反激开关电源的设计.doc

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1、 反激开关电源的设计 学院 电气工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 2014年月日 华南理工大学广州学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本人完全了解华南理工大学广州学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照有关要求提交学位论文的印刷本和电子版本；华南

2、理工大学广州学院图书馆有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用复印、数字化或其他复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，可以公布论文的部分或全部内容。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日作者联系电话： 电子邮箱：摘 要随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛，它是各种电子设备不可替代的重要组成部分。它直接决定了整个系统的质量、安全性等多项指标。开关电源以其特有的优势高稳定性、高性价比、低损耗、高效率，已经在市场中占据了一席之地。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。现在，随着单片开关电源集成电

3、路在电力电子技术上的应用，开关电源逐渐向着短、小、轻、薄的方向发展。电力电子技术的飞快发展和小型电子设备的广泛应用，又使得小功率电源的需求逐渐增加，反激式开关电源由于其结构和成本方面的优势在小功率电源领域扮演着相当重要的角色，是小功率供电电源的首要之选。然而，开关电源中重要一环反激变压器的设计也是一个难题，其往往会使得电源设计的周期延长。随着PI公司生产的以TOPSwitch为代表的新一代产品单片开关电源的诞生，很好的解决了以上诸多问题。应用TOPSwitch-HX设计出来的开关电源，不仅组成器件更少，结构更简单，发热量更少，安全更可靠，采用TOPSwitch-HX系列芯片已经成为一种高效的反

4、激式开关电源设计方案。研究开发各种通用型、精密型及特种单片开关电源模块，能够大幅度地提升我国开关电源的科技水平和在国内外市场上的竞争能力，创造出巨大的经济效益与社会效益。关键字：电力电子技术；开关电源；TOPSwitch-HX；高效AbstractWith the development of power electronics, switching power supplies are widely used, it is an important component of various electronic equipment cannot be replaced. It directl

5、y determines the quality, safety, and other indicators of the overall system. Switching power supply with its unique advantages-high stability, high performance, low loss, high efficiency, has claimed a seat in the market. Switching power supplies is the development direction of high frequency, high

6、 reliability, low power, low noise, interference and modulation. Now, with a single chip switch power IC applications in power electronics, switching power supply gradually toward the direction of short, small, light, thin. The rapid development of power electronics technology and widespread use of

7、small electronic devices and makes small power demand is increasing, Flyback switching power supplies due to its structure and cost advantages in the areas of low power supply plays a very important role, is the compelling choice of low-power power supply. However, the important part in switching po

8、wer supply-the design of the Flyback transformer is also a problem, its design tends to make power supply extended cycle. With PI to TOPSwitch, represented a new generation of products manufactured by the company born of single-chip switching power supply, good solves many problems. Applied TOPSwitc

9、h-HX design of switching power supplies, components not only fewer, simpler structure, net calorific value less security and more reliable, TOPSwitch-HX series of chips has become an efficient Flyback switching mode power supply design. Study on the development of a universal type, precision and spe

10、cial single-chip switching power module, can substantially improve the switching power supply in Chinas scientific and technological level and competitiveness in domestic and international markets, creating tremendous economic and social benefits.Keywords:Power electronic technology;switching power

11、supply;TOPSwitch-HX;efficiency目录摘 要IAbstractII绪论51.1开关电源及发展现状51.2课题背景和研究意义61.3本文主要工作和内容安排6第二章反激式开关电源简介82.1开关电源相关知识82.2开关电源的分类92.3反激式开关电源的原理9第三章 单端反激式开关电源系统级分析103.1电源设计指标103.2主电路拓扑103.2.1电路拓扑结构选择要注意的问题103.2.2工作方式选取113.3控制技术设计分析113.4反激式开关电源设计的系统原理图13第四章 单端反激式开关电源电路级设计154.1保护电路的设计154.2输入整流滤波器设计154.2.1整

