毕业设计（论文）-基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
第一章绪论................................................................................................1
1.1智能功率模块的基本原理...............................................................2
1.2开关电源的发展趋势......................................................................61.2.1开关电源的发展历史........................................................................71.2.2开关电源的发展趋势........................................................................7第二章三端单片开关电源的原理与应用...................................................9
2.1开关电源的基本原理....................................................................9
2.2TOPSwitch——?系列的产品分类及性能特点.........................11
2.3TOPSwitch——?系列单片开关电源的工作原理.....................12
2.4单片开关电源的基本原理及反馈电路类型................................15第三章三端单片开关电源的设计.............................................................19
3.1单片开关电源的快速设计法.......................................................19
3.2高频变压器的设计......................................................................26
3.3多路输出式单片开关电源的设计...............................................28
3.4TOPSwitch——?的使用注意事项............................................32第四章实验分析.......................................................................................36结论...........................................................................................................39致谢...........................................................................................................40参考文献....................................................................................................41
-1-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
第一章绪论
单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。它极大的简化了开关电源的设计和新产品开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及，创造了良好条件。
在智能功率模块(IPM)的应用中，需要用到四组互相绝缘的控制电源。使用单片开关电源可以方便地设计出高效的控制电源。
本章首先阐述IPM的基本原理，然后简要介绍开关电源的发展趋势、基本原理，以及单片开关电源的基本原理及反馈电路类型。
1.1智能功率模块的基本原理
智能电力模块(IPM)是智能集成电路,因其可靠性高,用户使用方便的特点赢得越来越大的市场。本节以日本富士公司R系列IPM为例,讲述了智能电力模块的结构及其在小型变频器中的应用。
1.1.1概述
智能电力模块(IPM)又称为智能集成电路,是电力集成电路的一种。在电力电子变流电路中,电力电子器件必须有驱动电路(或触发电路)、控制电路和保护电路的配合,才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往,电力电子器件和配套控制电路是分离器件构成的电路装置,而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所谓的功率集成电路。可以集成多种功率器件及其控制电路所需的有源或无源器件,比如功率二极管、BJT、IGBT、高低压电容、高阻值多晶硅电阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种功率集成电路特别适应于电力电子技术高频化发展方向的需要。由于高度集成化,结构十分紧凑,避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。
-2-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
IPM的优点:
1(不易损坏;
2(IPM内藏相关的外围电路,缩短了产品设计和评价时间;
3(不需要对功率开关器件采取防静电措施;
4(大大减少了元件数目,体积缩小。
电力集成模块的智能化主要表现在易控制功能、保护功能和接口功能等三个方面。IPM内藏过电压、过电流和过热等故障监测电路,并可将监测信号送给CPU。即使发生负载事故或使用不当,也可保证IPM自身不受损坏。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关元件,并也内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM正以其可靠性高、用户使用方便的特点赢得越来越大的市场,尤其适合制作驱动电动机的变频器,是一种较为理想的电力电子器件。
1.1.2IPM的结构
下面介绍小容量变频器中开始采用的IPM。
以富士公司R系列IPM为例。其内部结构如图1(1所示。
由图1(1可见,这是一种包括制动单元在内的完整的逆变器,其中包括7个IGBT和7个快速功率二极管,IGBT,IGBT组成逆变桥,VDF,VDF1616是与六个主IGBT反并联的回馈二极管,IGBT是动力制动用的开关7
管,VDW是它的续流二极管。
图中有关检测元件、保护电路没有具体画出,含在“驱动”框内。“驱动”部分具有下述功能:
1(驱动信号放大;
2(短路保护(SC);
3(控制电源欠电压保护(UV);
4(IGBT及VDF、VDW过电流保护(OC);
5(IGBT芯片过热保护(T)。joH
“驱动”4、6、2、7及“过热保护电路”经,由16号端子ALM输出报警信号。当IGBT过电流、IGBT结温过高、外壳温度过高、负载短路和
-3-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
控制电源欠电压信号出现时,ALM报警信号输出,保证整个系统切实停止工作。由于控制电源共地处理的限制,ALM信号由具有共地端的驱动器中取出,即由“驱动”4、6、2及7中取出。当有ALM信号输出时,IGBT4、6、2及7被封锁,由于没有电流通路,IGBT1、3、5也同样受到保护。
