基于 TinySwitch-II 的单片反激式开关电源.doc

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1、南京化工职业技术学院毕业设计（论文）摘要电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，是一切电子设备正常工作的前提条件，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。在直流稳压电源中，目前主要分为线性串联稳压电源和开关稳压电源两大类。开关电源被誉为高效节能电源，现已成为稳压电源的主流。它的优点是电源效率高，高可靠性，体积小，重量轻。单片开关电源集成电路的出现为开关电源集成化、智能化发展提供了条件，并成为开关电源发展的主流方向。本文以LED照明产品功率变换与数据控制一体化技术的研发及产业化应用项目为应用背景，具体阐述了系统供电电源的设计与制作过程，是实际生产应用中的电子产品设计与研制。系统

2、所需电源分为两部分，一是直接对交流市电进行变换得到直流高压输出，给LED灯具供电；二是需要两路独立的直流稳压 5V输出，给控制单元和数据线供电。该电源主电路采用反激式变换器电路，利用 TinySwitch-II系列微型单片开关电源集成控制芯片设计的小功率开关电源。单片开关电源具有设计流程简单，外围元件数目少等优点。本文首先简单概述了开关电源的一部分基础知识，包括开关电源的优点及其发展趋势，然后从整体上介绍了基于 TinySwitch-II的反激式单片开关电源的详细设计过程，着重介绍了PI公司的单片开关电源集成电路芯片 TNY266 P的性能特点、工作原理及其外围电路设计；选择高频变压器磁芯材料

3、并列出了参数的计算公式；外围电路其他关键元件的选择及其对电路性能的影响；第三章介绍开关电源的 EMC问题，并提出了针对的设计措施，还提出了开关电源 PCB设计时必注意的问题。最后得制作了整机电源，并进行调试与改进。关键词：开关电源，TinySwitch-II，高频变压器，电磁兼容；- 28 -南京化工职业技术学院毕业设计（论文）目录摘要i第一章 前言- 1 -1.1开关电源- 1 -1.1.1开关电源与线性电源- 1 -1.1.2开关电源的分类- 1 -1.1.3反激式开关电源工作原理及工作方式- 2 -1.1.4开关电源的发展趋势- 3 -1.2.本课题的来源和现实意义- 4 -1.2.1.

4、课题来源- 4 -1.2.2.项目介绍- 5 -第二章 基于 TinySwitch-II的单片反激式开关电源设计- 6 -2.1 TNY266P 控制电路- 7 -2.1.1 TinySwitch-II 系列的单片开关电源工作原理- 7 -2.1.2 应用 TNY266P 时需要考虑的几个问题- 9 -2.2 高频变压器的设计- 11 -2.2.1 高频变压器概述- 11 -2.2.2 反激式变压器设计- 11 -2.3 电容器的选择- 12 -2.3.1 滤波电容器的选择- 13 -2.3.2 X、Y 电容- 13 -2.4 反馈电路设计- 14 -2.4.1 配 LM431 的光耦反馈电路

5、- 14 -2.5 外围电路中其他关键元器件的选择- 15 -2.5.1 压敏电阻- 15 -2.5.2 热敏电阻- 15 -2.5.3 肖特基二极管- 16 -第三章 单片开关电源的电磁兼容(EMC)设计- 16 -3.1 电磁兼容简介- 17 -3.1.1 电磁兼容简介- 17 -3.1.2 电磁兼容设计- 17 -3.2 单片开关电源的 EMC 设计- 18 -3.2.1 开关电源 EMI 产生机理 11 12 - 18 -3.2.2 EMC 设计措施- 18 -3.3 PCB 设计- 20 -3.3.1 PCB 设计应考虑的一般性问题- 20 -3.3.2 符合相关安规标准及 EMC

6、标准- 21 -第四章 电源整机测试与改进- 23 -4.1 开关电源的主要技术参数- 23 -4.1.1 电压调整率- 23 -4.2 输出纹波及噪声测试- 24 -第五章 结论- 24 -参考文献- 25 -致谢- 26 -第一章 前言电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，是一切电子设备正常工作的前提条件，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠接地工作。从某种程度上来讲，可以说是电子设备的心脏。电源给系统的电路提供持续的、稳定的能量，使系统免受外界的侵扰，并防止系统对其自身做出伤害。如果电源发生故障，不应造成系统的故障本章主要介绍了开关电源的一部分基础知识并给出实际项目的应用