12、流滤波器分析154.2.2参数计算与元器件选型164.3钳位保护电路设计174.4反激变压器设计184.4.1反激变压器分析184.4.2反激变压器参数设置184.5输出整流滤波电路设计194.6 TOP256MN简介204.6.1 TOPSwitch-HX系列功能特点204.6.2 TOP256MN引脚功能以及主要参数214.7反馈电路设计224.7.1反馈电路分析234.7.2元器件选择和参数设置23总结与展望24参考文献25致谢2626绪论1.1开关电源及发展现状开关稳压电源简称为开关电源，开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空

13、比来调整输出电压。开关电源主要关键元件是稳压调整管，开关电源工作时检测输出电压，经过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制调节。由于开关电源直接对电网的电压进行整流、滤波、调节，不需要电源变压器，工作频率高，滤波电容小、电感小，因此开关电源的体积相对较小，而且开关电源的功耗很低，对电网的适用能力强，所以开关电源的应用逐渐取代了传统的电源。随着科技的飞速发展，电子设备的便携化，小型化轻型电源的发展尤为重要。开关电源的产生为此提供了可行可靠地途径。开关电源的高频率，高可靠性，低功耗，低噪声，抗干扰和模块化发展开关电源未来的科研方向与目标。然而轻，小，薄技术的关键在于开关电源的高频率化，因为在

14、一定范围之内，开关电源频率的提高，不止能够有效地减小电容和电感以及变压器的大小规格，还可以抑制出现对开关电源的干扰，改善整个系统的动态性能，大大的降低导通损耗，电路也变得更为简单，并使开关电源进入更广泛的应用领域。在开关电源的高可靠性这方面，现在的开关电源生产技术通过减少运行电流，降低结温等方法以降低器件的应力，使得开关电源产品的可靠性得到很大幅度的提高。开关电源的模块化是从集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展，它是当今国际电力电子技术界有待解决的新问题之一。开关电源是电力电子发展的必然产物，顺应了时代的发展，它的出现已经带来了技术的革新。开关电源的高效节能特性可以给我们带来巨大的经

15、济效益，因而得到了社会各方面的重视从而得到很大的推广。现在无论是国内还是国外都在发展开关电源，所以其前景是美好的，开关电源在一定程度上取代传统电源已经是必然的趋势了。TOPSwitch-HX系列芯片集PWM信号控制电路和功率开关器件MOSFET于一体。该系列开关电源集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率隔离式开关电源。本课题所使用芯片TOP256MN应具有以下特点：突出的性价比，较少的外围元件；能耗低，具有绿色模式功能，使系统在空载或轻载时工作在较低的频率下，能够有效减少能耗；具备各种完善的保护电路，在各种突发情况下仍能保证系统安全；优秀的抗电磁干扰(

16、Electromagnetic Interference，EMI)特性；体积小，重量轻，适用于多种便携设备及电源适配器。1.2课题背景和研究意义电力电子技术的飞速发展，处于高频的反激开关电源在电气和电子设备中的应用已经越来越广泛。反激式电源因其结构简单，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感，而在中小功率电源中得到广泛的应用。本文设计开关电源是为了能够经过能量处理得到所需要的能量输出。一般的形式是得到一个符合设计要求的输出电压，而这个输出电压的数值不能受到负载电流或是输入电压负载电流的干扰。开关电源由于具有最简外电路、最佳性能指标、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，倍受人们青睐，是开

17、关电源的发展方向。技术进步驱动产品创新。现在，开关电源产品的发展向着高频化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向。这种由于技术进步带动的产品创新同时受到市场的认可。“绿色”电源，模块化电源的问世在节能、降耗、环保方面发挥了重要的作用，对于缓解我国的能源和环境问题大有裨益。基于TOP256MN而设计出来的高效反激式开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、成本低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。本设计就是设计一款低功耗的反激式开关电源控制Ic。1.3本文主要工作和内容安排本论文设计的反激式开关电源结构主要由整流及滤波电路、DC/DC变换器、反

