《多路输出开关电源设计》(5)

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 漏极D 它与片内功率开关管的漏极联通，并且还是机内电流的检测点，该点机内设置一个电流源来提供芯片的偏置电流，漏-源击穿电压Vbr≥700V 。

控制极C 控制端有四个作用：第一，利用控制电流Ic的大小来调节占空比D，当Ic从6.0mA减到2.0mA时，D就由1.7%增至7%，比例系数即为脉宽调制增益；第二，它与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需的偏流；第三，该端还作为电流支路和自动重启动/补偿电容的连接点，通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率；第四，对控制回路进行补偿。

TOPSwitch-II 的工作原理：

TOPSwitch-II 的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D，以此来达到稳压的目的。比如，当输出电压V0升高时，经过光耦反馈电路使得Ic增大，这样会导致D的减少，使V0减小，最终使得V0不变。

TOPSwitch－Ⅱ的内部结构框图如图3-2所示，主要包括10部分：

图 3-2 内部结构框图

TOPSwitch－Ⅱ系列芯片将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。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、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 启动电路、高压电流源。图3-2中，ZC为控制端的动态阻抗，RPB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。下表列出了该芯片内部各部分名称及其作用：

表 3-4：TOPSwitch－Ⅱ内部各部分的作用

名 称

控制电压源：

作 用

控制电压Vc能 向并联调 整器和门极驱动级提供偏置电压，而控制端电流Ic 则可以对占 空比进行调节。

带隙基准电压源：

它一方面会向内部电路提供各种基准电压之外，另一方面会产生一个具有明显温度补偿并可调整的电流源，以此精确设定振荡器频率和门驱动及电流。

振荡器：

内部设有一个震荡电容，它在所设定的上、下阀值电压之间周期性的线性充放电，就会产生脉宽调制所需的锯齿波（SAW）；与此同时还产生最大占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK）。

并联调整器／误差放大器： 当加在控制端的反馈电流超过它需要的电流数时，就通过并联调整器进

行分流，确保Vc=5.7V（典型值）。

脉宽调制器：

它是电流反 馈式的控制电路。经由控制端电流Ic大小的改变，能连续调节占空比，实现脉宽调制（PWM）。脉宽调制信号的功率输出。

门驱动级和输出级：

门驱动极用于驱动N型沟道的功率开关管，让它按照规定的开关频率在一定时间内导通。

过流保护电路：

这种设计起到过电流保护作用。

过热保护及上电复位电路： 当芯片结 温大于135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，

来关断输出级。

关断／自动重启动电路： 在调节失控时，关这一电路马上让芯片工作在5%的占空比，同时断开从

外流入控制端的电流Ic，Vc再次进入滞后调节模式。

高压电流源：

在启动或滞后模式下，高压电流经过电子开关S给内部电路提供偏置，并且对CT进行充电。电源正常工作时S改接内部电源，将高压电流源关断。

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 3.2变压器

变压器是就是电生磁、磁生电的过程，通过交流电的输出产生感应电压，并且根据匝数比完成升压、降压、稳压过程。变压器一般由铁芯、初级线圈、次级线圈组成，随着电力电子的高速发展，变压器也在更广的场合被需求。目前来说，变压器大的类型繁多，应用范围很广。比如按容量的大小可以分为小型变压器、中小型变压器、大型变压器和特大型变压器。特大型变压器的工作电压在220KV以上，一般应用在大型的变电厂，发电厂。像长江三峡发电厂里就配备了很多特大型变压器，用于满足输电设备。大型变压器工作电压在100KV左右，一般应用在小型发电厂。中小型变压器工作电压在几十千伏，一般用在大型变电站，用于输送电能。本文中要用到的是高频的小型变压器，工作电压较小，常应用于小型电力电子设备中[23]。

变压器的设计比较精细，设计者在选材上必须经过详细的计算，保证材料满足设计要求。目前变压器铁芯材料的种类也变得繁多，大类可以分为铁氧体磁芯和合金类磁芯。一般设计者要根据设计的要求选择满足条件的某一特性材料，例如本设计中用到了铁氧体磁芯。线圈的匝数和线圈的截面积都需要设计者去精确计算，计算越精确设计的变压器性能越优良。线圈及线圈截面积算出来之后，就要设计怎样绕置导线，导线的绕置有多种，包括单箍绕置和多箍绕置等，不同绕置方法会使变压器的转换效率不同。最后是计算变压器的损耗，控制损耗可以提高变压器的工作效率，也可以增长变压器的寿命。

本设计中选用铁氧体作为磁芯材料，铁氧体磁芯的电阻率比较高，高频工作下损耗比较小，并且价格便宜、形状多样。磁芯结构选用EE型，这种结构下磁芯的气隙长度可以自由设置，漏磁比较小，安装方便。作为中小型电源，本文设计选则EE55型变压器，满足功率转换。

3.3 开关电源外围电路中关键元器件的选择

一、TL431型可调式精密并联稳压器

基准电源器件在开关电源中是一个重要的器件，它主要用于作为反馈的比较基准。开关电源的比较基准一般有如下三种获得方式：

（1）使用芯片内部基准电源（2）使用稳压管（3）使用基准电源器件。

第1种方式比较方便，但灵活性往往受到限制；第2种则控制精度比较差。要达到比

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 较精密的控制调节效果，本设计采用第3种基准电源器件作为误差比较基准。

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

二、TL431的性能特点：

可编程输出电压为36V；电压参考误差为±0.4%；低动态输出阻抗，典型值为0.22Ω；负载电流能力为1.0mA-100mA。

二、TL431的工作原理

TL431的等效电路图见3-3图，主要包括4部分：（1）误差放大器A，其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相输入端则接内部2.5V基准电压源Vref；并且设计的，端常态下应为2.50V，因此亦称基准端；（2）内部2.50V（准确值为2.495V）基准电压源；（3）NPN型晶体管VT，它在电路中起到调节负载电流的作用；（4）保护二极管VD，可防止因K-A间电源极性接反了而损坏芯片。

TL431相当于一只可调式齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻R1和R2来设定，有公式

?R?V0?VKA??1?1?VRE ?R2?（3-1）

图 3-3 TL431基本接线图

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） TL431的稳压原理可分析如下：当由于某种原因致使V0↑时，取样电压VREF也随之升高，使VREF>Vref，误差放大器输出电压升高，致使VT的输出电压降低，即V0↓。反之，V0↓→VREF↓→VREF

图 3-4 TL431等效电路

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