7、背景。1.1开关电源1.1.1开关电源与线性电源在直流稳压电源中，目前主要分为线性串联稳压电源和开关电源两大类。它们都是利用电子线路反馈控制技术实现输出电压稳压的。线性串联稳压电源是当输入或输出电压变化时，通过连续线性调整功率管的压降获得稳定的输出电压。而开关稳压电源是通过调整功率管的导通（或截至）时间获得稳定的输出电压。在正常工作情况下，串联稳压电源中的功率调整管始终处于导通状态，而开关电源中功率开关管在一个周期内，一部分时间处于导通状态，另一部分时间处于截止状态，而且导通时处于饱和状态。而串联稳压电源的功率调整管不能工作在饱和状态，只能工作于线性放大状态，否则无法实现稳压调整功能。开关电源

8、与线性电源相比，少了笨重的工频变频器，体积小，重量轻，最大的优点在于开关电源的效率要比线性电源高两倍左右，一般为70%90%。 1.1.2开关电源的分类开关电源的构成方法很多，其分类方法也多得使人无所适从，下面就本文相关密切的方向介绍一下开关电源的分类方法2。l 按驱动方式分类（1） 自激式开关电源 其借助于变换器本身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用，如单管振铃扼流圈变换器，即称RCC变换器;双关单变压器耶尔（Royer）电路；双管双变压器詹森（Jensen）变换器电路。（2） 他激式开关电源 其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号

9、驱动开关管。如单端正激式开关电源电路。l 按输入与输出是否隔离分类（1） 隔离开关变换器 它是高频变压器将变换器的一侧（输入）与二次侧（输出）隔离。这种变换器结构主要在单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。（2） 非隔离室变换器 它是在电气上输入和输出不隔离的。输入与输出共用一个公共端。这种变换器结构主要有降压型（Buck）变换器、升压型（Boost）变换器、降压升压（BuckBoost）变换器以及它们的组合变形电路，如Cuk变频器、Zeta变换器、Spice变换器等。1.1.3反激式开关电源工作原理及工作方式单端反激变换器是在反极性（Buck-Boos

10、t）变换器基础上演变而来的，因此具有反极性变换器的特性，也称为Flyback Converter。所谓反激,是指在开关电源导通时，将电源的能量储存在变压器中，即变压器一次侧电感储能，输出二极管处于截止状态，二极管导能，将导通期间内的储能传输到二次侧负载。图1.1反激式开关电源单片开关电源有两种工作方式，一种是连续模式CUM(Continuous Mode)，另一种是非连续模式DUM(Discontinuous Mode)1。这两种模式的开关电流波形分别如图1.2、1.3所示。由图可见，在连续模式下，初级开关电流是从一定幅度开始增大的，上升到峰值再迅速回零。其开关电流波形成梯形。这是因为在连续模

11、式下，储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，所以下一开关周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流和有效电流，降低芯片的功耗。但连续模式要求初级电感量，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于选输出功率较小的控制芯片和尺寸较大的高频变压器。非连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再将至零的。这意味着储存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期完全释放掉，其中开关电流波形呈三角形。非连续模式下的、值较大，但所需要的较小。因此，它适合采用输出功率较大的控制芯片，配尺寸较小的高频变压器。1.1.4开关电源的发展趋势今天，开关电源最主要的市场是在小功率领域，

12、但在中等功率以至较大功率领域，开关电源的优势已十分明显。随着人们对开关电源技术研究的不断深化，在中等功率及以上的领域内应用更广阔。开关电源的应用范围是越来越广，反过来又遇到更多的问题和难题。这些问题可归纳为以下几点：1.电磁兼容性开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点，加上已有市售的开关电源集成控制模块，使电源的设计、调试简单化，所以在计算机、电视机以及各种控制系统中得到广泛应用。但是开关电源在工作时，其开关器件的电压和电流波形都是以极短的时间上升和下降。这些具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，使处于同一电磁环境的其他设备降级或失效。目前人们已认识到需要对这种电磁干扰进行控制，特别是工

13、业发达国家格外重视控制电磁干扰，成立了国家级以及国际间的组织，对电干扰问题进行研究，并实行电磁兼容性许可证制度。2.组建大容量的开关电源目前，开关电源一直还是处于中小型功率范围内发展。随着半导体器件的发展，市场上大型电子装置不断的问世，对大容量开关电源的需求越来越强烈。所以，这对目前开关电源的容量是一个很大的挑战，急需研制出大容量的开关电源以适应社会的需求和发展。3.提高功率因数为提高线性稳压器电源的效率，适应现代电子设备多功能和小型化，开关电源电路应运而生。但开关电源的电路结构使得电网的功率因数下降（只有0.65左右），同时又使输电线上损耗增加，浪费了大量电能。为此，提高开关电源的功率因数不