18、馈控制电路三部分组成。本课题设计主要工作： （1）在整流滤波器和变换器之间设计一个功率因数校正电路。220V交流电经整流供给功率因数校正电路，提高电源的输入功率因数，同时降低了谐波电流，从而减小谐波污染。 （2）设计反馈控制电路、保护电路、软启动控制电路、浪涌吸收电路； （3）分析外围元器件参数对电路性能指标的影响。要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；第二，切断骚扰信号的传播途径；第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。 （4）性能指标的分析：对电源的转换率，功耗，兼

19、容性等各个性能指标进行分析。对于如何提高开关电源的效率，现总结提高效率的理论方法如下：1、选用合适的芯片，降低空载功耗。2、调整RCD吸收回路，改RCD吸收回路的R为VTS管。3、根据输出二极管两端的峰峰电压选用低耐压的整流管，最好选用品牌肖特基。4、调整输出二极管的LC吸收回路。5、合理选用输入端的热敏电阻，保证在正常工作时，阻值最小。6、合理选用变压器，按照使铜损与铁损减到最小，增大变压器磁芯规格，增加线径，选择低功耗磁芯，调整初级电感量，合理地绕线，使漏感变小的选区标准可以提高效率。7、大电流的走线加宽，可在上面露铜加锡。8、低压大电流时，选择同步整流。9、加大DC输出线线径。 10、取

20、消或减小输出负载电阻。本课题设计的内容安排：第一章是绪论，介绍了开关电源和发展状况，论文课题背景和选题研究的意义以及课题的主要工作和设计的内容安排。第二章是反激式开关电源的简介，讲解本课题设计相关的开关电源基础知识，开关电源的详细分类以及反激式开关电源的工作原理。第三章是单端反激式开关电源系统级分析，收集设计电源的各项技术指标，列出本文电源的性能指标，论述开关电源的电路拓扑结构选择要注意的一些问题，选择本课题设计电源主拓扑结构，对反激开关电源控制电路的调节方式进行分析以及选取，设计出反激式开关电源设计的系统原理图。第四章是单端反激式开关电源电路级设计。对本设计开关电源电路级的各个电路模块进行详

21、细分析，计算开关电源的各个模块的参数及进行选取，首先是输入整流滤波电路的各个元器件选择和参数设置，其中有输入整流桥的选择，输入滤波电容的计算与选择。跟着是钳位保护电路设计，其中有钳位二极管的计算与参数设置。而后对反激开关电源的变压器进行分析、参数设置、设计。输出整流滤波电路和反馈电路元器件各个元器件的合理选择和参数设置。最后是说明TOPSwitch-HX的原理，分析其在电路中的重要作用。第五章是结论和展望。简单的总结本次课题设计所做的工作以及对开关电源的展望。第二章反激式开关电源简介2.1开关电源相关知识下列是本课题设计有关于开关电源的基础知识。输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤销后，依

22、然保持其额定输出电压的时间。ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好。启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度保持恒定。隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。负载调整率：输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和环境温度保持不变。效率：电源的

23、输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。输出瞬态回应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。隔离式开关电源：一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。超载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mv度量。软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输

24、出电压的方法。占空比：开关电源的开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。2.2开关电源的分类开关电源的结构有多种：1、按驱动方式分，有自励式和他励式；2、按电路控制方式分，有脉宽调制式(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)均式和PWM与PFM混合式；3、按电路组成分，有谐振型和非谐振型；4、按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光藕耦合式等；5、按变换器的工作方式分，有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。2.3反激式开关电源的原理反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。开关电源中的反激，是指当开关管VT1导通时，变压器初级

