单片开关电源及pcb设计--信息与电气毕业论文

本科毕业论文

题 目：单片开关电源及PCB设计 院 （部）： 信息与电气工程学院 专 业： 信息与电气工程 班 级： 通信162 姓 名： 张房晴 学 号： 201608102044 指导教师： 李志军

完成日期： 2016年12月11日

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目 录

摘 要 ????????????????????????????????I

Abstract …………………………………………………………………………………II 第一章 绪 论 ?????????????????????????????1

1．1 概述 ?????????????????????????????1 1．2 开关电源的发展简况 ??????????????????????2 1．3 开关电源的发展趋势 ??????????????????????3 第二章 方案论证 ????????????????????????????4

2．1 概述 ??????????????????????????????4 2．2 系统总体框图 ??????????????????????????4 2．3 工作原理 ????????????????????????????5 2．3．1 TOPSwitch-II的结构及工作原理???????????????6 2．3．2 单片开关电源电路基本原理 ??????????8

第3章 单片开关电源的设计 ???????????????????????9

3．1 概述 ??????????????????????????????8 3．2 单片开关电源参数的设计 ????????????????????10 致 谢 ???????????????????????????????22 参考文献 ???????????????????????????????23

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摘 要

电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。在这方面我国与世界先进国家的差距很大，作为一个电源工作者，不仅要设计出国际或国内先进的电源，还要考虑到电源的适应性以及电源的成本。只有具有先进性能的电源，加上合理的制作成本，才能使我国的电源产业赶超发达国家。这里着重介绍了基于TOP252Y的单片开关电源，通过运用先进的电力电子技术等技术，实现了将普通市电转化为稳定地电压电流输出。首先介绍开关电源的含义，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。随着各种各样电器的出现以及升级，它们都需要一个稳定的电源，本文系统介绍了一种较为实惠又很先进的稳压稳

流输出单片开关电源。

关键词：单片开关电源; 反激式；脉宽调制。

山东建筑大学毕业论文 The design of Single-chip Switching Power Supply and it’s PCB

Abstract

Electric and electronic technology has already developed into an intact high science, the development of electric and electronic technology has driven the development of the technology of the power supply, and the development of power technology has promoted the development of industry of the power supply effectively. The technology of the power mainly serves information industry, the development of the information technology has put forward higher request to the power supply, thus promoted the development of technology of the power supply, and it just had the vigorous information industry and power industry now. Can't do without the participation and support of the technology of the power from daily life to most advanced science, and the power technology and the power industry have very important function in raising the level of a country's labor productivity, namely improve an output level of national unit's energy consumption. In this respect, our country and developed country have very great disparity. As a power worker, not only design the international or domestic advanced power supply, but also consider the adaptability and cost of the power supply. Only the advanced and low-priced power supply could make the power industry of our country catch up with the developed country. Here, I will introduce the Single-Chip Switching Power Supply which based on the TOP252Y, by using the technology, such as advanced electric and electronic technology, it turns the ordinary electricity into the steadily voltage and current output. At first, I will introduce the meaning of the Switch Mode Power Supply, the Switch Mode Power Supply is a Power supply which utilizing modern electric and electronic technology, controlling the time rate of the ON /OFF of the switch transistor, and keeping the voltage output steadily, the switch power is

山东建筑大学毕业论文 generally made up with PWM IC and MOSFET [20]. With the appearance and upgrading of various electric apparatuses, all of them need one steady power supply, this text systematically introduces a kind of more advanced and very more low-priced single slice of Switch Mode Power Supply which has steadily voltage and current output.

Key words: single-chip switching power supply; flyback; PWM.

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第1章 绪论

1.1 概述

电源历来是各种电子设备中不可缺少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。开关电源（Switching Power Supply）自问世以来，就以其稳定、高效、节能等优良性能而成为稳压电源的主要产品。而高度集成化的单片开关电源，更是因其高性价比、简单的外围电路、小体积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼佼者，是设计开发各种高效率中、小功率开关电源的优势器件。随着生产、生活中自动化程度的不断提高，开关电源也朝着智能化方向发展，由微控制器控制的开关电源将单片开关电源与单片机控制相结合，更加体现了开关电源的可靠性和灵活性。在21世纪，随着各种不同的单片开关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广，单片开关电源越来越体现出巨大的实用价值和美好前景。

1.2 开关电源的发展简况

开关电源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。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。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。1997年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、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UC1825、UC1864。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初意－法半导体有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，