图1(1IPM的内部结构图
1.1.3R系列的IPM在小容量变频器中的应用举例
-4-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
图1(2是含制动单元的R系列的IPM在小容量变频器中的应用电路。使用IPM时应注意以下各项:
图1(2应用电路图(含制动单元)
1(控制电源必须有4组,且互相绝缘,上桥臂3组,下桥臂及制动单元的驱动器公用1组。
2(四组控制电源与主电源间必须加以绝缘,而且,随着IGBT的开关动
-5-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
作,该绝缘部位将有很大的du/dt作用,因此要确保足够的距离,推荐大于2mm。
3(下桥臂控制电源的GND和主电源的GND在IPM内部已连接好了,在IPM的外部绝对不要再连接。如果另外连接,则IPM的下桥臂内、外将由于di/dt而产生环流,容易引起IPM的误动作,甚至有可能破坏IPM的输入电路。
4(图1(2所示的各控制电源上连接的10μF和01μF的电容并非滤波电容,而是用于从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。若需滤波,应另加电容。另外,从10μF和01μF的电容到控制电路间的布线阻抗在过渡过程中是有波动的,应使这段到IPM端子的布线尽量短。上述退耦电容应有较好的频率特性,例如用薄膜电容并联起来。
5(信号输入端上拉,控制信号输入端用20,Ω电阻上拉,而且内含制动单元的IPM,如果不使用该制动单元,也要将信号输入端上拉,否则,会由于du/dt的作用而产生误动作。
6(主直流电源出口的大电容,可直接接到P、N端子之间。
1.2开关电源的发展趋势
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣对电子设备的技术指标有重要意义。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源又称为串联调整式稳压电源，其稳定性好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。开关电源SPS(SwitchingPowerSupply)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态下，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源又称为无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与
-6-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。
1.2.1开关电源的发展历史
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、调试困难而难以推广。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功率开关管(MOSFET)、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)、自恢复保险丝(RF)、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器(TL431)、电磁干扰滤波器(EMIFilter)、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重绝缘线、玻璃珠胶合剂等一大批新器件、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。
1.2.2开关电源的发展趋势
近20多年来，开关电源沿着下述两个方向发展。第一个方向是对开关电源的核心单位——控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功脉冲调制(PWM)控制器集成电路，美国摩托罗拉(Motorola)、硅通用(SiliconGeneral)公司等公司相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片，典型产品如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。这大致分两个阶段:80年代初，意,法半导体有限公司(SGS-Thomson)率先推出L4960系列单片开关稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉冲调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时配工频变压器和电网隔离，适于制作低压连续可调式输出(5(1,40V)、大中功率
-7-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
(400W以下)、大电流(1(5,10A)、高效率(可超过90,)的开关电压。但从本质上讲，它仍属于DC/DC电源变换器。
1994年，美国电源集成公司(PowerIntergrationInc)在世界上首先研制成功的三断隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列(TOP100/TOP200系列)，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch——?系列(TOP221,TOP227)。该公司于1998年又推出了高效率、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列，并于1999年开关出TNY265系列新产品。2000年初，PI公司又研制出TOPSwitch——FX系列五端单片开关电源，充分展示出单片开关电源蓬勃发展的新局面和良好的应用前景。目前，单片开关电源已形成具有六大系列、67种型号的产品。
单片开关电源属于AC/DC电源变换器。以TOPSwitch——?系列为例，它内部包含控制电压源、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、高压功率开关管(MOSFET)、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路和高压电流源。芯片的集成度很高，外围电路简单，通过输入整流滤波器，适配85~265V、47~440Hz的交流电，可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。单片开关电源的迅速发展与应用，使人们多年来所追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。
-8-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
第二章三端单片开关电源的原理与应用
单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、无工频变压器、能实现电气隔离等显著特点。美国PI公司研制的TOPSwitch系列产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件。
本章深入阐述开关电源基本原理，三端单片开关电源的产品分类、工作原理及反馈电路类型。
2.1开关电源的基本原理
目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制或混合调制方式。下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理作简要介绍。
