多路输出单端反激式开关电源设计
电子设备对电源的要求日益增高，促进了开关电源技术的不断发展。本文介绍了基于美国PI公司生产的单片开关电源芯片TOPSwitch系列设计的多输出的AC/DC开关电源。
设计电路选用TOPSwitch系列芯片的TOP244Y，该芯集成了PWM控制器、MOSFET功率开关管和欠电压、过电压等保护电路，芯片的开关频率为132kHZ，最大占空比为78%。设计电路的开关电源输出功率为25W时，实现了12V/1.2A,5V/2A和
30V/20mA三路直流电压输出，效率为80%以上。
论文介绍了开关电源相关内容，反激式开关电源的原理和应用技术，为电路设计提供了理论指导，并且提出了反激式开关电源的设计规划。仔细分析反激式开关电源之后，选择了电路所需的元器件的型号和参数，最终完成电路图的设计。最后使用芯片专属的优化设计软件PI Expert对反激式开关电源进行优化设计。设计结果为，优化设计之前电源的效率为78%左右，实际输出直流电压的最大误差为3.5%，经过优化之后最大误差降为0.36%，且电源效率提高到90%以上。反激式开关电源的直流输出回路接有EMI 滤波器，有效地降低了开关电源的输出纹波。
关键词：开关电源；反激式；多路输出；TOPSwitch-GX
Title Design of Multi-output Single-ended Fly-back Converter
Abstract
Electronic devices demanded on power increasingly higher to promote the continuous development of converter technology. This paper introduced the small power multi output
AC/DC converter design based on the chip of TOP-Switch produced by American company Power Integrations.
The converter design used TOP244Y as switching chip, which had PWM control circuit and power MOSFET, the chip’s switching frequency was 132 kHz, the maximum duty cycle was 78%. When the output power was 25W, switching power served three DC outputs
12V/1.2A, 5V/2A and 30V/20mA and the efficiency was 80%.
The paper introduced some related content about the converter and the theory and technology of fly-back converter, to provide a theoretical guidance for circuit design. And then the paper proposed a fly-back converter supply design plan. And next, I designed a fly-back switching power circuit, and selected circuit’s components and parameters. Finally using PI Expert to optimize this fly-back switching power, I received some result about the designed circuit. Before the optimization, the efficiency was 78%, and the actual outp ut DC voltage’s maximum error was 3.5%, after the optimization, maximum error decreased to 0.36%, and the efficiency increased to 90%. And the fly-back switching power circuit had output EMI filter, decreased output ripple of switching power effectively.
Keywords: Switching power supply；Fly-back；Multiple output；TOPSwitch-GX
目次
1 绪论 (1)
1.1 开关电源研究的目的和意义 (1)
1.2 开关电源研究现状及发展前景 (1)
1.3 开关电源的新技术新理论 (2)
2 反激式开关电源的原理 (5)
2.1 反激式开关电源介绍 (5)
2.2开关电源的芯片简介 (6)
2.3 PWM反馈控制方式 (7)
2.4反激式开关电源的设计规划 (8)
3反激式开关电源的电路设计 (10)
3.1开关电源的EMI设计 (10)
3.2 整流电路设计 (12)
3.3高频变压器的设计 (14)
3.4 反馈电路设计 (17)
3.5 多路输出电压电路设计 (20)
3.6 保护电路设计 (21)
3.7 反激式开关电源的电路图 (22)
4 反激式开关电源电路的优化设计 (24)
4.1 PI Expert辅助设计软件介绍 (24)
4.2直流输出优化设计 (24)
4.3高频变压器的优化设计 (25)
4.4 反激式开关电源优化设计 (26)
结论 (28)
致谢 (29)
参考文献 (29)
附录多路输出反激式开关电源电路图 (31)
1 绪论
能源在社会现代化方面起着关键作用。电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度和高效率，在21世纪必将得到大力发展。开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。
1.1 开关电源研究的目的和意义
开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了的电源替换。开关电源运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。开关电源产品的主要特点是体积小，重量轻，效率高，可靠性和稳定性较好，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、资源以及保护环境方面都具有重要的意义。例如高频开关整流焊接电源已取代传统焊接电源，广泛用于焊接行业，高频开关整流焊接电源在体积、质量、节能及焊接性能等方面是传统焊接电源无法比拟的。在电力操作系统中使用AC/DC，DC/DC高频开关电源，可以实现与市电的热备用运行，既可在市电正常情况为蓄电池充电，也可以在市电断电时提供负载所需的操作电源，克服了硅整流器及二极管调压存在的体积大、精度差等缺点。应用高压开关电源的脉冲电晕加氨脱硫是一种很有前景的烟气净化技术，可以解决世界性的三大环保问题之一的酸雨。
1.2 开关电源研究现状及发展前景
半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源的控制电路实现了集成化。20世
纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于AC/DC电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的问世。AC/DC电源的集成化变为现实。
随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，开关电源的效率比传统的线性电源高很多，这样就节省了能源，因此它受到了人们的青睐。但是开关电源也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对于电路的污染严重；电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路；这些都成为开关电源发展中必须解决的问题。开关电源技术追求和发展趋势可以概括为以下几个方面:小型化、微型化、轻量化、高频化，可靠性，低噪声，采用计算机辅助设计和控制，以及低输出电压技术等。开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面思考，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。而单纯地追求高频化使开关电源的缺点噪声也会随之增大，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低，这就要求DC/DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展MOSFET、