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适于制作低压输出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.5A～10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属DC/DC电源变换器

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。

1994年，美国PI公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列。该公司于1998年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列。在这之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（High Voltage Power Switching Regulator）。目前，单片开关电源已形成四大系列、近70种型号的产品。

1.3 开关电源的发展趋势

1955年美国罗耶（GH·Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS－FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。

其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样

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既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。

目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

我们这次毕业设计主要是研究TOPSwitch-II开关电源以及相关的PCB设计制作，力图使电路简单且易于调试，尽最大可能的方便用户的使用。在本次设计中，我们要掌握电路设计的基本方法和步骤，学会用计算机专用软件（Protel99）绘制电路原理图和设计制作印制线路板图，掌握标准化制图的基本规则，将理论和实践相结合，提高独立分析能力和解决问题的能力，为我们毕业后走上工作岗位打下一个良好的基础。

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第2章 方案论证

2.1 概述

整个系统以TOPSwitch-II芯片为核心，顺序流程连接各个功能模块，完成了将普通市电转化成所需要的稳定电流和电压。

2.2 系统总体框图

图2.1 系统总体框图

图2.1是本开关电源结构框图，图中显示了主要电路模块，其中开关占空比控制电路是基于TOPSwitch-II型芯片的控制电路[1]。

2.3 工作原理

2.3.1 TOPSwitch-II的结构及工作原理

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TOPSwitch-II器件为三端隔离反激式脉宽调制单片开关电源集成电路，但与其第一代产品相比，它不仅在性能上有进一步改进，而且输出功率有显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路。

TOPSwitch-II的管教排列图如图2.2所示，它有三种封装形式。其中TO-220封装自带小散热片，属典型的三端器件，本文主要采用此种封装形式的芯片。此外还有DIP-8封装和SMD-8封装，它们都有8个管脚，但均可简化成3个，两者区别是DIP-8可配8脚IC插座，SMD-8则为表面贴片，后者不许打孔焊接。

图2.2 TOPSwitch-II的管教排列图

TOPSwitch-II的三个管脚分别为控制信号输入端C（CONTROL）、主电源输入端D（DRAIN）、电源公共端S（SOURCE），其中S端也是控制电路的基准点。它将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到了三端芯片中，TOPSwitch-II的内部框图如图2.3所示。主要包括10部分：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；门驱动级和输出级；过电流保护电路；过热保护及上电复位电路；高压电流源。图中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。

TOPSWitch-II的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压Uo上升时，经过光耦反馈电路使得Ic上升，从而使得D下降，

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Uo也随之下降，最终使Uo不变。

TOPSwitch-II器件开关频率高，典型值为100kHz，允许范围为90-110kHz，开关管占空比由C脚电流以线性比例控制。电路启动时，由漏极经内部高压电流源为C脚提供工作电压Vc。（实际电路中C脚外部应接入电容，以电容的充电过程控制Vc逐步升高，以完成电路的软启动过程），其PWM反馈控制回路由Rc、比较器A1和F1等元件组成，控制极电压Vc为控制电路提供电源，同时也是PWM反馈控制回路的偏置电压，比较器A2的基准电压设置为5.7V，当Vc高于5.7V时，A2输出高电平，与此同时PWM控制电流经电阻R与振荡器输出的锯齿波电流分别输入PWM比较器A4的+/-输入端，这时因反馈电流较小从A3反向端输入的锯齿波信号经门电路G3和G4送至RS触发器B2的复位端+在锯齿波信号和时钟信号的共同作用下RS触发器的输出端Q被置为高电平，门极驱动信号（PWM信号）经G6，G7两次反相，送到开关管F2的栅极，开关管处于开关状态，当电路启动结束时Vc升至门限电压4.7V，A2输出高电平驱动电子开关动作，控制电路的供电切换至内部电源；正常工作时TOPSwitch器件通过外围电路形成电压负反馈闭环控制，调节开关管的占空比实现输出电压的稳定。

图2.3 TOPSwitch-II的内部框图

TOPSwitch器件具有关断/自动重启动电路功能，即当调节失控时立即使芯片在低

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占空比下工作，倘若故障已排除就自动重启动恢复正常工作。在自启动阶段（控制极电压Vc低于门限电压5.7V时），控制电路处于低功耗的待命状态，此时由于比较器A2的滞回特性，电子开关频繁地在高压电流源和内部电源之间进行切换，使得Vc值保持在4.7-5.7V之间。自启动电路由一个8分频计数器完成延时功能，阻止输出级MOSFET管F2连续导通，直到8个充/放电周期完全结束后才能再次导通。TOPSwitch器件通过预置V1m值来实现过流保护。TOPSwitch器件内部还设有过热保护电路，当芯片结温大于135度时关断输出级（MOSFET），从而实现过热保护目的。

