农业大学
毕业论文（设计）
题目：多路输出开关电源设计
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目录
摘要................................................................................................................................................................. I Abstract .............................................................................................................................................................. II 1 绪论. (1)
1.1 课题背景及意义 (1)
1.2 开关电源简介 (1)
1.3 开关电源的发展历史和发展前景 (2)
2 开关电源的工作原理及分类 (5)
2.1 开关电源的工作原理 (5)
2.2 开关电源的设计指标 (6)
2.3 开关电源的调节方式 (7)
2.4 开关电源分类 (8)
3 电路主要元器件选择 (18)
3.1 单片开关电源芯片的选取 (18)
3.2 变压器 (22)
4 开关电源电路设计 (27)
4.1 EMI滤波器设计 (27)
4.2 开关电源的高频变压器设计 (28)
4.3 保护电路和输入端整流电路设计 (31)
4.4 反馈电路设计 (34)
4.5 次级输出滤波电路和稳压电路设计 (36)
4.6 输出端稳压电路设计 (38)
5 总结 (43)
5.1 全文总结 (43)
5.2 工作展望 (43)
参考文献 (45)
致 (47)
附录.................................................................................................................................. 错误!未定义书签。
多路输出开关电源设计
摘要
在深入分析开关电源工作原理和特点的基础上，根据设计指标的要求完成了一款单端反激式两路输出开关电源的设计。本文首先介绍了开关电源的发展历程及其工作原理，分析了开关电源的几种调节模式和几种工作电路；进而通过分析选定电路需要的元器件，包括TOP223P、TL431三端可调分流基准电压源、LM2575系列开关稳压集成电路和几种不同类型的二极管；最后设计出完整的总电路。主要电路包括输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
该电源具有宽电压输入，多路稳定输出、纹波和噪声可控制等优点。在完成电路的研究和焊接后通过不断的改进与完善，最终得到的结果基本符合预期，效果比较理想。
关键词：开关电源；多路输出；TOP223P；脉宽调制；反激式
The Design of Multiple-Output Switching Power Supply
Abstract
Based on the analysis of the working principle and characteristics of switching power supply, the design of a single ended flyback two-way output switching power supply is accomplished according to the design requirements. In this paper, we first introduce the development of switching power supply and its working principle, analysis of the switching power supply of several regulatory mode and several working circuit; then, through the analysis of selected circuits require components, including top223p TL431, three terminal adjustable shunt reference voltage source, the LM2575 series switching regulator IC and several different types of diodes. Finally, we have designed integrated circuit. The main circuits include the input electromagnetic interference filter (EMI), the rectifier filter circuit, the power converter, the PWM controller and the output rectifier filter circuit.
The power supply has the advantages of wide voltage input, multi-channel stable output, ripple and noise control etc. After the completion of the research and the improvement of the circuit, the final result is basically in line with the expectation, the effect is comparatively ideal.
Key words: Switching Power Supply; multiple output; TOP223P; PWM; Fly back
1绪论
1.1 课题背景及意义
最近几年，电子科技的迅速发展使得人们的工作、生活和学习与各种的电子产品的联系日益紧密，这也使得电子系统的应用领域越来越广泛。电子产品对输入的电压有很多指标要求，越来越多的电子产品的正常工作需要同时提供多个不同数值的直流稳压电，这就对电源的多路输出功能提出了要求；并且电子设备的小型化和低成本化也使得开关电源向着轻、薄、小和高效率的方向发展。单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，它能够构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，所以代表着当今开关电源发展的趋势。
开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优势在控制设备、电子检测设备、通讯设备等各种电子应用的领域中得到越来越广泛的应用。因此，对开关电源的研究和设计具有重要意义。
本文设计的开关电源是直流12V和直流5V两路输出，控制电路部分选用TOP223P芯片，这种单片的开关电源可以极大的简化产品设计流程和新产品开发周期，并且在其它性能上也有很大优点。
1.2 开关电源简介
开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率围基本上取代了线性稳压电源，并迅速向功率围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。可以说，开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主
流技术[1]。
开关电源的产生依赖于现代电力电子技术的高速发展，比如各种功率管的性能改进，开关电源是通过改变功率管的占空比，也就是调节功率管的导通时间在一个周期所占的比率，从而输出稳定电压的一种电源。开关电源一般是通过脉冲宽度调制（PWM）输出固定频率和固定幅度的脉冲来控制IC和MOSFET的导通和断开而实现。
1.3 开关电源的发展历史和发展前景
