《多路输出开关电源设计》(2)

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 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，在小功率范围内基本上取代了线性稳压电源，并迅速向中大功率范围推进，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内所占的比率，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。

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 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内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。

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） （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]。

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 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，当电流升高到限定范围值时，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内窜入的浪涌电压，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

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 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，通过芯片内部电路产生的占空比波形来改变功 率开关管在一个周期内的导 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)输入交流电压范围:85V265V； (3)输入电压频率:50Hz； (4)效率?: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，一般通过其内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

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