14、仅有利于提高电网质量，更重要的是节省了能源。4.提高开关频率开关电源频率提高，开关电源的动态响应才能快，这样才能适应当今电子设备中高速微处理器发展，也是使开关电源小型化、模块化的重要途径。5.使开关电源小型化、模块化随着电子技术及半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越强，而它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，研究小型化、模块化的开关电源是电子装置发展的前期工作。这些问题的实现是开关电源能否在广阔领域中应用的关键。我们应把问题和困难看成动力和机遇，全身心投入到开关电源这一事业当中来，使开关电源产业有着广阔美好的发展前景。1.2.本

15、课题的来源和现实意义1.2.1.课题来源本项目LED照明产品功率变换与数据控制一体化技术的研发及产业化应用是与公司合作的项目，是实际生产应用中的电子产品设计与研制，而电源作为其中一个重要基础部分，为整个系统的集成化提供了条件。由于单片开关电源的优越性，在本系统中我们用它来作为整个系统的供电电源。因为是实际应用的电子产品，所以必须在设计过程中必须考虑相关电源类产品的标准要求，如安规、 EMC等。 1.2.2.项目介绍全彩色 LED 照明产品的控制一般采用总线进行亮度控制并产生颜色变化。为使 LED光源能够持续稳定可靠地工作，需采用恒流驱动方式。但目前市场上的 LED 照明产品绝大多数是使用开关电

16、源降压后再对 LED 进行恒流驱动，由于电源是经过高低压变换后再驱动 LED 发光，电能的利用效率较低。本项目拟在 LED 灯具的设计中取消开关电源，直接对 AC220V 电源进行功率变换并进行恒流处理后驱动 LED发光，同时在灯具里设计并集成低功耗的逻辑控制电路，以减少低压驱动电路的功率损耗，提高电能的利用效率 ,促进高效节能 LED 照明产品的产业化。根据项目需求，分析系统电源部分的具体设计目标，确定开关电源部分目标参数如下：高压输出部分：交流输入电压：100V240V AC；直流高压输出：约 310V高压给 LED灯具供电；开关电源输出部分：第一路稳压输出电压 ： 5V；第二路稳压输出电

17、压 ：变压器次级输出为 9V，经 7805稳压得到 5V输出；第一路稳压输出的功率 ：2W；第二路稳压输出的功率 ：3W；效率： 70%80%；纹波电压： 100mV；所需开关电源为小功率电源，并根据公司其他要求，我们的基本电路拓扑选择隔离反激式变换器，并选择 PI公司 TinySwitch-II系列的 TNY266P作为开关控制芯片。第二章 基于 TinySwitch-II的单片反激式开关电源设计整机电源的大致示意图如下所示：图2.1整机电源示意图市电 220V交流输入，经 EMI滤波后整流得高压脉动直流输出，再经滤波、恒流处理，得到稳定的直流高压输出。然后经反激变换器部分电路得到所需两路直

18、流稳压输出，并经反馈控制电路使得输出电压能稳定在 5V。设计的整机电源电路图如下图2 和图 所示： 下面分别介绍主要的电路部分设计：输入滤波、整流电路；TNY266P 控制电路；高频变压器的设计概要；反馈控制电路；输出滤波整流电路；以及电路中其他关键元件的选择。其中，输入滤波、整流电路在第三章电磁兼容部分介绍。2.1 TNY266P 控制电路TinySwitch-II 系列是美国PI(Power Integrations)公司继TinySwitch 之后，于2001年3 月新推出的第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路。该系列产品包括TNY264P/G、TNY266P/G、TNY268P/

19、G，共8 种型号。该系列芯片结构、功能基本相同，差别主要在于输出功率大小及极限电流、漏极电流大小等。TNY266的输出功率范围为6W15W,满足设计要求。选择输出功率较大的TinySwitch-II 芯片，有助于提高电源效率11。2.1.1 TinySwitch-II 系列的单片开关电源工作原理（1）TinySwitch-II 管脚功能TNY266P 的引脚排列如图2.4 所示，它采用双列直插式封装(DIP-8)或表面贴片式封装(SMD-8)，但实际引出端只有7个。BP：BP 为旁路端，接外部0.1F的旁路电容。S：4 个源极被划分成两组:两个S 端需接控制电路的公共端，两个S(HVRTN)端

20、 则接高压返回端，它们都与内部MOSFET的源极连通。D:为内部功率MOSFET的漏极引出端，为启动和稳定工作提供了内部工作电流。 图2.2 TinySwitch-II系列管脚配置EN/UV：正常工作时，由EN/UV 端来控制内部功率MOSFET的通断。超载时，从EN/UV 端流出的电流大于240A，强迫功率MOSEFT 关断。若该端经一只2M电阻接输人直流高压，即可对进行欠压检测，不接电阻时无此项功能。（2）工作原理TinySwitch-II 内部集成了一个耐压为700V 的功率MOSFET和一个开/关控制器。与传统的PWM控制器不同，它采用一个简单的开/关控制器来调节输出电压。其功能框图如