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（旧称可控硅）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，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用于芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展，目前，开关频率已从20KHZ左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）、瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（VSR）、熔断电阻器（FR）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMI）、高导磁率磁性材料、三重绝缘线、等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。
进入21世纪，伴随着电力电子技术的飞速发展，开关电源的发展也步入高速阶段。其发展的趋势主要有以下几个方向[2]：
（1）高频率、重量轻和体积小
开关电源重量和体积就是其机组成元器件的体积重量。因此，尽量减小或减少组成开关电源的元器件就可以实现开关电源的体积和质量减少的目的。目前来说，由于电力电子
技术的飞速发展，比如电容、二极管、三极管、MOSFET管等，在保证其性能提高的前提下，其体积越来越小，这也是现在电力电子发展的重要方向。因此开关电源的体积和质量不断地减小。一般来说，频率的提高不仅仅可以使你所选元器件的体积减小，而且可以大幅提高系统的工作性能。如今电气发展迅猛，逐渐趋向于智能化，因此，开关电源是必不可少的[3]。比如手机的移动电源、笔记本的充电器、甚至电动车的电源设备等等。
（2）高效率和可靠性高
开关电源相对于早些时间的线性电源来说，其组成的元器件比较少，单从这方面讲就可以提高开关电源的稳定性，可靠性。另一方面，组成开关电源的元器件是有寿命的，例如二极管、电容、三极管，它们有一定的使用期限，也就是和人一样，它们是有寿命的，减少开关电源的元器件就可以尽可能的提高开关电源的使用寿命，避免了因为元器件的繁多以及集成电路的复杂导致某一个器件烧坏而降低开关电源的寿命。另外，努力提高开关电源的工作效率，一方面可以减少电能的流失，提高电能利用率。另一方面，降低了开关电源的损耗，减少了电源的发热量，并且提高了开关电源的可靠性。
（3）降低噪声和提高动态响应
噪声大成为开关电源的一个不足之处。开关电源的工作频率的提高确实是开关电源的一大发展方向，可是开关电源的噪声随之增大也伴随着发生。因此，设计中可以根据具体情况，具体的设计要求，电路环境等因素设计去噪音的有效电路。因此，降低开关电源的噪声干扰技术的研究和发展即是重点又是难点。开关电源中高频二极管、MOSFET管、IGBT 管的使用可以有效的提高开关电源的动态性能，所以高频二极管、MOSFET管、IGBT管等电力电子设备的改进刺激着开关电源的发展。
（4）数字化
如今，电力设备也逐渐的智能化，开始走进人们的生活，例如智能电视，智能冰箱等。
智能化的发展离不开数字化做依托，所以电力产品也逐步数字化。模拟信号作为控制部分的传统的电子电路逐渐被抛弃，取而代之的是数字信号的引入，随着数字信号处理技术的日趋完善，数字信号和数字电路也显得越来越重要。目前而言，数字电源的发展还不是很成熟，仅仅占整个开关电源的很小一部分，但是数字开关电源具有传统模拟开关电源所不具备的适应性与灵活性，受到各行各业的关注因此，开关电源的数字化是未来的发展趋势，也是开关电源的主要研究方向之一[4,5,6]。
（5）高度集成化
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─制电路实现集成化。1997年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制器集成电路。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHZ的高速PM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型的产品如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，如将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中[7]。
2 开关电源的工作原理及分类
2.1 开关电源的工作原理
开关电源是把市电的交流输入电压转化为各种电力电子设备工作时所用的直流电的装置。它的工作原理：输入的交流市电经过整流和滤波后转变为含有一定脉动成分的直流高压电；然后再通过控制功率变换器中的功率关管的导通和截止时间以及高频变压器的作用，转变成高频脉冲电压；高频脉冲电压经过输出端的整流和滤波电路转变成为稳定的直流电压，最后再通过稳压电路进一步稳压并输出给负载。
开关电源系统的典型工作电路框图如2-1图所示，主要由四部分组成：输入电路，功率变换电路，输出电路和控制电路[8]。每个部分的组成和功能为：
图2-1 开关电源系统的典型工作电路框图
(1)输入电路：输入端的保护电路由保险丝和压敏电阻组成。保险丝可以在电路发生故障或出现异常时，当电流升高到限定围值时，自身熔断以切断电流的通路，从而保护电路的安全运行；压敏电阻用来吸收从电网窜入的浪涌电压，对电路进行过压保护。滤波电路由安规电容和共模捉流圈组成，对电路工作过程中产生的串模干扰和共模干扰起到抑制作
用。一次侧输入整流电路利用二极管的单向导电性能，可以把经过滤波后的高频交流电压转换为含有较小交流分量的直流电压。
(2)功率变换电路：由功率开关管和高频变压器组成，是开关电源最重要的部分。该电路用于把流经一次整流滤波后的直流高压转变成高频率的脉冲电压，然后经过变压器再转换为满足设计要求的隔离输出交流电压。
(3)控制电路：由反馈电路，开关电源专用控制芯片和保护电路组成。反馈电路把反馈绕组上的取样电压与基准电压进行比较后产生的误差信号送入控制芯片，通过芯片部电路产生的占空比波形来改变功率开关管在一个周期的导通时间和关断时间的比率，来达到稳压的目的。在开关电源工作过程中，若电路出现异常或者各项参数超过设计限定值时，保护电路会将保护信号送到控制器使开关电源暂停或停止工作来保护器件。
(4)输出电路：由整流电路和滤波电路组成，将高频脉冲电压整流滤波为满足输出标准的直流电，与输入整流滤波电路工作原理相同。
2.2 开关电源的设计指标
在进行开关电源设计时,为了使设计的电源能够满足使用要求,需要收集好电源的各项
技术指标,如电源的工作环境,输入输出参数等。根据指标要求设计的开关电源需提供两路直流电压输出:两路分别为+12V、+5V共地直流电压。根据设计目的，要求开关电源的性能指标如下:
(1)输入电压参数:市电220V；
(2)输入交流电压围:85V265V；
(3)输入电压频率:50Hz；
(4)效率ƞ:85%；
(5)输出电压/电流参数:+5V/2A，+12V/0.5A；
(6)输出电压准确度:≤3%；
(7)纹波系数:≤1%。
2.3 开关电源的调节方式
2.2.1 脉冲宽度调制
脉冲宽度调制（PWM）是在频率一定的情况下，通过改变占空比来控制输出的一种调制方式。所谓占空比就是元器件导通时间占整个工作周期的比重。脉冲宽度调制器的频率是可以调节的，一般通过其部结构产生频率一定的震荡波形，从而确定工作频率。更重要的一点是，脉冲宽度调制配备反馈环节，输出的电压值会被反馈到脉冲宽度调制器，进行比较、分析，进而调节，确保输出稳定可靠地电压值。脉冲宽度调制电路一般应用DC-AC，DC-DC的电路中[9]。
2.2.2 脉冲频率调制(PFM)
脉冲频率调制PFM(Pulse Frequency Modulation)不同于脉冲宽度调制，它是通过改变工作电路的工作频率从而引起部变化进而调节输出的一种调制方式。该调制方式在低负载时的效率相比于其他调制方式要高，并且PWM中含有误差放大器，所以相对于PWM，PFM具有较快的响应速度。但是高负载时转换效率并不理想，较PWM要差。除此之外，脉冲频率调制滤波非常困难[10]。
2.2.3 混合的调制方式
混合调制方式，PFM-PWM-PSM结合的方式，这种调制方式比较灵活，因为设计者可
以根据电路中负载值得不同而选择不同的调制方式。并且设计者可以根据各种调制方式的优缺点来结合，从而达到最佳的工作方式。但是，混合调制方式的工作电路比较复杂，这样增加了设计的难度，对设计者的要求也相应的提高了[11]。
2.4 开关电源分类
随着科技的进步，电力电子技术向着多元化的发展，电力电子产品也变得多种多样。伴随着，电力电子设备所需求的电压围也变得越来越宽，比如一些数字电路中要求的电压就比较小，一般在10V以下；一些模拟电路中所需的电压一般在10V以上；还有一些大型的用电设备所需的电压可以达到1000V甚至更高。所以电源装置的设计就必须跟上步伐，以满足各方面的需求。实现电能的转换，电压的改变有两种方法：线性电源和开关电源。
