毕业综合实践课题名称： 开关电源的剖析与设计 作 者： 学 号： 系 别： 专 业： 指导老师： 专业技术职务 xx年xx月 课 题 摘 要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或者单片开关电源集成电路构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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。本文介绍了根据目前市场常见的一种开关电源的性能特点，设计并制作一款与其相似的开关电源的全部设计及制作工艺流程。主要包括：电源电路的设计及器件选择（本文介绍的是由Power Integrations公司旗下的一款离线式开关ICTinySwitch-系列组成的开关电源）、印制电路板的设计与制作、高频变压器的设计与制作（用软件设计的高频变压器参数和人工设计的高频变压器参数进行对比验证）以及电路的焊接和调试。由于采用了集成电路，电源的体积以及成本都得到了优化。关键词 斩波电路 高频变压器 TinySwitch-开关IC 脉宽调制 目 次1引言12课题要求23开关电源基础原理及其类型23.1开关电源基础理论23.1.1开关电源基本工作原理23.1.2开关电源的组成33.2开关电源的类型33.2.1开关电源类型简介33.2.2单端正激式开关电源53.2.3单端反激式开关电源53.2.4正激式及反激式开关电源电路的方案设计错误!未定义书签。4开关电源的电路设计64.1主电路设计64.1.1整流电路的设计74.1.2滤波电路的设计74.2控制电路的设计94.2.1输入欠压检测电路94.2.2输出反馈电路94.3保护电路的设计104.3.1偏置电路过压保护104.3.2漏极钳位保护电路105高频变压器的设计125.1高频变压器磁芯的选择125.2高频变压器导线的选择135.2.1漆包线的选择135.2.2三层绝缘线的选择145.3利用软件设计开关电源及高频变压器的实例145.3.1PI Expert9.0的主要特点145.3.2利用软件设计开关电源的实例155.3.3查阅并修改高频变压器参数的方法225.4设计高频变压器的基本公式235.5设计高频变压器的注意事项256开关电源的制作与测试256.1开关电源印制电路板（PBC）的设计256.1.1电路原理图的绘制256.1.2电路PCB图的绘制276.1.3多功能制版机制作PCB的流程296.2开关电源的测试296.2.1测试的主要名词解释296.2.2输出电压调整率的测试306.2.3负载调整率的测试306.2.4输出电压纹波参数测试317主要元器件的介绍317.1TinySwitch-系列开关IC介绍317.1.1引脚功能描述317.1.2TinySwitch-主要功能描述327.1.3TinySwitch-III部分工作原理347.2超快恢复整流二极管BYV28-200347.3光耦PC817A35结 论37致 谢38参 考 文 献39附录A 器件清单40附录B 开关电源原理图41附录C 开关电源PCB图421 引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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或者单片开关电源集成电路构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。42 - -2 课题要求(1) 在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%-20%条件下，输出电压可调范围5V10%(2) 最大输出电流为2A；(3) 电压调整率2%（输入电压220V变化范围+15%-20%下，满载）；(4) 纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，满载）；(5) 工作效率85%（输出电压5V、输入电压220V下，满载）； 3 开关电源基础原理及其类型3.1 开关电源基础理论3.1.1 开关电源基本工作原理开关电源的核心电路就是直流斩波变换电路。顾名思义，DC/DC变换电路就是将直流斩波变换成固定的或者可调的直流电压。DC/DC变化电路除了广泛应用于开关电源外，还应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世界80年代兴起的电动汽车调速及控制等。最基本的直流斩波电路如图 31所示。当开关S闭合时，Uo=Ui，持续时间为Ton；当S断开时，Uo=0V，持续时间为Toff。则T=Ton+Toff为斩波的工作周期，斩波的放大后的理想工作波形就如图 31（b）所示。若定义斩波占空比k=Ton/T，则Uo=kUi。图 31 基本斩波电路及其波形除了上述斩波电路以外，还有其他常用的三种斩波电路，分别为：Buck（降压型）直流斩波变换电路；升压式直流斩波变换电路（Boost电路）；升降压式直流斩波电路。3.1.2 开关电源的组成开关电源的基本组成如图 32所示。其中DC-DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。图 32 开关电源的基本组成开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是功率主回路部分，完成能量的变换和传输，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容，但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。第二个模块是控制回路，控制回路比较复杂，早期由分立器件组成，随着大规模集成电路的发展，现在集成电路芯片逐步代替了分立器件，集成电路是电源产品体积小、可靠性高，给应用带来了极大方便。3.2 开关电源的简介3.2.1 开关电源的类型直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。各类型的开关电源特点如下。（1）反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。（2）正激式：电路拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中。（3）半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦至数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。（4）全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦至数千瓦的各种工业用开关电源中。（5）推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的生生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。下面就根据本课题，介绍与本课题相似的几款电路。3.2.2 单端正激式开关电源工作原理单端正激式开关电源的典型电路如图 33所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感