2.1.1开关电源的控制方式
无工频变压器开关电源的控制方式大概有以下三种:
(1)脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制(PWM)。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节;另外输出端一般要接假负载(亦称预负载)，以防空载时输出电压升高。目前，集成开关电源大多采用PWM方式。
(2)脉冲频率调制方式，简称脉冲调制(PFM)。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。其稳压原理是:当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。
(3)混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改
-9-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。这种调制方式的占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。
2.1.2脉宽调制式开关电源的基本原理
脉冲调制式开关电源的基本原理图如图2(1所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压Vi，再由开关管VT(或MOSFET)斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C，获得所需要的直流输出电压V。脉冲调制器是这类开关电源的核心，2O
它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使V?，脉冲调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使O
斩波后的平均电压升高，导致V?。反之亦然。O
图2(1脉冲调制式开关电源的基本原理图
-10-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
2.2TOPSwitch——?系列的产品分类及性能特点
TOPSwitch——?与第一代产品相比，它不仅在性能上有进一步改进，而且输出功率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。
2.2.1产品分类
按封装形式，TOPSwitch——?可划分为三种类型:?采用TO-220封装的TOP221Y~TOP227Y型;?采用8脚双列直插式(DIP-8)封装的TOP221P~224P型;?采用8脚表面安装式(SMD-8)封装的TOP221G~224G型。产品分类情况详见表2(1。表中，P表示加合适散热器后所能获得OM
的最大连续输出功率。对于TO-220封装，需在小散热片上加散热器，使芯片在正常工作时的结温小于100?;对于DIP-8和SMD-8封装，可借助印刷板上公共地线区域的敷铜箔来代替散热片，将源极直接焊接在面积为
26(45cm敷铜箔上。有时为减少开关电源模块的体积，还可将凹型铝散热板直接粘贴在DIP-8(或SMD-8)封装的芯片上面，或将散热板与源极固定在一起，同样能起到散热作用。
2.2.2性能特点
TOPSwitch——?系列产品具有以下显著特点:
(1)将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。
(2)输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选110V
-11-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
表2(1TOPWitch——?的产品分类及最大输出功率POM
TO-220封装(Y)DIP-8封装(P)/SMD-8封装(G)
产品固定电压输宽范围电产品固定电压输宽范围电
型号入:110/115压输入:型号入:110/115压输入:
85~26585~265/230V(AC)，/230V(AC)，
?15%V(AC)?15%V(AC)TOP221Y12W7WTOP221P/G9W6WTOP222Y25W15WTOP222P/G15W10WTOP223Y50W30WTOP223P/G25W15WTOP224Y75W45WTOP224P/G30W20WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W
/115V,230V交流电，允许变化?15,;若配85~265V宽范围变化的交流电，最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47~440Hz。
(3)开关频率典型值为100KHz，占空比调节范围是1(7%,67%。电源效率为80%左右，最高可达90%，比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0,70?芯片最高结温Tjm=135?。
(4)外围电路简单，成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。
(5)只有三个引出端:控制端C、源极S、漏极D，可同三端线性稳压器相媲美，能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能，C、D均属多功能引出端，实现了一脚多用。
2.3TOPSwitch——?系列单片开关电源的工作原理
TOPSwitch——?有三种封装形式，分别为TO-220、DIP-8、SMD-8，
-12-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
其管脚封装图如图2(2所示。其中DIP-8可配8脚IC插座，SMD-8则为表面贴片，后者不需打孔焊接。
TOPSwitch——?的三个管脚分别为控制端C、源极S、漏极D。其中，控制端有4个作用:第一，利用控制电流I的大小来调节占空比D;C
当I从6mA减到2mA时，DC
就由1(7%增至67%，比例系
数即为脉宽调制增益:
,D1.7%,67%K,,
,Ic6,2
,,16.3%/mA
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，
该端还为电源支路和自动重启
动/补偿电容的连接点，通过外图2(2TOPSwitch——?管脚封装图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。控制电压V的典型值为5(7V，极C
限电压V=9V，控制端最大允许电流I=100mA。CMCM
漏极D与片内功率开关管的漏极连通，漏-源击穿电压V?700V。()BRDS源极S则接内部功率开关管的源极，还与小散热片接通(仅对TO-220封装而言)，作为初级电路的公共地。对于DIP-8以及SMD-8封装，都设计了6个S端，它们在内部是连通的。区别只是左边3个S端作为信号地接旁路电容的负极，右边3个S端则称为高压返回端(HVRTN)，即功率地。安装印刷板时应将它们焊接到地线区域的不同位置，这样可避免大电流通过功率地所形成的压降对控制端产生干扰。
TOPSwitch——?的内部框图如图2(3所示。主要包括10个部分:?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;?栅极驱动器;?过流保护电路;?过热保护及上电复位电路;?关断,自动重新启动电路;?高压偏流源。
-13-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
图2(3TOPSwitch——?的内部框图