25、绕组T的感应电压为上正下负，整流二极管处于截止状态，初级绕组中储蓄能量。当开关管VT1截止时，变压器T初级绕组中储蓄的能量，通过变压器次级绕组及整流二极管整流和电容C滤波后向负载输出。VT1的周期性导通和关断为反激式开关电源的主要特点。当VT1导通的时候，开关电源变压器绕组的一次侧线圈内持续的储蓄能量；而VT1截止的时候，开关电源的变压器会把一次侧线圈内储蓄的能量经整流二极管给负载端输出。开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同

26、的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。图2-1 反激式开关电源拓扑第三章 单端反激式开关电源系统级分析3.1电源设计指标 在设计电源时，要充分收集设计电源的各项技术指标，以便所设计的电源能符合用户的需求。根据设计具体需要，下面列出本文电源的性能指标。1、输入电压：市电220V/50Hz2、输入电压范围：22020V3、输出电压/电流：5V/4A4、输入频率：50Hz5、输出电压准确度：1%6、工作温度：-35+807、电压调整率：3%8、负载调整率：3%9、效率：75%10、纹波系数：1%11、输出纹波：50mV3.2

27、主电路拓扑3.2.1电路拓扑结构选择要注意的问题1、升压或降压：如果输入电压不始终是比输出电压高或低就不能选择buck变换器或boost变换器。2、占空比：输入电压和输出电压是否相差5倍以上，如果是，就可能要用变压器。计算合适的占空比，不要使占空比太小或太大。3、输出电压组数需求：如果多于一组，除非再后接电压调节器，否则就可能需要变压器，输出电压组数很多时，可以选用多个变换器，这样做的结果比较理想。4、隔离：考虑电压的高低，如果需要隔离就需要变压器。5、EMI的要求：不要输入电流不连续的那些拓扑，如buck变换器，boost变换器，最好让变换器工作于电流连续模式。6、成本高低：对离线式电源来说

28、，也可以用IGBT，否则就考虑MOSTET。7、电源是否需要空载工作：如果电源需要空载工作，变换器就要工作于电流断续模式，除非是同步整流状态。8、同步整流：同步整流不管负载大小如何，都可以是变换器工作于电流连续模式。9、输出电流的大小：如果输出电流很大，选用电压模式要比电流模式控制好。3.2.2工作方式选取反激式拓扑开关电源有两种工作方式：(1)完全能量转换，又称为非连续导通模式，简称CCM。这种模式的特点就是，变压器处于储能周期的时候，所储蓄的能量在反激周期完全转移到负载输出端。(2)不完全能量转换，又称为连续导通模式，简称DDM。变压器储蓄的其中一部份能量保留到下一个储存周期开始。非连续导

29、通模式的工作原理：当PWM脉冲激励开关管导通，原边绕组将有电压V，原边绕组的电感储蓄能量，在下一个脉冲还未来到的时候，变压器中储蓄的能量并没有完全释放，变压器次级绕组的电流没能降到0就开始了下一个周期。连续导通模式的工作原理和非连续导通模式之间的不同之处就是下一次脉冲电压还未来到时，变压器中储蓄的能量完全释放，变压器次级绕组的电流将到为0，下一个周期的变压器初级绕组的电流将又会从0开始逐渐增加。所以非连续导通模式的特点就是反激开关电源的变压器在每个开关周期，开始于非0的能量储蓄状态。连续导通模式的特点是储存在反激开关电源的变压器中的能量在每一个开关周期内都要释放完全。综上，这两种模式下峰值电流

30、和纹波电流之间关系的不同。连续导通模式的开关电流从一定幅度开始，沿着斜坡逐渐增加为峰值，跟着又迅速降为0。连续导通模式的开关电流则是从0开始逐渐增加为峰值，再迅速归0。图3-1本课题设计的高效反激式开关电源控制器始终控制电源工作在非连续导通的情况下，所需的输出电压对应的占空比和工作频率可以通过公式计算得到。但是由于器件的寄生参数以及环境变化，在开关电源中一般采用闭环控制取代开环控制。3.3控制技术设计分析开关电源的控制技术主要有三种：脉冲宽度调制(PWM)；脉冲频率调制(PFM)；调宽调频混合电路(PWM-PFM)。1、PWM：脉冲宽度调制。脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输