图2-2 线性电源
线性电源如图2-2，电路包括工频变压器、整流滤波电路、稳压电路。首先工频变压器为输入电压降压，然后经过整流滤波电路，去除滤波并输出直流电，最后由稳压电路线性调节，输出稳定电压。线性电源的调整管工作在放大区，因此发热多，效率小（35%左右），需要加体积庞大的散热片，并且还要配上大体积的工频变压器。开关电源的开关管工作在饱和和截至区，所以发热量少，效率大（75%以上）并且省掉了体积很大的变压器。但是线性电源纹波小。所以开关电源很好的适用于那些对电源的效率和安装的体积有规定
的环境，而对电磁干扰和电源纯净性有规定的环境（如电容漏电检测）多选择线性电源。
开关电源可以分为隔离式和非隔离式两种，下面着重介绍开关电源的分类[12,13]。
2.4.1非隔离式开关电源
非隔离式开关电源的电路结构比较简单，主要由电感、电容、晶体管、电阻等小元器件组成。通过改变开关管的占空比来改变输出电压的大小，最基本的四种电路拓扑结构如下。
一、Buck（Step Down）变换器
Buck变换器又被叫做降压变换器。电路包括电源电压，占空比已知且一定的晶体管Q，电感线圈L，二极管D1，负载R和电容C组成，通过控制晶体管的占空比，从而实现将输入电压降压的功能[14]。电路结构图如图2-3所示：
图2-3 Buck降压电路
Buck变换器工作过程：开关管Q导通时，电感L上通过的电流L i在没有达到饱和状态之前，将会线性的增加，且值与输入电流is相同；负载R上流过的电流值大小为o i，R两端输出电压值为Vo。当o i 和电流保持不变。此时二极管D1的电压变为上负下正，正向导通工作时为电感电流L i 提供通路，被称为续流二极管。 用伏秒平衡来列出式子： ()00on off U U T U T -= 公式（2-1） 上式Ton 是开关管的导通时间，Toff 是开关管的截止时间；T 是开关管工作周期，D 是占空比，D=Ton/T 。由2式可知，由开关管占空比的改变就可以控制输出平均电压的大小。由于占空比总是不大于1，所以总是小于U ，因此Buck 电路是降压电路。 二、Boost （Step Up ）变换器 Boost 变换器的原理图如图2-4所示： 图2-4 Boost 升压电路 Boost 变换器的组成类似于Buck 变换器电路。晶体管的导通和断开的状态受外在提供的脉冲信号控制，通过改变脉冲信号的占空比来实现将低压升到高压的目的，并且输出电压可调[15]。 Boost 变换器工作过程：当晶体开关管Q 导通时，电流流过电感线圈L ，并且储存能量，此时电容为C 放电状态，释放的电荷为负载R 供电，这里设R 上流过的电流为Io ，两端的电压值为Vo ，此时二极管被截止。设晶体管通态时间为T ON ，此段时间里电感上所积 累的能量为V ·I L ·T ON 。当晶体开关管Q 关断时，电感会阻止电流的减小，电感会产生感应电动势，此时L 中的电磁能量会转化成电压V 并与输入端电压V 串联后共同向电容C 和输出端负载R 供电。因此电路输出的电压要大于输入电压。 根据伏秒平衡有式（2-3）、（2-4）： 0()on off UT U U T =- 公式（2-3） ()()0111on off off T T T U U U U T D T D +===-- 公式（2-4） 要获得所需的电压需改变开关管的占空比，而且由于D 总是小于1，因此U 0也一定高于V1，如此来看，Boost 电路能实现升压功能的原理就不再难理解。 三、Buck-Boost 变换器 Buck-Boost 变换器又被称为降压一升压变换器，它是在将Buck 变换器和Boost 变换器结合而组成的电路[16]。经过等效简化后形成如图2-5所示： 图2-5 Buck-Boost 电路 工作过程：晶体开关管Q 工作在导通状态时，电源电流is 流过电感L ，电感储存能量，此时电容C 向负载R 放电，二极管Dl 反向截止。开关管Q 断开时，电感电流L i 有减小趋势，为了保持L i 不变，L 产生反向自感电势，使L 两端电压变为下正上负，二极管D1此时正向导通，负载R 两端输出电压，此时电容C 处于充电状态，以保证晶体管关断是为负载提高电压。其公式为： E E Ton T Ton E Toff Ton U σσ-=-==1 (2-5) 式中σ为占空比，改变占空比可以使输出的电压大于或者小于电源电压。 四、Cuk 变换器 Cuk 变换器又称Boost-Buck 串联变换器，它也是通过前两种电路结构而成组合，创新之处是电路中多了个电感，有效地保存了电能[17]。由晶体管和二极管组成的Cuk 变换器电路结构图如图2-6所示： 图2-6 Cuk 电路 Cuk 变换器工作过程:晶体管Q 在导通状态时，输入输出环路闭合，二极管D1被反向截止，输入端电流it 流过电感L1，L1此时储存能量，C2释放电荷，供电给负载并使电感L2储能，晶体开关管中流过的电流为it 与i2之和。晶体管Q 断开期间，二极管D1处于导通状态，使输入环路和输出环路工作在闭合状态，电源输入电流it 和电感L 的释能电流同时为电容C1提供充电电流；电感L2的释能电流为负载提供能量。其计算公式和式2-5相同： E E Ton T Ton E Toff Ton U σσ-=-==1 (2-6) 2.4.2 隔离式开关电源 隔离式开关电源是通过变压器来实现升压、降压或稳压的，主电路部分同样也是由晶体管等元器件组成。下面介绍几种简单地隔离式开关电源的类型。 一、单端正激式变换器 图2-7 正激式变换电路 单端正激式变换器电路比较简单，其可靠性较高。它更适合应用在输出功率在100—200W的场合。 当晶体管Q导通时，二极管D1反向截止，线圈N1'产生感应电压，电流流过初级线圈N1。次级线圈N2中产生感应电流，流过二极管D2，电感L和电容C储存能量，并且电流流过负载R，输出电压O U。当晶体管Q截止的时候，初级项圈N1中储存的能量通过D1和N1'返回到电源，此时由于电感和电容中储存的有能量，二极管D3导通，D2截止，电流经过电感、R、D3形成回路，从而正常工作。这里需要注意的地方是，为了保证晶体管再次导通前变压器中的能量完全释放，免于损坏晶体管，应该保证晶体管的导通时间要小于截止的工作时间。此种电路中变压器的结构比较复杂，体积比较大，所以目前应用较少[18]。 二、单端反激式变换器 反激式变换器的电路结构组成比较简单，可以在输出端引出多路输出，常用于输出功率在150W以下的小功率输出电路。电路如图2-8所示： 图2-8 反激式变换器电路 当晶体管Q导通时，二极管D1和线圈N1'不通，变压器初级线圈N1储存能量，由于初级线圈N1和次级线圈N2的同名端相反，所以次级线圈中的感应电压上负下正，二极管D2反向截止，此时由电容释放电荷为负载R提供输出电压O U。当晶体管Q截止时，初级线圈中的能量通过D1和N1'返回到电源，并且对晶体管Q起到保护作用，此时次级线圈中的极性反向，电压上正下负，因此D2导通，电容充电，并为负载提供输出电压。该电路中变压器的结构也比较复杂，所以很少用到[19]。 三、推挽式功率变换器 推挽式功率变换电路工作时两个功率开关管Q1和Q2交替导通或截止。当Q1和Q2分别导通时，变压器初级绕组有相应的电流经过，从而在变压器次级绕组中有功率输出。推挽式功率变换电路的原理图如图2-9所示： 多路输出开关电源设计 安森美半导体公司的NCP1252是一款电流模式PWM控制器，它使用内部固定的定时器，可以不依赖于辅助电压来检测输出过载。文章介绍了基于NCP1252芯片的多路输出开关电源设计，分析了开关电源的工作原理，给出了设计步骤。该开关电源可提供软起动、短路保护、过流保护等功能，并将该电源成功用于某型雷达收发机，验证了分析、设计的有效性。 标签：NCP1252芯片；多路输出；开关电源 Abstract：The ON Semiconductor’s NCP1252 is a current-mode PWM controller that uses internally fixed timers to detect output overload without relying on auxiliary voltages. This paper introduces the design of multi-output switching power supply based on NCP1252 chip，analyzes the working principle of switch power supply，and gives the design steps. The switching power supply can provide soft start，short circuit protection，over-current protection and so on. The power supply has been successfully used in a certain type of radar transceiver，which verifies the effectiveness of the analysis and design. Keywords：NCP1252 chip；multiplex output；switching power supply 引言 电源如同人的心脏，为各种电子设备提供电能，性能优劣直接影响到整个电子系统的稳定性。