下面分别介绍各单元电路的工作原理。
1(控制电压源:控制电压V给控制器和驱动器供电或提供偏压。接C
在CONTROL和SOURCE引脚之间的外部旁路电容C。，为栅极提供驱T
动电流，并设置自动恢复时间以及控制环路的补偿。在正常工作(输出电压稳定)时，反馈控制电流给V供电，并联稳压器使V保持在5(7V。CC
在启动时，控制(CONTROL)脚的电流由内部接在DRAIN和CONTROL脚之间的高压开关电流源提供。CONTROL脚电容C放电至阈值电压以下T
时，输出MOSFET截止，控制电路处于备用方式。此时高压电流源接通，并再次给电容CT充电。通过高压电流源的接通和断开，使V保持在C4(7——5(7V之间。
2(带隙基准电压源:所有TOPSwitch——?内部电压都取自具有温度补偿的带隙基准电压。此基准电压也能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡器的频率和MOSFET栅极驱动电流。
3(振荡器:内部振荡器通过内部电容线性地充放电，产生脉宽调制器所需的锯齿波电压人了降低EMI并提高电源的效率，振荡器额定频率选为100kHz，精调电流基准值可提高振荡频率的精度。
-14-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
4(并联调整器/误差放大器:在电路中，并联稳压器完成误差放大器的功能。并联稳压器的电压精确地取自温度补偿带隙基准电压;误差放大器的增益则由CONTROL脚的动态阻抗设定。
5(脉宽调制器:流入CONTROL脚的电流在凡两端产生的压降，经RC电路滤波后伽到PWM比较器的问相输入端，与振荡器输出的锯齿波电压比较产生脉宽调制信号。该信号驱动输出MOSFET实现电压型控制。
6(栅极驱动器:栅极驱动器以一定速率使输出MOSFET导通，以减小共模EMI。为了提高精确度，栅极驱动电流还可以进工微调逐周限流。逐周「巳流电路用输出MOSFET的导通电阻作为取样电阻，限流比较器MOSFET导通时的漏源电压V与阈值电压进行比较。漏极电流过大()DSON
时漏源电压V超过阈值电压，输出MOSFET关断，直到下一个周期()DSON
输出MOSFET才能导通。
7(过流保护电路:过流比较器的反相输入端接极限电压(又称阀值电压)V，同相输入端接MOSFET的漏极。这里巧妙地利用MOSFETLIMIT
的漏-源导通电阻R来代替外部过流检测电阻R。当I过大时，()DSONSDV>V，过流比较器翻转，输出变成高电平，经过Y、H，将触()DSONLIMIT2发器?置零，进而使MOSFET关断，起到过流保护作用。
8(过热保护电路:当结温超过热关断温度(135?)时模拟电路将关断输出MOSFET。
9(关断,自动重新启动电路:为了减少TOPSwitch的功耗，当超过调整状态时犬断,自动重新启动电路将以5,的占空比接通和关断电源。
10(高压偏流源:在启动期间该电流源从漏极脚偏置TOPSWitch，并对CONTROL脚的外接电容C充电。T
2.4单片开关电源的基本原理及反馈电路类型
下面介绍单片开关电源的基本工作原理及反馈电路的四种基本类型。
2.4.1单片开关电源的基本原理
-15-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用如图2(4所示。高频变压器在电路中具备能量储存、隔离输出和电压变换这三大功能。该电路属于单端反激式开关电源。所谓单端是指TOPSwitch只有一个脉宽调制信号功率输出端——漏极D。反激式则是指当TOPSwitch导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中;当TOPSwitch截止时，能量传输给次级。由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出。图中，BR为整流桥，C1为输入端滤波电容。交流电压u经过整流滤波后得到直流高压V1，经初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。由于在TOPSwitch关断时刻，高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压V和感应电压V上，可使功率开关管的漏IOR
极电压超过700V而损坏芯片;为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器(VR1)、快恢复二极管D1组成。D2为次级整流管，C2为输出端滤波电容。
该电路采用配稳压管的光耦反馈电路。反馈绕组电压经过D3、C3整流滤波后获得反馈电压V，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的FB
控制端提供偏压。C4是控制端C的旁路电容。设稳压管VR2的稳压电压
D2VOT
C2VR2VR1
D3RTNC1D1R1C3BR
LED
C4
图2(4单片开关电源典型应用电路
为V，限流电阻R1两端的压降为V，光耦合器中LED发光二极管的正ZR
向压降为V，输出电压V由下式设定:FO
V=V+V+V(2(1)OZFR
-16-
C1
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
该电源的稳压原理简述如下:当由于某种原因(如交流电压升高或负载变轻)致使V升高时，因V不变，故V就随之升高，使LED的工作OZF
电流I增大，再通过光耦合器使TOPSwitch的控制端电流I增大。但因FCTOPSwitch的输出占空比D与I成反比，故D减小，这就迫使V降低，CO达到稳压目的。反之，同理也可达到稳压目的。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。
2.4.2反馈电路的四种基本类型
单片开关电源的电路可以千变万化，但其反馈电路只有四种基本类型:?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;?配TL431的精密光耦反馈电路。它们的简化电路如图1(5(a)~(d)所示。
图2(5反馈电路的四种类型
-17-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
(1)基本反馈电路是利用反馈绕组间接获取输出电压的变化信号，因此不需要使用光耦合器。该方案的电路最为简单，但开关电源的稳定性不高，难于把负载调整率SI降至?5,以下。若仅为改善轻载时的负载调整率，可在输出端并联一只合适的稳压管，使其稳定电压U=U，此时轻载ZO下的SI
(2)改进型基本反馈电路只需增加一只稳压管VD和电阻R，即可Z1使负载调整率达到?2%。VD的稳定电压一般为22V，需相应增加反馈绕Z
组的匝数，以获得较高的反馈电压V，满足电路的需要。FB
(3)配稳压管的光耦反馈电路它是利用一只稳压管的稳定电压作为次级参考电压。由稳压管的稳定电压(U)、光耦合器中LED的正向压降(U)ZF和用于控制环路增益的串联电阻R1上的压降(U)这三者之和，来决定R1
输出电压值。当U的偏差小于2,时，能将主输出的负载调整率控制在Z
?2,以内，该电路的缺点是参考电压的稳定度不高，并且只对主输出进行反馈，其他各路辅助输出未加反馈，因此辅助输出的电压稳定性较差。
(4)配TL431的多路输出光耦反馈电路其特点是:?利用TL431型可调式精密并联稳压器构成次级误差电流放大器，再通过光耦合器对主输出进行精确的调整;?除主输出作为主要的反馈信号之外，其他各路辅助输出也按照一定比例反馈到TL431的2(50V基准端，这对于全面提高多路输出式开关电源的稳压性能具有重要意义，也是单片开关电源的一项新技术。
在设计单片开关电源时，应根据实际情况来选择合适的反馈电路，才能达到规定的技术指标和经济指标。
-18-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