31、出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。图3-22、PFM：脉冲频率调制。调制信号的频率的变化随着输入信号幅值的变化而变化，占空比保持稳定。因为调制信号一般称为频率变化的方波信号，所以PFM也称为方波FM。图3-3其中，PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。PFM相比较PWM主要优点在于效率：（1）对于外围电路一样的PFM和PWM而言，其峰值效率PFM与PWM相当，但在峰值效率以前，PFM的效率远远高于PWM的效率，这是PFM的主要优势。（2）PWM由于误差放大器的影响，回路增益及回应速度受

32、到限制，PFM具有较快的回应速度。PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难：（1）滤波困难（谐波频谱太宽）。（2）峰值效率以前，PFM的频率低于PWM的频率，会造成输出纹波比PWM偏大。（3）PFM控制相比PWM控制IC价格要贵。PFM之所以应用没有PWM多最主要的一个原因：控制方法实现起来容易，PFM控制方法实现起来不太容易。3、PWM-PFM：调宽调频混合电路。PWM-PFM脉宽脉频综合调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。PWM-PFM调制方式是同时改变周期T和导通时间Ton两个参数来实现输出电压的稳定。它包含了PWM控制器和PFM控制器，兼有PWM

33、和PFM的优点。图3-4 PWM 调制方式可分为电流控制方式和电压控制方式两种 电流型三角波是通过初级线圈电流产生，而电压型三角波的产生是通过三角波发生器。电压型为一个电压闭环反馈，而电流型为双闭环反馈（内环为电流型，外环为电压型）。电流型每一个开关周期都对变压器初级电流进行监控，其安全可靠性比电压型高，由于增加了电流内环，所以电流型的动态反应快，线性调整率好。由于在闭环控制时，脉冲调制开关电源中使用电流控制模式将很大的降低在回路上所碰到的各种问题，特别是对于完全能量转换的状态下，所以本课题将使用电流模式来进行闭环控制。综上，本课题设计采用PWM调制方式和电流型控制方式。3.4反激式开关电源设

34、计的系统原理图 整流滤波反激变换电路模块控制电路模块220v交流5V直流输出反馈环路模块EMI模块图 3-5本开关电源系统由整流滤波电路、功率变换电路、控制模块和反馈环路构成，系统结构见图3-5。 本文设计的反激电源功率为20W，控制电路主要采用PC817A、TL431、Topswitch-HX等专用芯片，通过外围电路的设计从而实现自动稳压功能。为了减少输入电源的电磁噪声及杂波信号对电源的干扰，在输入端设计了EMI抑制电路；为了防止开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过流或短路现象，损坏后级用电设备，设计了输出过流保护和短路保护功能。具体设计电路见图3-6所示。 本反激式开

35、关电源系统采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。该电源简要工作原理如下：交流电Ui经输入整流滤波电路后输入到高频变压器一次侧，电压经反激后，二次侧上的高频电压经过输出整流滤波电路整流滤波后，获得输出电压Uo。钳位电路是用来吸收高频变压器的漏感产生的尖峰电压，从而保护了TOPSwitch-HX中功率管不被尖峰电压烧毁。稳压管和光耦合器组成反馈电路。输出电压Uo的稳压原理如下：当由于某种原因致使Uo上升，则光耦中发光二极管的电流升高，经过光耦后，使光耦中的接收管电流也升高，使得TOPSwitch-HX控制端电流