2.3.2 单片开关电源电路基本原理

TOPSWitch-II单片开关电源典型电路如图2.4所示。高频变压器在电路中具备能量存储、隔离输出和电压变换着三种功能。由图可见，高频变压器触及绕组Np的极性（同名端用黑圆点表示），恰好与次级绕组Ns、反馈绕组NF的极性相反。这表明在TOPSWitch-II导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中，此时VD2截止。当TOPSWitch-II截止时VD2导通，能量传输给次级，刺激反击是开关电源的特点。图中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容。交流电压u经过整流滤波后得到直流高压UI，经初级绕组加至TOPSWitch-II的漏极上。鉴于在TOPSWitch-II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，可是功率开关管漏籍电压超过700V而损坏芯片；为此在初级绕组两端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）、阻塞二极管（VD1）组成，VD1应采用超快二极管（SRD）。VD2为次级整流管，COUT是输出端滤波电容。

目前国际上流行采用配稳压管的光耦反馈电路。反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压UFB，经光耦合器重的光敏三极管给TOPSWitch-II的控制端提供偏压，CT是控制端C的旁路电容。设稳压管VDZ2的稳定电压为UZ2，限流电阻R1两端

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的压降为UR，光耦合器中LED发光二极管的正向压降为UF，输出电压Uo由下式设定：

Uo=UZ2+UF+UR （2.1）

则其稳压原理简述如下：当由于某种原因致使Uo升高时，因UZ2不变，故UF随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使TOPSWitch-II控制端电流Ic增大。但因TOPSWitch-II的输出占空比D与Ic成反比，故D减小，这就迫使Uo降低，达到稳压目的。反之亦然[3]。

图2.4 单

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第3章 单片开关电源的设计

3.1 概述

开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电视电声、计算机等许多电子设备中得到了广泛的使用。为了进一步追求开关电源的小型化和低成本，人们不断研制成功一些复合型单片开关电源集成电路芯片。如美国电源集成公司（Power Integrations Inc， 简称PI公司或Power公司）推出的TOPSwitch-II器件就是其中的代表。TOPSwitch-II器件集PWM信号控制电路及功率开关场效应管（MOSFET）于一体，只要配以少量的外围元器件，就可构成一个电路结构简洁、成本低、性能稳定、制作及调试方便的单端反激式单片开关电源。

3.2 单片开关电源电路参数的设定

下面将比较详细的叙述这些参数求得过程并完成电子表格。 (1) 确定开关电源的基本参数 1交流输入电压最小值umin=85V ○

2交流输入电压最大值umax=265V ○

3电网频率fL=50Hz ○

4开关频率f=100kHz ○

5输出电压Uo=24V ○

6输出功率Po=50W ○

7电源效率η=85% ○

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8损耗分配系数Z：Z代表次级损耗和总损耗的比值。在极端情况下，Z=0表示全部损耗○

发生在初级，Z=1则表示全部损耗发生在次级。在此，我们选取Z=0.5。 (2) 反馈电路类型及反馈电压UFB的确定

我们可参照表1中的数据确定参数，因为我们采用配TL431的光耦反馈电路，所以UFB的值便一目了然。

(3) 输入滤波电容CIN、直流输电压最小值UImin的确定

由表2可知在通用85~265V输入时，CIN、UImin的值都可大概确定，其中，我们确定UImin的值为90V，而输入滤波电容的准确值不能从此表中得出。

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过低，会使UImin的值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过高。会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍CIN准确值的方法。

表1 反馈电路的类型及UFB的参数值

反馈电路类型 基本反馈电路 改进型基本反馈电路 配稳压管的光耦反馈电路 配TL431的光耦反馈电路 UFB/V 5.7 27.7 12 12 Uo的准确度/（%） ±10 ±5 ±5 ±1 Sv/（%） ±1.5 ±1.5 ±0.5 ±0.2 SI/（%） ±5 ±2.5 ±1 ±0.2 表2 确定CIN、UImin值

u/V 固定输入：100/115 通用输入：85~265 Po/W 已知 已知 比例系数/（μF/W） 2~3 2~3 CIN/μF （2~3）·Po值 （2~3）·Po值 UImin/V ≥90 ≥90 - 10 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xjp7.html