目前常用的直流稳压电源根据调整管的工作状态分为线性电源和开关电源两大类，线性电源应用较早，电路简单，元器件少，但随着输出功率的增加，工频变压器的体积不断增大，而且，其效率低、散热难；开关电源的功率器件工作在高频开关状态，自身功耗小，转化效率高，此外开关电源还具有体积小、重量轻、稳压范围宽等优点，其不足之处就是电路复杂，对变压器要求很高。由于开关电源优越的性能，势必将得到越来越广泛的应用。 本文围绕NCP1252芯片设计了一种多路输出开关电源，并应用在某型号导航雷达的收发机内，效率高，稳定性好。 1 NCP1252内部结构与功能特点 NCP1252是一款应用于正激和反激式的电流模式PWM控制器，适合于计算机ATX电源、交流适配器及其它任何要求低待机能耗的应用。它集成固定的定时器，可在不依赖辅助电源时检测输出过载；具有跳周期模式，能够空载工作。此外还可调节开关频率，增强设计的灵活性；带有闩锁过流保护功能，能够承受暂时的过载。其它特性包括可调节软启动时长、内部斜坡补偿、自恢复输入欠压检测等。 多路输出式单片开关电源的电路设计 （单片开关电源技术讲座之三） 河北科学大学沙占友庞志锋武卫东（石家庄050054） 摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片。本文阐述其多路输出式电路设计方法。 关键词：单片开关电源多路输出电路设计 中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编号：0219－2713(2000)10－545－04 许多家电产品（如电视机、机顶盒解码器、录像机）都需要由多路稳压电源来供电。在电子仪器、自控装置中也要给各种模拟与数字电路提供多路电源。利用单片开关电源可实现多路电压输出。下面通过一个典型实例来详细介绍多路输出式开关电源的优化设计。 1电路设计方案 1．1确定多路输出的技术指标 假定要设计的开关电源具有三路输出：主输出UO1（5V，2A，10W）,辅助输出为UO2（12V，1.2A，14.4W）和UO3（30V，20mA，0.6W）。总输出功率为25W。技术指标详见表1。 各路输出的稳压性能对于电路结构和高频变压器的设计至关重要。通常，主输出的稳定性要高于辅助输出。现将＋5V作为主输出，专门供CMOS，TTL数字电路使用，其负载调整率SI≤±1％，其余两路优于±5％。 1．2确定反馈电路 多路输出的反馈电路有四种类型：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。以第四种电路的稳压性能为最佳。利用表2可选定反馈电路。需要指出，多路输出要比单路输出的SI值高，并且主输出指标优行辅助输出。 表2可供多路输出选择的四种反馈电路 反馈电路类型 负载调整率 电路说明主输出 辅助输 出 基本反馈电路±5％≥10％在输出端并联一只稳压管，可改善轻载时的负载调整率。 改进型基本反馈电 路±2.5 ％ ≥10％在反馈电路中增加稳压管和电容。 配稳压管的光耦反 馈电路 ±2％≥5％由稳压管提供参考电压。 农业大学 毕业论文（设计） 题目：多路输出开关电源设计 姓名： 学院： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 年月日 毕业论文（设计）诚信声明 本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了意。论文（设计）作者签名：日期：年月日 毕业论文（设计）使用授权书 本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为农业大学。 论文（设计）作者签名：日期：年月日 指导教师签名：日期：年月日 目录 摘要................................................................................................................................................................. I Abstract .............................................................................................................................................................. II 1 绪论. (1) 1.1 课题背景及意义 (1) 1.2 开关电源简介 (1) 1.3 开关电源的发展历史和发展前景 (2) 2 开关电源的工作原理及分类 (5) 2.1 开关电源的工作原理 (5) 2.2 开关电源的设计指标 (6) 2.3 开关电源的调节方式 (7) 2.4 开关电源分类 (8) 3 电路主要元器件选择 (18) 3.1 单片开关电源芯片的选取 (18) 3.2 变压器 (22) 4 开关电源电路设计 (27) 4.1 EMI滤波器设计 (27) 4.2 开关电源的高频变压器设计 (28) 4.3 保护电路和输入端整流电路设计 (31) 4.4 反馈电路设计 (34) 4.5 次级输出滤波电路和稳压电路设计 (36) 4.6 输出端稳压电路设计 (38) 5 总结 (43) 课程设计说明书 程设计名称：电子技术课程设计 题目：多路输出开关电源 学生姓名： 专业： 学号： 指导教师： 日期：2010年 7 月 2 日 成绩 多路开关输出电源 摘要：在我们的身边，经常接触到很多关于电子线路的设备。在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。所以直流稳压电源是电子系统中经常应用到的。本设计将通过多路输出直流稳压电源是设计说明稳压电路的工作原理和稳压的电源的指标及其测试方式。在电子线路设计中通常都需要电压稳定的直流电源供电，其往往采用交流电源经过转换得到的，其性能的好坏直接影响整个电子设备，一般电源主要由电源变压器, 整流电路，滤波电路和稳压电路四部分组成。一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。 关键词：直流稳压电源, 电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路。 Abstract：Around us, often exposed to a lot of equipment on the electronic circuit. Electronic circuits and devices, generally requires a stable DC power supply. Therefore, DC power supply is often applied to the electronic system's. This design will be through a multi-output DC power supply regulator circuit is designed to explain the principle and regulator of the power indicator and test methods. In the design of electronic circuits requiring voltage stability is usually DC power supply, which often use AC power through transform be of, the direct impact of their affect all electronic equipment, general power main You power transformer, rectifier, analog filter and regulator circuit composed of four parts. Keywords：DC regulated power supply，power transform,rectifying circuit，filter circuit，voltage stabilizing circuit. 