第三章三端单片开关电源的设计
研制开发单片开关电源的关键技术在于掌握起电路设计方法，并能对调试、使用过程中出现的各种故障进行分析与排除。单片开关电源在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保护电路、关键元器件的选择等方面有许多独特之处。本章主要介绍单片开关电源的快速设计法、高频变压器的设计以及多路输出式开关电源的设计实例，这是单片开关电源的关键技术。
3.1单片开关电源的快速设计法
在设计开关电源时，首先面临的问题是如何选择合适的单片开关电源芯片，既能满足要求，又不因选型不当而造成资源的浪费。然而，这并非易事。原因之一是单片开关电源现已形成四大系列、近70种型号，即使采用同一种封装的不同型号，其输出功率也各不相同;原因之二是选择芯片时，不仅要知道设计的输出功率P，还必须预先确定开关电源的效率η和O
芯片的功率损耗P，而后两个特征参数只有在设计安装好开关电源时才能D
测出来，在设计之前它们是未知的。
下面重点介绍利用TOPSwitch,II系列单片开关电源的功率损耗(P)D与电源效率(η)、输出功率(P)关系曲线，快速选择芯片的方法，可圆O
满解决上述难题。在设计前，只要根据预期的输出功率和电源效率值，即可从曲线上查出最合适的单片开关电源型号及功率损耗值，这不仅简化了设计，还为选择散热器提供了依据。
3.1.1TOPSwitch,II的P与η、P关系曲线DO
TOPSwitch,II系列的交流输入电压分宽范围输入(亦称通用输入)，固定输入(也叫单一电压输入)两种情况。二者的交流输入电压分别为Ui=85V,265V，230V?15,。
-19-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
1(宽范围输入时P与η，P的关系曲线DO
TOP221,TOP227系列单片开关电源在宽范围输入(85V,265V)的条件下，当U=，5V或者，12V时，P与η、P的关系曲线分别如图3(1、ODO
图3(2所示。这里假定交流输入电压最小值U=85V，最高交流输入电imin压U=265V。图中的横坐标代表输出功率P，纵坐标表示电源效率η。imaxO
所画出的7条实线分别对应于TOP221,TOP227的电源效率，而15条虚线均为芯片功耗的等值线(下同)。
图3(1宽范围输入且输出为5V时P与η、P的关系曲线DO
图3(2宽范围输入且输出为12V时P与η、P的关系曲线DO
-20-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
2(固定输入时P与η、P的关系曲线DO
TOP221,TOP227系列在固定交流输入(230V?15,)条件下，当U=O，5V或，12V时，P与η、P的关系曲线分别如图3(3、图3(4所示。DO
这两个曲线族对于208V、220V、240V也同样适用。现假定U=195V,U=265V。iminimax
图3(3固定输入且输出为5V时P与η、P的关系曲线DO
图3(4固定输入且输出为12V时P与η、P的关系曲线DO
3.1.2(正确选择TOPSwitch,II芯片的方法
-21-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
利用上述关系曲线迅速确定TOPSwitch,II芯片型号的设计程序如下:
(1)首先确定哪一幅曲线图适用。例如，当Ui=85V,265V，U=，O5V时，应选择图3(1。而当Ui=220V(即230V,230V×4(3,)，U=，12VO时，就只能选图3(4;
(2)然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点位置(P);O
(3)从输出功率点垂直向上移动，直到选中合适芯片所指的那条实曲线。如不适用，可继续向上查找另一条实线;
(4)再从等值线(虚线)上读出芯片的功耗P。进而还可求出芯片D
的结温(T)以确定散热片的大小;j
(5)最后转入电路设计阶段，包括高频变压器设计，外围元器件参数的选择等。
例:计算TOPswitch,II的结温
这里讲的结温是指管芯温度T。假定已知从结到器件表面的热阻为j
R(它包括TOPSwitch,II管芯到外壳的热阻R和外壳到散热片的热阻θAθ1
R)、环境温度为T。再从相关曲线图中查出P值，即可用下式求出芯片θ2AD
的结温:
Tj=PD?RθA，TA(3(1)
举例说明，TOP225的设计功耗为1(7W，R=20?/W，T=40?，θAA代入式(1)中得到T=74?。设计时必须保证，在最高环境温度T下，jAM芯片结温T低于100?，才能使开关电源长期正常工作。j
3.1.3(根据输出功率比来修正等效输出功率等参数
1(修正方法
如上所述，P与η，P的关系曲线均对交流输入电压最小值作了限制。DO
图3(1和图3(2规定的Uimin=85V，而图3与图4规定Uimin=195V(即230V,230V×15,)。若交流输入电压最小值不符合上述规定，就会直接影响芯片的正确选择。此时须将实际的交流输入电压最小值Uimin′所对应的输入功率P′，折算成Uimin为规定值时的等效功率P，才能使用上述OO
-22-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
4图。折算系数亦称输出功率比(P′/P)用K表示。TOPSwitch,II在宽OO
范围输入、固定输入两种情况下，K与U′min的特性曲线分别如图3(5、图3(6中的实线所示。需要说明几点:
(1)图3(5和图3(6的额定交流输入电压最小值Uimin依次为85V，195V，图中的横坐标仅标出Ui在低端的电压范围。
图3(5宽范围输入时K与Umin’的关系
图3(6固定输入时K与Umin’的关系
(2)当Uimin′>Uimin时K>1，即P′>P，这表明原来选中的芯片此OO
时已具有更大的可用功率，必要时可选输出功率略低的芯片。
-23-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
(3)设初级电压为U，其典型值为135V。但在Uimin′<85V时，受OR
TOPSwitch,II调节占空比能力的限制，U会按线性规律降低U′。此OROR时折算系数K=U′/U<1。图3(5和图3(6中的虚线表示U′/U与ORORORORUimin′的特性曲线，利用它可以修正初级感应电压值。
现将对输出功率进行修正的工作程序归纳如下:
(1)首先从图3(5、图3(6中选择适用的特性曲线，然后根据已知的Uimin′值查出折算系数K。
(2)将P′折算成Uimin为规定值时的等效功率P，有公式OO
PO=PO′/K(3(2)
(3)最后从图3(1,图3(4中选取适用的关系曲线，并根据P值O查出合适的芯片型号以及η、P参数值。D
下面通过一个典型的实例来说明修正方法。
例:设计12V，35W的通用开关电源
已知U=85V，假定U′=90,×115V=103(5V。从图3(5中查出iminimin
K=1(15。将P′=35W、K=1(15一并代入式(2)中，计算出P=30(4W。OO再根据P值，从图3(2上查出最佳选择应是TOP224型芯片，此时O
η=81(6,，P=2W。D
若选TOP223，则η降至73(5,,P增加到5W，显然不合适。倘若D
选TOP225型，就会造成资源浪费，因为它比TOP224的价格要高一些，且适合输出40W,60W的更大功率。
2(相关参数的修正及选择
(1)修正初级电感量
在使用TOPSwitch,II系列设计开关电源时，高频变压器以及相关元件参数的典型情况见表3(1，这些数值可做为初选值。当Uimin′
LP′=KLP(3(3)
-24-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
表3(1高频变压器及其相关元件参数的典型值
TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227参数