36、升高，经TOPSwitch-HX内部控制后，使控制脉宽占空比降低，导致Uo下降，从而实现稳压目的；反之，当Uo下降时也一样稳定。电流型控制技术是针对电压型的缺点发展起来的一种新颖的控制思想，它以独特的优越性替代电压型控制被广泛应用于正激、反激及推挽式等DC/DC功率变换器的控制电路中。电流型控制方法可分为三种形式，即峰值电流控制、电流滞环控制以及平均电流控制。由于电流滞环控制方法存在负载的大小对开关频率影响甚大的问题，而平均电流型控制电路实现较复杂，所以本设计是采用峰值电流控制方法。图3-6第四章 单端反激式开关电源电路级设计4.1保护电路的设计为限制通电瞬间的尖峰电流，使得反激开关电源长期安

37、全可靠、稳定的工作，保护电路必须要仔细精确地设计，应该避免由于电路出现的故障、开关电源不正确使用或是因为环境条件突然改变，这些情况都会损伤到开关电源。该保护电路可在输入端接入具有负温度系数的热敏电阻(VSR 5)实现。选择该电阻时应使之工作在热状态(即低阻态)，以减小电源电路中的热损耗。其阻值就会随着电阻体发热而迅速下降。同时，热敏电阻有一个规定的零功率电阻值，在完成抑制浪涌电流作用后，由于通过电流的持续作用，其阻值将下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。保险管主要是防止浪涌电流过大或是温度电阻的损坏，导致电流过大，为了保护后级电路增加的。4.2输入整流滤

38、波器设计4.2.1整流滤波器分析输入整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容滤波三部分。1、整流桥的导通时间与选通特性。50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1，再通过输入滤波电容得到直流高压U1。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180(导通范围是从0180)，但由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流流经过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间tC3ms，其导通角仅为54(导通范围是3690)。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图1(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图l(b)和(c)

39、所示。图4-1总结几点：(1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大概是30。(2)整流二极管的一次导通的过程，看作为“选通脉冲”，它的脉冲重复频率等于交流电网的频率(50Hz)。(3)为了减少电源中500kHz以下的传导噪声，偶尔会使用两个普通硅整流管(例如1N4007)与两个快恢复二极管(如FR106)构成一个整流桥，FRl06的反向恢复时间trr250ns。隔离式开关电源一般采用由整流管构成的整流桥，也可以采用成品整流桥，完成桥式整流。全波桥式整流器简称为硅整流桥，它是由四个硅整流管构成为桥路形式，而后用塑胶封装的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等

40、优点，可广泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端、直流输出端各两个。硅整流桥的最大整流电流平均值分0540A等多种规格，最高反向工作电压有501000V等多种规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流桥则要用螺钉固定，并且需安装合适的散热器。2、交流输入端电磁干扰滤波器(EMI)分析电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz30MHz，最高可150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。开关电源属于强干扰源，其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此，抑

41、制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对电磁干扰的抗扰性，在设计和开发过程中需要特别的关注。针对以上问题，应在交流输入端设计电磁干扰滤波器(EMI)。该滤波器由L1和X1用于构成，其中，X1能滤除输入端脉动电压所产生的串模干扰，L1则可抑制初级线圈中的共模干扰。4.2.2参数计算与元器件选型1、输入整流桥(BR)的选择整流电路选用满足电流阈值和电压的二极管构成。选择具有较大容量的整流桥并使之工作在较小的电流下，可减小整流桥的压降和功率损耗，提高电源效率。由二极管构成的整流桥(BR)的标称电源电流IN应大于在输入电压为最小值(Umin)时的初级有效电流，功率因数应取0.60.8之间，其具体数值取决

42、于输入电压和输入阻抗，本设计选用四个二极管IN5819。肖特基二极管IN5819参数如下：封装：DO-41正向平均电流：1A反向峰值电压：40V反向漏电流：1mA正向压降：0.6V正向不重复峰值电流（浪涌电流）：30A结（极间）电容:55PF对比设计参数，可见满足本电路系统的要求。2、电磁干扰滤波器(EMI)X1能滤除输入端脉动电压所产生的串模干扰，X1为安规电容，其容值不需要很大，一般取0.01-0.47uF，这里我们取0.01uF。L1为共模电感，采取双线并绕，是为了去除共模干扰，共模扼流圈与输入电流大小有关，一般取8-10mH，这里选用10mH的扼流圈。交流滤波主要是滤除交流输入端的共模

