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，见表。当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量可以改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容，容量范围大致是0.01~0.47uF，主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出两端，并将电容的中点接通大地，能有效的抑制共模干扰。C3和C4的容量范围为2200pF~0.1uF。为减小漏电流，电容容量不宜超过0.1uF。C1~C4的耐压值均为630VDC或250VAC。

图 4-4 EMI滤波器的电路

表 4-1 电感量范围与额定电流的关系

额定电流I（A） 1 电感量范围L8~23 （MH）

（2）π型滤波

3 2~4 6 0.4~0.8 10 0.2~03 12 0.1~0.15 15 0.0~0.08 π型滤波功能与EMI滤波相似，包括两个电容器和一个电感器，它的输入和输出都呈低阻抗。π型滤波基本电路如图 4-2和图 4-3所示，C1、C2、L1及C10、C11、L2分别构成一个π型滤波器。

π型滤波有RC和LC两种：

在输出电流不大的情况下用RC，R的取值不能太大，一般几个至几十欧姆,其优点是

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成本低。其缺点是电阻要消耗一些能量，效果不如LC电路。LC电路里有一个电感，根据输出电流大小和频率高低选择电感量的大小。

4.2 控制电路的设计

4.2.1 输入欠压检测电路

输入欠压检测电路如图 4-5所示，R5一端连接输入电压整流后的正极，电流经R5流入EN/UV脚，根据流入该引脚的电流判断是否为欠压状态。在通电或自动重启动时功率MOSFET开关禁止期间，流入EN/UV引脚的电流必须超过25 μA，以启动功率MOSFET。引脚详细功能见第七章。

图 4-5 输入欠压检测电路

4.2.2 输出反馈电路

输出反馈电路采用光耦反馈电路，使用光耦反馈成本低，安全可靠。光耦反馈电路如图 4-6所示。VR3、R6、R4、U2构成偏置电路。齐纳二极管VR3调节输出电压。当输出电压超过齐纳二极管与光耦LED正向电压降之和时，电流将流向光耦LED，从而下拉光耦中

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晶体管的电流。当此电流超出使能引脚阈值电流时，将抑制下一个开关周期。当下降的输出电压低于反馈阈值时，会使能一个开关周期。通过调节使能周期的数量，可对输出电压进行调节。随负载的减轻，使能周期也随之减少，从而降低有效的开关频率，根据负载情况减低开关损耗。因此能够在负载极轻时提供恒定的效率，易于满足能效标准的要求。

图 4-6 光耦反馈电路

4.3 保护电路的设计

4.3.1 偏置电路过压保护

偏置电路过压保护如图 4-7所示。由变压器偏置绕组、D6、C6、R7、R3、VR2、R8构成偏置电压保护电路接至BP/M脚。

当发生过压情况时，如偏置电压超过VR2与旁路/多功能(BP/M)引脚电压(28 V+5.85 V)之和时，电流开始流向BP/M引脚。当此电流超过ISD时，TinySwitch-III的内部锁存关断电路将被激活。断开交流输入后，当BP/M引脚电压下降到低于2.6 V时,TinySwitch-III的内部锁存关断电路将重置。电阻R8将电流送入BP/M引脚，抑制了内部高电压电流源，通常此高压恒流源在内部MOSFET关断期间维持BP/M引脚的电容电压(C7)。此连接方式将265 VAC输入时的空载功耗大幅降低。引脚的详细介绍见第七章。 4.3.2 漏极钳位保护电路

漏极钳位保护电路如所示。由VR1、R1、R2、C4、D5组成。其中VR1为齐纳二极管（稳压二极管），D5一般采用快恢复或超快恢复二极管。但有时也专门悬着反向恢复时间较长的玻璃钝化整流管（1N4005GP），其目的是使漏感能量能够得到恢复，以提高电源效率。但不能用普通硅整流二极管1N4005代替1N4005GP。

各器件的参数及性能详情见第七章。

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图 4-7 偏置过压保护电路

图 4-8 漏极钳位保护电路

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sx33.html