高频变压器初级电感LP8650440022001475110088015
(μH)
高频变压器初级泄漏电感175904530221815L(μH)PO
次级开路时高频变压的谐400450500550600650700
振频率fo(kHz)
50001800650350250175140初级级圈电阻R(mΩ)P
20127543次级级圈电阻Rs(mΩ)3(5输出滤波电感的直流电阻40322520161310
R(mΩ)L1
共模扼流圈的直流电阻400370333300267233200R(mΩ)L2
查表3(1可知，使用TOP224时，LP=1475μH。当K=1(15时，LP′=1(15×1475=1696μH。
表3(2光耦合器参数随U′的变化imin
85195最低交流输入电压U(V)imin
LED的工作电流I(mA)3(55(0F
光敏三极管的发射极电流I(mA)3(55(0E
(2)对其他参数的影响
当U的规定值发生变化时，TOPSwitch,II的占空比亦随之改变，imin
进而影响光耦合器中的LED工作电流I、光敏三极管发射极电流I也产FE生变化。此时应根据表3(2对I、I进行重新调整。FE
TOPSwitch,II独立于U、P的电源参数值，见表3(3。这些参数一iO
般不受Uimin变化的影响。
-25-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
表3(3独立于Ui、P的电源参数值O
独立参数典型值
100开关频率f(kHz)
200输入保护电路的箝位电压U(V)B
输出级肖特基整流二极管的正向压降U(V)0(4F
16初始偏置电压U(V)FB
(3)输入滤波电容的选择
输入滤波电容器C的容量与电源效率、输出功率密切相关。对于宽范1
围输入的开关电源，C的容量取μF作单位时，可按比例系数3μF/W，例1
如，当P=30W时，C=(3μF/W)×30W=90μF，以此类推。在固定输入O1
时，比例系数变成1μF/W，上例中的C1就变在30μF。在设计开关电源时还需注意C的容量误差要尽量小，以免影响开关电源的性能。当C的容11量太小时，会降低TOPSwitch,II的可用功率。上例中，若将宽范围输入时的C容量由30μF改成20μF，则输出功率会降低15,;当C<20μF时，11会造成可用功率更显著地下降。
此外，C的容量大小还决定着直流高压V的数值。图3.1与图3.2实1I
际上是在V=105V情况下绘制的，而图3.3和图3.4是在V=265V情况下II获得的。这充分体现了C对V的影响。1I
3.2高频变压器的设计
高频变压器的设计是研制单片开关电源的关键技术。下面将通过设计一个7(5V、15W开关电源来详细阐述高频变压器的设计方法。
3.2.1磁芯、骨架的选择
小型化、塑料盒密封式开关电源模块可选低成本的EE或EI条形)型磁芯。当P=15W时，若用常规漆包线饶制，可选EE22型磁芯，型号中O
的数字表示磁芯长度A=22mm。EE型磁芯的价格低廉，磁损耗低且适应
-26-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
性强。若采用三重漆包线，则选EE20或EF20型磁芯。一旦选好磁芯，骨架的尺寸也就确定下来了。从厂家提供的磁芯产品手册中还可出查出S、J
2l、A、b等参数值。先选择EE22型磁芯，由手册中查出S=0(41cm，LJ
2l=3(96cm，A=2(4μH/匝，b=8(43mm。L
3.2.2确定高频变压器的主要参数
(1)计算次级匝数NS
对于100V/115V交流输入，次级绕组可取1匝/V;对于230V交流或宽范围输入应取0(6匝/V。先已知u=85~265V，V=7(5V，考虑到在次O
级肖特基整流二极管上还有0(4V的正向导通压降V，因此次级匝数为F1
(V+V)×0(6匝/V=(7(5V+0(4V)×0(6匝/V=4(74匝。由于OF1
次级绕组上还存在导线电阻，也会形成压降，实取N=5匝。S
(2)计算初级匝数NP
VORN,N,(3(4)PSV，VOF1
初级线圈感应电压V=85V，V=7(5V，V=0(4V，再与N=5匝OROF1S代入上式中可算出，N=53(8匝。实取54匝。P
(3)计算反馈绕组匝数NF
V，VFBF2N,N,(3(5)FSV，VOF1
将N=5匝，V=10(4V，V=0(7V，V=7(5V，V=0(4V代入SFBF2OF1上式中可算出，N=7(03匝。实取7匝。F
3.2.3高频变压器的饶制技术
(1)初级绕组必须饶在最里层。其优点之一是能缩短每匝导线的长度，减小初级绕组的分布电容;优点之二是初级绕组能被其他绕组所屏蔽，可降低初级绕组至相邻元件的电噪声。另外，初级绕组的起始端应接到TOPSWitch的漏极端，利用初级绕组的其余部分和其他绕组将它屏蔽，减
-27-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
小从初级耦合到其他地方的电磁干扰。初级绕组必须设计成两层或两层以下，才能把初级分布电容和漏感降至最低。在初级各层之间加一绝缘层，能将分布电容减小到原来的1/4左右。
(2)反馈绕组的最佳位置取决于开关电源采用初级调整方案还是次级调整方案。采用前者时应将反馈绕组置于初、次级绕组之间，这样能对初级回路元件上的电磁干扰起到屏蔽作用。选择次级调整方案，需把反馈绕组饶在最外层，此时反馈绕组与次级绕组的耦合最强，对输出电压的变化反应得更灵敏，能提高调整度;另外还能减小反馈绕组与初级绕组的耦合程度以及反馈输出的峰值充电效应，也有助于提高稳压性能。两种方案各具特点，可根据实际情况进行选择。
(3)饶制多路输出的次级绕组时，输出功率最大的次级绕组应靠近初级，以减小漏感。如次级匝数较少，每匝之间可适当留出间隙，使绕组能充满整个骨架。更好的解决办法是采用多股并饶的办法。
(4)屏蔽层的设计。在初、次级之间增加屏蔽层，可减小初、次级之间共模干扰的容性耦合，最经济的屏蔽法是在初、次级之间专饶一层漆包线，一端接V(或V);另一端悬空并且用绝缘带绝缘，置于高频变压器ID
内部而不引出来。
为防止高频变压器泄露磁场对相邻电路造成干扰，可把一铜片环绕在变压器外部，构成屏蔽带。屏蔽带应与V端连通。D
3.3多路输出式单片开关电源的设计
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设计。
3.3.1电路设计方案
1(确定多路输出的技术指标
-28-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
由于IPM需要四组互相绝缘的控制电源，根据IPM对控制电源电压、功率的要求，设计的开关电源具有四路输出:主输出V(15V，600mA，O1
9W),辅助输出为V(15V，600mA，9W)，U(同V)，V(同V)。O2O3O2O4O2总输出功率为36W。技术指标详见表3(4。
表3(4多路输出的技术指标
主输出辅助输出总输出功
率P第1路第2、3、4路OVIPVIPO1O1O1O2O2O2+15V600mA9W+15V600mA9W36W(10%)(10%)
各路输出的稳压性能对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。
2(确定反馈电路
前面提到过，反馈电路有四种类型。根据表1的输出技术指标，可选择配稳压管的光耦反馈电路，如图3(7所示。
图3(7配稳压管的光耦反馈电路
3(芯片型号的选取
根据电路的技术指标，V=15V，P=36W,按照?3(1中介绍的方法，OO
近似查图3(2，首先在横坐标上找到P=36W的输出功率点，然后垂直上O
-29-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
移与TOP224的实线相交于一点，由纵坐标查出该点的η为75,左右，最后从经过该点的那条等值线上查得P=4W。这表明，选择TOP224就能输D