43、干扰和差模干扰。输入滤波电容C1用于滤除输入端引入的高频干扰，C1的选择主要是正确估算其电容量。输入滤波电容C1的容量与电源效率、输出功率密切相关。一般对于宽范围输入的开关电源，C的容量可按比例系数来选取，通常输入电压Ui增加时，每瓦输出功率所对应的电容量可减小。此外，输入滤波电容的容量大小还决定着直流高压的数值。电容C1 用于保持整流后的直流电压平稳，假设系统允许20%的脉动。二极管导通时间为4ms ，则C1值可由下式决定：C1=2Pin(Tline-tdon)2Vacmin(1-k2min)47F式中：Tline为输入交流电压的周期；tdon为每周期内整流二极管的导通时间；Vacmin为系

44、统的最低输入电压；kmin为电容两端的最小电压与最大电压之比。通常情况下，C1取23倍的Pin(单位为F)。今取C1为47F。4.3钳位保护电路设计每个开关周期当TOPSwitch-HX关断，由于变压器漏感，反激式开关电源在变压器的原边将引起尖峰电压和感应电压。反激式开关电源高频变压器存在漏感(即漏磁产生的自感)就会产生尖峰电压，与直流高压及感应电压叠加在MOS管的漏极上，使得MOS管很容易受到损伤。因此，必须在MOS管漏极增加钳位保护电路，对尖峰电压进行钳位。钳位电路主要用来限制反激开关电源中的高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产生的振铃电压。单片开关电源模块电路中，钳位保护电路由TV

45、S和D5构成。其中，TVS为瞬态电压抑制器，它是一种新型的过电压保护器件，在承受瞬态高能量电压时，能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子元器件不受损坏。D5称为阻塞二极管，一般选用快恢复二极管。TVS和D5的选择由反射电压VOR决定，VOR推荐值为135V。TVS的钳位电压V由经验公式V=1.5VOR得出；D5的耐压值应大于整流后的最大电压值。稳压管TVS的反向击穿电压应取为1.5倍的Vor，今选用P6KE200，P6KE200是TVS二极管，具体参数：功率：600W工作电压：200V嵌位电压：344V最大电流：1.7A封装：DO-15主要作用：保护线路中的

46、重要器件，主要是防静电。为降低其损耗，D5可选用FR106型瞬变电压抑制二极管。对比设计参数，可见满足本电路系统的要求。4.4反激变压器设计 在反激式开关电源中，高频变压器既是储能元件又是传递能量的主体，它具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。设计的主要参数包括最大占空比Dmax，初级电感量Lp，变压器变比N，初、次级绕组匝数Np、Ns等。 PI公司设计开发的开关电源设计软件是一种交互式软件，可以针对相关的硬件芯片、按照使用者提出的电源规范产生具体能量转换方案。其中包括三个设计软件分别是：PI Expert、PI Transformers Designer、PI XLs Designer。根据输入的电压、输出功率及芯片型号，PIExpert软件可完成电路设计的基本结构。但是，在利用这类芯片设计高频变压器之前，必须对变压器的设计过程及有关的一些名词要有所了解，这样才能设计出高效率高性能的变压器。4.4.1反激变压器分析 当开关管开通的时候，原边相当于一个电感，在电感两端施加电压，其电流线性上升，电流增加量I=Vin*ton/L，这三项分别是原边输入电压，开关开通时间，和原边电感量。在开关管关断的时候，原边电感放电，电感电流又会下降，此时电流减小量=Vor*toff/L