大功率装置用多路输出高压隔离新型开关电源设计 夏凌辉，吕征宇，费万民 （浙江大学电力电子国家重点实验室，浙江杭州310027） 摘要：基于专利技术［1］，通过设计高频交流电流源和一种特殊的输岀变压器，研制了一种用于短路故障限流器中晶闸管驱动的多输岀开关电源。给岀了主电路拓扑结构，叙述了输岀变压器的结构及特点，分析了系统的工作原理，进行了校验电源有效性的仿真，开发了一台样机并成功应用在限流器实验装置中。 关键词：多路输岀；高压隔离；驱动电源；短路故障限流器 1引言 随着高压大功率电力电子装置的不断发展，串接在一起的驱动电源之间，往往需要承受极高的工作电压。近来，多级隔离技术越来越多地被用在电路的驱动系统中，以满足高电压隔离的需要；但这同时也使得开关管的驱动电路越来越复杂。如图1所示是一个使用在三相接地系统中的固态短路限流器。它是 由晶闸管三相整流器和一个限流电感组成的。限流器主要被用在15kV的电力系统中。考虑到电源电压的 波动，晶闸管阻断电压限制和均压系数等因素，图1中所示限流器中的每个晶闸管阀在实际中必须要用8 个6kV等级的晶闸管串联组成。这样在限流器中的晶闸管总数达到了64个，则至少需要有61路高压隔离 驱动电源用到这些晶闸管的门极驱动中。所以，开发一个新型的电源用作限流器中晶闸管的门极驱动电源是一项非常重要的任务。 图1 三相接地系统固态短路限流器主电路拓扑 Dusan M. Raonic ［2］提出了一种晶闸管自我供能的门极驱动方式，它把一个缓冲电容作为能量存贮单元，解决了几乎每个功率开关管都存在的对隔离电源的需求。但是，这种方式只能被用于工作在功率变换器直流侧的晶闸管和GTO的门极驱动中。Chang Liuchen ［3］研制了一种驱动板电源用于三相逆变器中大 功率IGBT的驱动，它通过一个多绕组的变压器，实现了4路相互隔离的输岀。这种电源的缺点是随着输 1 前言 作为带动产业规模扩大的直接动力，新增投资和新建项目一直是产业发展的风向标，多年以来，中国集成电路产业的竞争格局一直呈现国有和外资企业平分天下的态势。但近几年来，随着外资和民间资本加速进入国内集成电路行业，以上产业格局正在发生根本性的改变，其总的趋势是外资企业开始占据主体地位，民营企业也开始发挥举足轻重的作用。 开关电源的设计通常选用PWM 集成芯片。近年来，将PWM 控制电路、保护电路成到一块芯片上的开关电源集成控制器，由于其外围电路简单和高可靠性等优点，受到了电路设计人员的欢迎常见的PWM控制器分为电压控制型和电流控制型两种。电压型PWM是通过反馈电压来调节输出脉宽.电流型PWM 是通过输出电感线圈的电流信号与误差放大器输出信号相比较来调节占空比，从而使电感峰值电流随误差电压变化而变化。目前电流PWM 控制器是较理想的一种PWM 控制器。 下面介绍一种采用UC3844 高性能电流PWM控制器的反激式开关电源电路，该电路具有电流反馈和电压反馈双环控制的优点，电压调整率和负载调整率高。其中光耦HI1A1和三端稳压管TL431 配合控制大大提高了电源电压的瞬态响应速度和调整率。 实验证明该电路具有良好的性能和很高的应用价值随着现代科技的高速发展，功率器件的，设计了一种多路输出的单端反激式开关电源电路。该电源性能优良，具有稳压效果好，纹波小，负载调整率高等优点．可作为电机控制的电源模块，具有很高的应用价值。由于其外围电路简单和高可靠性等优点，受到了电路设计人员的欢迎。 2系统方案设计 2．1 方案比较 方案一： 图1.1 方案一方框图 方案一中从220V交流电输入经过滤波稳压后得到一个相对稳定的电压，在经过变压器对起进行变压，然而在变压后其波中还有杂波，电压也不稳定在对起进行滤波稳压，但是当运用于输出负载是对其输出电压有冲击影响，所以使用反馈电路使其对电压进行调节来对输出稳压。通过输出端的电压反馈和输入端的电流反馈使输出电压更加稳定。下面方案二是它的改进型。 方案二： 图1.2 方案二方框图 方案二是方案一的改进型在方案一的基础上对其反馈电路使UC3844和PWM控制器为核心的使用用反馈回路通过控制器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的，变压器5 V输出通过三端可调稳压管TL431 和光耦H11A1以电压反馈的形式反馈到UC3844的2脚。当5V输出绕组的电压大于5V时加在三端可调稳压管上的参考电压升高，流过光耦器件H11A1中二极管的电流增大三极管上的电流也相应地增大， 开题报告 电气工程及其自动化 多路开关电源的研究和设计 一、课题研究意义及现状 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而取代传统技术设计制造的连续工作的线性电源，并广泛应用于电子、电气设备中。[1]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构成。[4]开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线形电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。[2-3] 与线性电源相比，PWM开关电源更为效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。[8]一些电力电子组件(PEBB)的研究、功率集成技术的研究、新型原材料和元器件的研 究都希望从不同程度上提高电源的整体品质。电源相关技术的研究正处于迅速发展的阶段， 可以预计下面几个问题是开关电源发展的永恒方向。 ①开关电源的频率要高，这样动态响应才能快。配合高速微处理器工作是必需的 是减小体积的重要途径。 ②体积要减小，变压器、电感、电容都要减小体积。 ③效率要高，产生的热能会减少，散热会更加容易，易于达到高功率密度。 自20世纪90年代以来，开关电源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求又对开关电源提出了更新更高的挑战。如果从一个开关电源的输入和输出端口观察，可以发现输入的要求变得更严了，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出则派生了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。正是这些外界的要求推动了开关电源的两个分支技术一直成为当金电力电 目录 摘要....................................................................................................................................... I Abstract..................................................................................................................................... I I 第一章绪论.. (1) 1.1设计的背景及意义 (1) 1.2 设计的主要内容和技术指标 (3) 1.2.1设计的主要内容 (3) 1.2.2技术指标 (3) 第二章系统的总体结构及方案设计 (5) 2.1方案比较 (5) 2.2方案设计 (6) 2.3 主电路的结构 (7) 2.4开关电源的基本工作原理 (7) 2.5高频开关电源的结构 (8) 第三章主电路设计 (10) 3.1. 滤除干扰电路 (10) 3.1.1开关电源电磁干扰的产生机理 (10) 3.1.2滤除电磁干扰电路设计 (11) 3.1.3.电磁脉冲（EMP）电路的设计 (14) 3.1.4.电磁兼容（EMC）的设计 (14) 3.2．