出36W功率，并且预期的电源效率为75,，芯片功耗则为4W。因此，可以选择TOP224Y为电路芯片。
根据所得到的P值，进而完成散热器选择。D
4(设计开关电源电路
根据上述原则设计的多路输出式开关电源的电路，如图3(8所示。该电路采用一片TOP224Y型三端单片开关电源，交流输入电压范围是85V~265VAC。高频变压器的次级绕组有4个独立绕组，但仅在主输出端设计了带稳压管的光耦反馈电路。
图3(8多路输出式开关电源电路
多路输出式开关电源有两种工作方式:(1)不连续模式(DCM)，其优点是在同等输出功率的情况下，高频变压器能使用尺寸较小的磁芯;(2)连续模式(CCM)，其优点是能提高TOPSwitch的利用率。多路输出式开
-30-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
关电源一般选择连续方式，因高频变压器尺寸不再是重要问题，此时需关注的是多个次级绕组如何与印制电路实现最佳配合。
对交流进线端接入的电磁干扰，可做相关处理如图3(8所示。电磁干扰滤波器(EMIfilter)由共模扼流圈L和C~C、C和R构成。C3911121210与C的中点应接通大地G。L与C、C用来抑制共模干扰，C和C1131011912专门滤除串模干扰。因C的容量较大(0(47μF)，在其上并联电阻R,912在断电后C经R进行放电，可避免电源进线端L、N上带电。912
3.3.2多路输出式高频变压器的设计
2高频变压器采用EE29型铁氧体磁芯，其有效磁通面积S=0(76cm。J留出的磁芯气隙宽度δ=0(38mm。骨架有效宽度为26mm。初级绕组采用0(3mm漆包线，反馈绕组用0(3mm漆包线，次级线圈用0(55mm漆包线。对于230V交流或宽范围输入应取0(6匝/V。
次级线圈若取0(6匝/V，，V=15V，考虑到在次级肖特基整流二极O
，因此次级匝数为(V+V)×0(6管上还有0(4V的正向导通压降VF1OF1匝/V=(15V+0(4V)×0(6匝/V=9.24匝。由于次级绕组上还存在导线电阻，也会形成压降，实取N=11匝。S
计算初级匝数NP
VORN,N,(3(6)PSV，VOF1
初级线圈感应电压V=105V，V=15V，V=0(4V，再与N=11匝OROF1S代入上式中可算出，N=75匝。实取77匝。P
计算反馈绕组匝数NF
V，VFBF2N,N,(3(7)FSV，VOF1
将N=11匝，V=10(4V，V=0(7V，V=15V，V=0(4V代入SFBF2OF1上式中可算出，N=7.9匝。实取9匝。F
次级绕组有两种绕制方法，一种是分离式绕法，另一个堆叠式绕法。
-31-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
表3(5次级绕组两种绕法的比较
绕制方法优点缺点
因漏感较大，在输出滤波电容上会产生峰排列具有灵活性，可将输出电流值充电效应，导致轻载下的负载调整率变分离式绕较大的某一路输出靠近初级，能差。法把漏感引起的能量损失减至最制造成本较高。小。骨架上的引脚较多(共6个)。
1能加强磁耦合。
堆叠式绕2能改善轻载时的稳压性能。电压最低(或最高)的绕组须靠近初级。法3骨架上的引脚较少(仅4个)。为降低大电流时的漏感缺乏灵活性。
4制造成本低。
本设计采用分离式绕法。
次级绕组可用0(55mm漆包线饶11匝。
在选取输出整流管的参数时，应遵循以下原则:管子的额定工作电流(I)至少为该路最大输出电流的3倍;管子的最高反向工作电压(U)FRM必须高于最低耐压值(U)。R
3.4TOPSwitch——?的使用注意事项
使用TOPSwitch——?系列单片开关电源时需注意以下事项:
1.交流输入电压
TOPSwitch——?可在85~265V交流输入电压下正常工作。交流电压最高不得超过265V(有效值)，但可低于85V。实际上即使交流输入电压低至36V以下，TOPSwitch——?仍能维持工作，只是效率会降低，自动重启动周期会延长，无法达到所规定的最大输出功率值。
2.最小负载
单片开关电源在空载或轻载时应在输出端接一个最小负载，使输出电压保持稳定。另外在使用TOPSwitch——?时，源极引脚和引线要尽量短。
-32-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
3.与TOPSwitch的代换问题
TOPSwitch第一代产品与TOPSwitch——?的电路原理完全相同，仅部分技术指标不同。主要表现为以下参数存在差异:u、V、P。()BRDSOM原则上可用TOPSwitch——?直接代换TOPSwitch，但须检查高频变压器、漏极保护电路、次级高频整流管的技术指标是否符合要求。举例说明，TOP104Y为第一代TOPSwitch产品，u=85~132V，V?350V，P=60W。()BRDSOM而TOPSwitch——?系列中的相近型号为TOP224Y，其u=85~265V，V()BR?700V，P=75W。显然，可用TOP224Y直接代替TOP104Y，反之则DSOM
不行。
4.漏极保护电路
每当功率MOSFET由导通变成截止时，在开关电源的初级上就会产生尖峰电压和感应电压。其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感(即漏磁产生的自感)而形成的，它与直流高压V和感应电压V叠加后很容易IOR损坏MOSFET。为此，必须增加漏极保护电路，对尖峰电压进行钳位或者吸收。
漏极保护电路大致有以下四种设计方案:
)利用瞬态电压抑制器(TVS)和超快恢复二极管(SRD)组成(1
TVS、SRD型钳位电路(参见图2(4)。
(2)利用阻容元件和超快恢复二极管组成的R、C、SRD型钳位电路。
(3)由阻容元件构成的RC吸收回路。
(4)由几只高压稳压管串联而成的钳位电路，专门对漏-源电压VDS进行钳位。
上述方案中以(1)的保护效果最佳，能充分发挥TVS响应速度快、可承受瞬态高能量脉冲之优点。方案(2)次之。当单片开关电源的输出功率为50~150W时，在电路中可同时采用方案(2)和(4)，或采用方案(1)和(3)，均可起到双重保护功能。鉴于压敏电阻器(VSR)的标称击穿电压值(V)离散性较大，响应速度也比TVS慢的多，在单片开关电源中1mA
一般不用它构成漏极钳位保护电路。
5.电磁干扰滤波器
-33-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
为了抑制从电网引入的电磁干扰(EMI)，同时也防止开关电源产生的噪声经电源线向外传输，须在单片开关电源的交流输入端接入电磁干扰滤波器(EMIfilter)。由于TOPSwitch——?产生的电磁干扰较小，因此可简化电磁干扰滤波器的结构，降低成本。简单的电磁干扰滤波器仅用一只电容和一只共模扼流圈，较复杂的则需要使用四只电容配共模扼流圈(参见图2(8)。
6.光耦反馈电路分析
光耦反馈电路实际上由两部分构成:?由反馈绕组N、高频整流滤波F
器构成的非隔离式反馈电路，反馈电压V为光敏三极管提供偏压;?由FB
取样电路、外部误差放大器、光耦合器构成的隔离反馈电路，它将V的O变化量直接转换成控制电流I。其中，V基本不受交流输入电压u变化CFB
的影响，而I则与V变化有关。仅当u宽范围变化而负载稳定时I才与COCu变化有关。
7.光耦合器
设计单片精密开关电源时应选择电流传输比CTR=50%~200%的线性光耦合器。
电流传输比(CRT)是光耦合器的重要参数。它表示光耦合器中光敏三极管(接受管)的输出电流I与发光二极管(发射管)的输入正向电流C
IF之比，通常用百分数表示。有公式
CRT=(I/I)×100%CF
对线性光耦合器而言，起CRT值应能在一定范围内控制为常数，使其输出电流与输入电流之间呈线性关系。为降低光耦合器的功耗且避免出现误触发现象，CRT值应在50%~200%范围之内。另外，还必须采用线性光耦合器。
8.外部误差放大器的原理分析