整流、滤波电路 (15) 3.3电路拓扑结构选择 (15) 3.3.1反激式电路 (16) 3.3.2 单激式变压器开关电源的工作原理 (16) 3.3.3 正激式变压器开关电源工作原理 (17) 3.3.4 双激式变压器开关电源 (18) 3.3.5反激式变压器开关电源工作原理 (18) 3.3.6反激式电路拓扑稳压过程 (22) 3.4输出整流滤波电路 (22) 3.4.1稳压输出 (23) 3.4.2三段集成稳压器 (23) 3.4.3稳压输出电路 (25) 3.5变压器参数的计算 (26) 第四章控制电路的设计 (30) 4.1 PWM技术简介 (30) 4.1.1 PWM控制技术概述 (30) 4.1.2 PWM控制的基本原理 (30) 4.1.3 PWM控制的基本概念 (32) 4.2 电流型PWM控制原理及优点 (33) 4.2.1 电流型PWM控制原理 (33) 多路输出反激式开关电源设计 文章根据开关电源的具体要求，在阐述基于TOP-Switch系列芯片的单端反激式开关电源原理的基础上，详细介绍了一种用于轨道车辆电动塞拉门控制系统的小功率多路输出DC/DC开关电源的设计方法。该电路主电路采用反激式电路，应用反馈手段和脉冲调制技术实现多路输出的稳压电源，最后，进行了总体设计，在轨道车辆电动门控制系统中有很好的应用前景。 标签：开关电源；反激式电路；高频变压器 引言 开关电源是综合现代电力电子、自动控制、电力变换等技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来获得稳定输出电压的一种电源，因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，在现代电力电子设备中得到广泛应用，代表着当今稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主导产品。文章设计了一种基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路输出DC/DC的反激式开关电源。 1 电源设计要求 文章设计的开关电源将用于轨道车辆电动门控制系统中，最大的功率为12W，分四路输出，具体设计参数如下：（1）输入电压Vin=110V；（2）开关频率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）输出电压/电流48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）输出功率12W；（6）电压精度1%；（7）纹波率1%。（8）负载调整率±3%，电源最小输入电压为Vimin=77V，最大输入电压为Vimax=138V。考虑到设计要满足结构简单，可靠性高，经济性及电磁兼容性等要求，结合本设计输出功率小的特点，最终选用了单端反激式开关电源，它具有结构简单，所需元器件少，可靠性高，驱动电路简单的特点，适合多路输出场合。 2 单端反激式开关电源的基本原理 单端反激式开关电源由功率MOS管，高频变压器，无源钳位RCD电路及输出整流电路组成。其工作原理是当开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输入电压就加在高频变压器的初级绕组N1上，由于变压器次级整流二极管D1反接，次级绕组N2没有电流流过；当开关管关断时，次级绕组上的电压极性是上正下负，整流二极管正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管向输出负载释放。反激变压器在开关管导通期间只存能量，在截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传导，所以称为单端变化器[1]。 图1 单端反激式开关电源的原理图 3 TOP-Switch系列芯片的介绍及选型 多路输出反激式开关电源的设计与实现 多路输出反激式开关电源的设计与实现 一、引言 开关电源是一种高效率、高可靠性、体积小、重量轻的电源设备，被广泛应用于电子产品中。多路输出反激式开关电源是一种基于反激式开关电源拓扑结构，能够同时提供多个稳定电压输出的电源系统。本文将针对这种电源系统进行设计与实现。 二、多路输出反激式开关电源原理 多路输出反激式开关电源的基本原理是利用开关管进行高频开关，通过变压器传递能量，并通过整流和滤波电路获得稳定的输出电压。其核心是控制开关管的导通时间，以实现不同输出电压的调节。 三、电路设计与元器件选择 1. 输入电路设计：为了保护开关管和输入电源，应采用滤波 电感和输入电容进行滤波处理，同时添加过流保护电路。 2. 变压器设计：根据输出电压和电流要求确定变压器的参数，选择合适的线性密度和电感，以获得理想的传输效果。 3. 输出电路设计：对于多路输出反激式开关电源，每个输出 通道都要设计独立的整流和滤波电路，以确保稳定的输出电压。 4. 控制电路设计：采用反馈控制电路，通过对反馈信号的处 理调节开关管的导通时间，实现多路输出电压的精确控制。 四、PCB板设计 PCB板是电路实现的载体，其设计主要包括布局设计、走线设 计和连接设计。在多路输出反激式开关电源中，需要考虑分区布局，分别放置输入输出电路和控制电路，以最大限度地减小干扰。同时，在走线设计中，应注意分离高频信号和低频信号， 减少耦合。 五、电路调试与输出稳定性测试 在完成电路设计与制作后，需要进行电路调试，并测试输出稳定性。调试时可以通过示波器观察各个节点的波形，以确定是否存在异常。并通过负载变化测试，验证输出电压是否能够保持稳定。 六、改进与优化 在实际应用中，根据具体需求可以对多路输出反激式开关电源进行改进和优化。常见的改进方法包括添加过压、欠压保护功能，提高电源的效率，降低输出纹波等。 七、结论 多路输出反激式开关电源作为一种高效、可靠、稳定的电源系统，具有广泛应用前景。本文对其进行了设计与实现，并对其电路原理、元器件选择、PCB板设计、电路调试和输出稳定性 测试进行了分析和讨论。进一步的改进和优化将使该电源系统在电子产品中发挥更大的作用 通过对反馈信号的处理调节开关管的导通时间，可以实现多路输出电压的精确控制。在设计PCB板时，需要考虑布局设计、走线设计和连接设计，以减小干扰并分离高频信号和低频信号。在电路调试和输出稳定性测试中，可以通过观察节点波形和进行负载变化测试来验证电路的正常运行和输出电压的稳定性。根据实际需求，可以对多路输出反激式开关电源进行改进和优化，如添加保护功能、提高效率和降低输出纹波等。多路输出反激式开关电源作为一种高效、可靠、稳定的电源系统，在电子产品中具有广泛应用前景。通过本文对其设计与实现的 多路输出开关电源的设计及应用 开关电源是一种将电能进行转换和调节的电源系统，其主要通过非线性元件（开关管、PWM调制器等）将输入电能快速开 关控制，进而获得所需的输出电能。多路输出开关电源则在此基础上实现了多个输出通道，用以满足不同电路的需求。 多路输出开关电源的设计主要包括如下几个步骤： 1. 确定输出电压和电流需求：根据待供电的电路或设备的电压和电流要求，确定每个输出通道的电压和电流参数。 2. 计算输入功率和选择变压器：根据输出电压和电流参数，计算输入功率并选择适当的变压器。变压器的主要作用是将输入电压转换为合适的中间电压，便于后续的开关和调节控制。 3. 设计开关和调节控制电路：根据每个输出通道的电压和电流要求，设计相应的开关管、PWM调制器等元件的参数和控制 电路。控制电路主要负责对开关管进行开关控制，通过调节开关频率和占空比，实现输出电压和电流的稳定调节。 4. 设计滤波电路和保护电路：设计适当的滤波电路，用以减少开关电源输出的纹波和噪声；设计相应的保护电路，用以保障开关电源和所供电路或设备的安全，如过载保护、短路保护等。 多路输出开关电源的应用非常广泛，常见于工业控制系统、通信设备、计算机设备、医疗设备等领域。多路输出能够满足不同电压和电流需求的同时，提供稳定的电能供应，保证设备的 正常运行。此外，开关电源具有高效率、小体积、轻量化等优点，可以满足现代电子设备对电源的高要求。多路输出开关电源是现代电子设备中常用的一种电源系统，它通过将输入电能进行高效率的转换和调节，为多个输出通道提供稳定可靠的电源。在电子设备设计中应用广泛，特别是在工业、通信、计算机等领域。 多路输出开关电源的设计非常重要，其关键是根据待供电设备的电压和电流需求，设计符合要求的输出通道。首先，根据电路或设备的电压和电流要求，确定每个输出通道的电压和电流参数。例如，工业控制系统中可能需要供应多个不同电压的直流电源，而通信设备可能需要同时提供5V和12V的电源。根 据需求确定输出通道数量并计算所需的功率。 在设计过程中，还需要选择合适的变压器。变压器的作用是将输入电压转换为合适的中间电压，以供后续的开关和调节控制。根据输出电压和电流参数计算输入功率，并选择适当的变压器。变压器的选择依赖于诸多因素，如输入电压范围、转换效率、功率因数等。合适的变压器能够提供稳定可靠的中间电压，为后续的开关和调节控制提供良好的基础。 接下来，设计开关和调节控制电路。每个输出通道都需要独立的开关管和PWM调制器等元件进行开关和调节控制。开关管 的作用是控制输入电能的开关状态，通过高频率的开关操作，将输入电能转换为所需的输出电能。PWM调制器则负责控制 开关管的开关频率和占空比，以实现对输出电压和电流的稳定调节。调整PWM调制器的参数，可以实现不同输出通道的电 多路输出开关电源的设计及应用原则 引言 对现代电子系统,即便是最简单的由单片机和单一I/O接口电路所组成的电子系统来讲,其电源电压一般也要由＋5V,±15V或±12V等多路组成,而对较复杂的电子系统来讲,实际用到的电源电压就更多了.目前主要由下述诸多电压组合而成：＋,＋5V,±15V,±12V,－5V,±9V,＋18V,＋24 V、＋27V、±60V、＋135V、＋300V、－200V、＋600V、＋1800V、＋300 0V、＋5000V包括一个系统中需求多个上述相同电压供电电源等.不同的电子系统,不仅对上述各种电压组合有严格的要求,而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求,如电压精度,电压的负载能力输出电流,电压的纹波和噪声,起动延迟,上升时间,恢复时间,电压过冲,断电延迟 时间,跨步负载响应,跨步线性响应,交叉调整率,交叉干扰等. 2多路输出电源 对于电源应用者来讲,一般都希望其所选择的电源产品为“傻瓜型”的,即所选择的电源电压只要负载不超过电源最大值,无论系统的各路负载 特性如何变化,而各路电源电压依然精确无误.仅就这一点来讲,目前绝 大多数的多路输出电源是不尽人意的.为了更进一步说明多路输出电源 的特性,首先从图1所示多路输出开关电源框图讲起. 从图1可以看到,真正形成闭环控制的只有主电路Vp,其它Vaux1、Vaux 2等辅电路都处在失控之中.从控制理论可知,只有Vp无论输入、输出如何变动包括电压变动,负载变动等,在闭环的反馈控制作用下都能保证相当高的精度一般优于％,也就是说Vp在很大程度上只取决于基准电压和采样比例.对Vaux1、Vaux2而言,其精度主要依赖以下几个方面： 1T1主变器的匝比,这里主要取决于Np1：Np2或Np1：Np3 2辅助电路的负载情况. 3主电路的负载情况. 注：如果以上3点设定后,输入电压的变动对辅电路的影响已经很有限了. 在以上3点中,作为一个具体的开关电源变换器,主变压器匝比已经设定,所以影响辅助电路输出电压精度最大的因素为主电路和辅电路的负载情况.在开关电源产品中,有专门的技术指标说明和规范电源的这一特性, 即就是交叉负载调整率.为了更好地讲述这一问题,先将交叉负载调整率的测量和计算方法讲述如下. 电源变换器多路输出交叉负载调整率测量与计算步骤 1测试仪表及设备连接如图2所示. 多路输出反激式开关电源的反馈环路设计 的输出是直流输入、占空比和负载的函数。在开关电源设计中，反馈系统的设计目标是无论输入电压、占空比和负载如何变幻，输出电压总在特定的范围内，并具有良好的动态响应性能。 模式的开关电源有延续电流模式(CCM)和不延续电流模式(DCM)两种工作模式。延续电流模式因为有右半平面零点的作用，反馈环在负载电流增强时输出电压有下降趋势，经若干周期后终于校正输出电压，可能造成系统不稳定。因此在设计反馈环时要特殊注重避免右半平面零点频率。 当反激式开关电源工作在延续电流模式时，在最低输入电压和最重负载的工况下右半平面零点的频率最低，并且当输入电压上升时，传递函数的增益变幻不显然。当因为输入电压增强或负载减小，开关电源从延续模式进入到不延续模式时，右半平面零点消逝从而使得系统稳定。因此，在低输入电压和重输出负载的状况下，设计反馈环路补偿使得囫囵系统的传递函数留有足够的相位裕量和增益裕量，则开关电源无论在何种模式下都能稳定工作。 1 反激式开关电源典型设计 图1是为变频器设计的反激式开关电源的典型，主要包括沟通输入整流电路，反激式开关电源功率级电路(有控制器、MOS管、及整流组成)，RCD缓冲电路和反馈网络。其中PWM控制芯片采纳UC2844。UC2844是电流模式控制器，芯片内部具有可微调的(能举行精确的占空比控制)、温度补偿的参考基准、高增益误差、电流取样。 开关电源设计输入参数如下：三相380V工业沟通电经过整流作为开关电源的输入电压Udc，按最低直流输入电压Udcmin为250V举行设计；开关电源工作频率f为60kHz，输出功率Po为60W。 当系统工作在最低输入电压、负载最重、最大占空比的工作状况下，设计开关电源工作在延续电流模式(CCM)，纹波系数为0．4。设计的 第1页共6页 多路输出反激式开关电源的设计作者：练新平 来源：《科技与创新》2019年第08期 摘要：多路输出反激式开关电源主要是以UC3844作为控制核心，详细设计了缓冲吸收、EMI滤波、启动与驱动、高频变压器等多种具体模块电路，并对开关电源电路参数进行优化设计，验证设计样机的合理性。 关键词：多路输出;反激式开关电源;技术参数;变压器 中图分类号：TN86 文献标识码：A DOI：10.15913/https://www.doczj.com/doc/1d19306679.html,ki.kj ycx.2019.08.058 1 系统设计 l.l 电源设计 此次设计的开关电源技术参数如下：输入电压220V，输出电压+5 V/2A;+24 V/lA;±15 V/0.5A;12 V/0.2A;纹波小于l%;输出功率为52W。该开关电源应用在电机控制中。12V输出绕组为芯片UC3844供电，15V为IGBT逆变器供电，24V为继电器供电;5V绕组为输出绕组， 不仅能够稳压，还能够作为电机控制所应用的数字5V电源。其中Tl为高频变压器，该电路输 入为220V交流，在整桥整流滤波之后，在变压器输入端达到300 V直流电压。经过芯片PWM脉宽控制稳压之后，能够得到5路输出。 1.2 变压器设计 在设计开关电源时需要注重变压器设计，电源性能会直接影响变压器设计合理性。 变压器输出功率和输入功率估算方面，按照输出电压和输出电流设计大小对总输出功率进行计算，公式如下： 通常情况下，KRP数值为0.4，如果交流输入电压为230 V，则数值选取为0.6.单片反激开关电源在CCM模式下连续运行。充分考虑器件资料，则开关电源设计KRP数值选择为0.7. 确定变压器磁芯尺寸。相比于成品电感来说，磁性元件电感在设计期间需要增加气隙从而加强磁芯储存能量的能力，如果不存在气隙，磁芯在存储少量能量之后就会出现饱和。在增加气体比较大，则会相应加多匝数，从而加大绕组铜耗。其次，增加匝数会相应加大绕组占用窗口的面积。因此在实际设计期间需要考虑多种因素，利用下式进行计算： 在变压器设计期间要考虑体积和铜耗问题，因此可以将上式r值设置在0.5，代入公式中可得，磁芯尺寸在7.109 m3。 1.3 选择控制芯片 PWM控制芯片是开关电源的控制核心，此种芯片选择型式比较多，不同型式所对应的工作温度范围也不同，此次设计主要选用UC384x系列。由于单端反激结构存在变压器绕组反电动势，因此，在关断时开关管承受电压为：式（l）中：q为占空比。 1.4 控制芯片驱动电路及计算定时电阻电容 1.4.1 驱动电路 驱动电路电压为16V，在开启电源之后，经整流滤波的交流电能够获得直流电，利用电阻降压后能够为其提供电能，当电压满足16V之后，启动芯片会产生波形驱动信号，与栅极阻尼电阻进行串联。在进入正常运行状态之后，电源变压器副边绕组所产生的交流电经过整流滤处理之后能够为芯片提供电源。因此，在设计期间需要处理好芯片供电问题，对于此次所使用的芯片来说，其供电电路为：输入电压经整流处理之后会通过大阻值电阻向芯片供应电源，电源运行之后会由馈电绕组接替向芯片供电任务。在此期间为了确保芯片运行稳定，需要选择阻值适宜的电阻向芯片提供电源，芯片运行电压在13V左右，为了使其正常运行，则需要确保供电电压数值超过16V。芯片待机电流为0.5 mA，工作电流为10 mA，最大电压为36V。 1.4.2 计算定时电阻和电容 分析多路输出反激式开关电源的设计 摘要：本文提出了一种采用有源箝位电路实现反激变换器软开关的工作方法。反激变换器在CCM模式下以200kHz频率工作，提供了四路输出电压（包含正电压和负电压），利用有源箝位电路回收变压器漏感能量，提高了工作效率，实现了MOS管的零电压切换，降低了电源的电磁干扰影响。 关键词：反激式；开关电源；有源箝位 中图分类号：TN86 引言：本文介绍了一种利用有源箝位电路实现70W反激式变换器的分析、设计和实现。有源箝位电路通过辅助开关、箝位电容、励磁电感和漏感，将漏感中存储的浪涌能量回收利用，提高了电源的工作效率，减小了MOS管的电压应力。 1.反激式开关电源的原理 反激变换器是低输出功率中常用的开关电源电路。