设计时使用TL431型可调式精密并联稳压器构成外部误差放大器。该误差放大器极为特殊，它不同于普通的误差放大器，并且只有一个输入控制端。
当输出电压发生波动且变化量为?U时，通过取样电阻分压之后，就O
-34-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
使TL431的输出电压V也产生响应的变化量，进而使LED的工作电流IKF改变，最后通过控制端电流I的变化量来调节占空比D，使V产生响应CO的变化，从而抵消了?V的波动。上述稳压过程亦可归纳成O
V??V??I??I??D??V??最终使V不变OKFCOO
因此，TL341就起到了外部误差放大器的作用。
9.电阻R的作用1
这里讲的电阻R是指光耦合器中LED的外部限流电阻。实际上除限1
流保护作用外，它对控制环路的增益也具有重要影响。这是因为若改变R1的阻值，即可依次影响到下列参数值:I?I?D?V，也就相当于改变了FCO
控制环路的直流放大倍数。
另外，在介绍应用电路时曾提到R上的压降很小，通常可以不予考虑。1
这同样可加以证明。TOPSwitch——?的控制端电流很小，通常I=2~4mA，C
R1=470Ω，则现假定为2mA。若光耦合器电流传输比CTR取200%，
I=I/CTR=2mA/200%=1mA，V=IR=470mV《12V。因此，R上的压降FCR1F11完全可以忽略不计。
10.磁珠
VD2单片开关电源的开关频率较高(100kHz左右)，在输出整流管关断后的反向恢复过程中，会产生开关噪声，容易损坏整流管。虽然VD2两端并上阻容元件串联而成的RC吸收电路，能对开关噪声起到一定的抑制作用，但效果仍不理想，况且在电阻上还会造成功率损耗。解决的办法是在次级整流滤波器上串联一只磁珠。
磁珠是近年来问世的一种超小型非晶合金磁性材料，它与铁氧体属两种材料。其外形呈管状，引线穿心而过。供单片开关电源使用的磁珠，电感量一般为几至几十微亨。磁珠的电阻非常小，一般为0(005~0(01Ω。通常噪声滤波器只能吸收已发生了的噪声，属于被动抑制型;磁珠的作用则不同，它能抑制开关噪声的产生，因此属于主动抑制型，这是二者的根本区别。磁珠可广泛用于高频开关电源、录象机、电子测量仪器、以及各种对噪声要求比较严格的电路中。
-35-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
第四章实验分析
在第三章原理设计基础上，制作了印刷电路板，并对其进行了加电调试。在调试过程中使用示波器测得几组数据如下:
图4(1:单片开关电源运行时TOPSwitch上C-S间电压波形
-36-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
图4(2:单片开关电源运行时TOPSwitch上D-S间电压波形
图4(3:单片开关电源运行时输出电压波形图4(1为单片开关电源运行时TOPSwitch上C-S间电压波形。正常工作
-37-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
时，C-S端电压大致不变，只有在输出电压出现变化TOPSwitch调节占空比时C-S端电压有小范围波动。
图4(2为单片开关电源运行时TOPSwitch上D-S间电压波形。TOPSwitch导通时，即D-S端电压为零时，电能储存在高频变压器的初级线圈上;TOPSwitch截止时，即D-S端电压不为零时，向次级输送电能。图中的占空比比较小。
图4(3为单片开关电源运行时输出电压波形。可以看出，输出电压质量较好。
-38-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
结论
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、最佳性能等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。目前已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。不仅可以用作IPM的控制电源，还广泛用于智能仪表，办公自动化设备，无线通信设备，笔记本电脑，彩色电视机，摄、录像机，AC/DC电源适配器等领域。
经过这几个月的研究和反复实验，完成了单片开关电源的设计，通过实验调试，开关电源己能安全地带载工作，为单片开关电源的研制提供了一种切实可行的方案。以下是设计单片开关的经验与结论:
一、高频变压器的设计
高频变压器的设计是研制单片开关电源的关键技术。设计时应准确选择其主要参数，特别是各级线圈匝数。另外，应充分考虑到高频变压器泄漏磁场对相邻电路的干扰。
二、反馈电路的选择
反馈电路是开关电源电路中的核心部分。从主电路的输出端直接取电压信号作为反馈，经过线性光耦合器后输入到TOPSwitch的控制端，对输出电压调节。线性光耦合器即完成了隔离的作用同时又完成数据传递的作用。根据电路的技术指标，合理的设计反馈电路。
三、电磁兼容性
开关电源工作在高频开关状态，内部的电压及电流波形都是瞬态变化的，因此它属于强噪声源。其产生的干扰直接危害到电子设备的正常工作。因此，必须给予高度重视。
-39-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
致谢
本文是在杨振强老师悉心指导和鼓励下完成的。论文的选题、具体工作和撰写过程都凝聚着杨老师的心血和汗水。在课题的研究过程中，杨老师在整个实验的规划，以及实验方法的确立和一些技术细节的经验等方面都给了我指导性的意见和建议，在实验的过程中，我更从杨老师那儿学到了一丝不苟的科研态度，踏踏实实的工作作风，以及待人勤恳、热情、和蔼的为人处世原则，在此，我要向杨老师表示我深深的敬意和谢意。
最后，感谢大连理工大学多年的培养。感谢曾经教育和帮助作者的所有老师。同时感谢大学学习生活过程中同学们的帮助。
-40-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
参考文献
【1】沙占友(特种集成电源最新应用技术(北京:人民邮电出版社2000第93~105
页第168~218页
【2】沙占友(新型单片开关电源的设计与应用(北京:电子工业出版社2001第1~23
页第173~239页
【3】刘胜利(现代高频开关电源实用技术(北京:电子工业出版社2001第17~46
页
【4】张占松，蔡宣三(开关电源的原理与设计(北京:电子工业出版社1998第
319~354页
【5】PowerIntegrations,Inc(SupplementalDataBookandDesignGuide,1998【6】PowerIntegrations,Inc(TOP221-227TOPSwitch-IIFamilyThree-terminalOff-line
PWMSwitch2001
【7】PowerIntegrations,Inc(TOPSwitch-IIFlybackQuickSelectionCurvesApplication
NoteAN-211998
【8】PowerIntegrations,Inc(FlybackTransformerDesignForTOPSwitchPowerSupplies
ApplicationNoteAN-171996
【9】首珩，肖耀(智能电力模块(IPM)(机床电器，2001(No6第21~22页
【10】王清灵(智慧型开关器件IPM及其应用(淮南工业学院学报，2001(Vol.21No.1第23~27页
【11】董建锋，叶朝斌(TOPSwitch——?原理及应用(国外电子元器件，1998(No
2第17~20页
【12】周鸿,贾文(TOPSwitch单片开关电源的原理与应用(航空计算技
术(2002(Vol.32No1第48~50页
-41-
基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
-42-
|
|