与其他拓扑相比，反激式开关电源具有结构简单、元件少、体积小、成本低等优点，相比正激式开关电源少了一个大的储能滤波电感和续流二极管，被广泛应用于100W以下的应用场合，特别是多路输出场合，每路输出只需要一个二极管和电容，输出电容器直接连接到变压器的二次侧，并在MOS管关断期间充当电压源。因此，设计一个反激变换器以获得高性能、小型化的多路输出电源是非常必要的。随着开关电源功率需求提升，反激式开关电源体积增大，不利于电源的设计和运用。通过提升开关电源工作频率可减小开关电源体积，但由于反激式开关电源变压器漏感能量损耗、MOS管的硬开关导通损耗以及次级RC的能量损耗等原因使效率无法提升，器件温度过高导致频率无法提升，限制了反激式开关电源高功率应用的场合，且硬开关引起的电磁干扰问题也成为反激式开关电源的一大难题。为了克服这些缺点，降低能耗，本文设计了多路输出有源箝位反激变换器的电源拓扑结构。有源箝位电路是减小电源损耗的有效手段，它提供了回收变压器漏感能量的好处。此外，有源箝位电路提供了一种实现电源零电压开关（ZVS）和降低输出整流器di/dt的方法，这将降低开关管和整流器的开关损耗与开关噪声。[1] 2.有源箝位反激式开关电源的设计 2.1设计要素 励磁电感用L m表示，主开关S main结电容和辅助开关S aux结电容分别用C r与C q表示。辅助 多路输出反激式开关电源设计要点 多路输出反激式开关电源设计 摘要:以UC3844芯片为控制核心，设计并制作了多路输出反激式开关电源。完成了多路输出反激式开关电源系统设计，完成具体模块电路详细设计，包括 EMI 滤波电路、前级保护和整流桥电路、缓冲吸收电路、高频变压器、UC3844的启动与驱动电路、电流检测和过流保护电路等。合理选择、设计和分配了开关电源各电路参数；设计出电路原理图，根据设计规范制作出 PCB，并组装出电源样机，最后对设计的样机进行测试验证。 开关电源样机输出电压稳定性较高，输出电压纹波较小，符合设计规范小于80mV 的要求；样机整体测试结果表明，电源各项指标均符合要求，输出稳定，性能较好。 关键词：开关电源；反激式；UC3844；模块化 Design of Multi-output Flyback Switching Power Supply Abstract: It was designed and produced a set of multiple output fly-back switching power supply, using the chip UC3844 as the control core. The design of the system and specific module circuits was completed. The module circuits include EMI filter circuit, level protection and bridge rectifier circuit, snubber circuit, high frequency transformer, start and drive circuit of UC3844, current sensing and over-current protection circuit. The parameters of switching power supply circuit were chose, designed and distributed reasonably. According to the schematic circuit design and design specifications, we produced the PCB, and assembled the prototype of power supply, also finished the test in the final. The higher stability of the output voltage of the switching power supply prototype, the output voltage ripple is small, meet the design specifications to the requirements of less than 80mV; The prototype of the overall test results show that the power of the indicators are in line with the requirements, output stability, better performance. Keywords: switch power supply；flyback；UC3844；Modular 设计要求 本文设计的开关电源将作为智能仪表的电源，最大功率为10 W。为了减少PCB的数量和智能仪表的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。 考虑10W的功率以及小体积的因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是:电路简单、体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成）、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成）及信号传递电路（由隔离光耦及电阻组成）等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源,其具体参数要求如下： 输出最大功率:10W 输入交流电压：85～265V 输出直流电压／电流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V,100mA 纹波电压:≤120mV 单端反激式开关电源的控制原理 所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端一漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时,就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能，由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理.而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。 TOPSwitch—Ⅱ系列芯片选型及介绍 TOPSwitch—Ⅱ系列芯片的漏极(D)与内部功率开关器件MOSFET相连，外部通过负载电感与主电源相连，在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流,并设有电流检测。控制极（C)用于占空比控制的 误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流,同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。源极（S）与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做初级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的典型值为5。7 V，极限电压为9 V，控制端最大允许电流为100 mA。 在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施，以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温大于135℃时,过热保护电路就输出高电平，关断输出极。此时控制电压Vc进入滞后调节模式，Vc端波形也变成幅度为4.7V～5。7V的锯齿波．若要重新启动电路,需断电后再接通电路开关，或者将Vc降至3。3V以下,再利用上电复位电路将内部触发器置零,使MOSFET恢复正常工作。 采用TOPSwitch-Ⅱ系列设计单片开关电源时所需外接元器件少,而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定,性价比更高。 对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知,输入电压为宽范围输入，输出功率不大于10W，故选择TOP222G. 电路设计 本开关电源的原理图如图1所示。多路输出开关电源设计
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