21、图2.5 所示。主要包括振荡器（频率设置为132kHz），5.8V 稳压器，旁路端钳位用的6.3V 稳压管，使能检测与逻辑电路，极限电流状态机，欠压、过流及过热保护电路，自动重启动计数器。此外，EN/UV 的内部电路中还增加了一个源极跟随器。由图2.3 可见，能够控制MOSFET关断的电路有以下几种:BP 端欠压比较器，过流比较器，过热保护电路，前沿闭锁电路，最大占空比信号D ，EN/UV 控制端。它们之间呈“逻辑或”的关系，任何一路均可单独将MOSFET关断。图2.3 TinySwitch-II的功能框架图TinySwitch-II 一般工作在极限电流的模式下。启动时，在每个时钟周期开始时刻

22、，TinySwitch-II 对EN/UV 端进行取样，再根据取样结果来决定是否跳过周期以及跳过多少个周期，同时确定适当的极限电流阈值。当漏极电流I渐升高并达到I 值或者占空比达到最大值D 时，使MOSFET关断。满载时TinySwitch-II 在大部分周期内导通;中等负载时则要跳过一部分周期并开始降低I值，以维持输出电压稳定。轻载或空载时，则几乎要跳过所有周期，并且进一步降低I 值，使功率MOSFET 仅在很少时间内导通，以维持电源正常工作所必须的能量。EN/UV 端一般由光耦合器驱动。光耦合器中接收管的集电极连到EN/UV 端，发射极则接源极。光耦合器与稳压管串联在稳压输出端，输出电压U

23、o 就等于光耦合器内部发光二极管(LED)正向压降UF 与稳压管稳定电压U之和。当Uo 上升时，LED开始导通，将EN/UV 脚电压置成低电平，使功率MOSEFT 关断，通过减小占空比来使Uo 下降，最终达到稳压目的。为改善稳压性能，亦可用可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管。需要说明一点，由于TinySwitch-II 系列的极限电流值I 和开关频率f 均为常数，因此其输出功率与高频变压器初级绕组的电感量成正比，而与交流输入电压u关系不大。这一点很重要，也正是TinySwitch-II 系列能在交流电压宽范围输入下正常工作的原因所在1 。2.1.2 应用 TNY266P 时需要考虑的几个问

24、题应用 TNY266P 系列设计开关电源，其外围电路简单，极大地降低了开关电源的设计成本。在设计PCB 的时候有几个关键问题要处理好，这样可以使得TNY266P的特性得到最大的发挥，增强电路性能。l 散热：TNY266P下面的敷铜板不仅作为源极地点，还起到散热作用。图2.6 中阴影区域的面积应足够大，才能保证控制芯片和输出整流管散热良好，使芯片的结温低于100。l 光耦合器：让光耦合器晶体管到TNY266P的EN/UV引脚和源极脚走线最短很重要，可使噪声耦合最小。EN/UV 引脚接光耦应保持绝对最小值12.7mm，该脚应远离D 脚（最小值5.1mm）。l 输出二极管：为使性能更好，接副边绕组、

25、输出二极管和输出滤波电容器的回路面积应最小。图2.4给出了优化的布局。另外，在二极管阳极、阴极端的铜箔面积应足够大，有利于散热。l Y 电容：Y 电容应直接放置在原边电容器正极管脚到副边公共/返回端之间，这样有利于最大限度地发挥Y 电容在抑制电磁干扰和共模浪涌电压这方面的作用。l RCD 钳位电路：初级绕组上钳位电路用于限制判断时MOSFET漏极上的峰值电压。在任何情况下，都要使钳位元件到高频变压器和TNY266P的距离为最短。l 单点接地：旁路电容（图2.5中的C17）与输入滤波电容（图2.5 中的C15）单点接地。图 2.4 TinySwitch-II 推荐电路板布局图综上所述，控制芯片

26、TNY266P部分电路如下图 2.5 所示： 图 2.5 TNY266P 部分电路2.2 高频变压器的设计2.2.1 高频变压器概述高频变压器是开关电源整机的关键部件，由它完成电气隔离、能量传输、变换功能，也是开关电源整机设计极为重要的程序和相对麻烦的工作。高频变压器部件的设计要求和技术参数由整机技术条件决定。高频变压器的性能直接影响到电源的整体性能和安全性。2.2.2 反激式变压器设计如 1.1.2 节所述，反激式变压器在功率变换器的开关周期的不同时间里既用作电感（储能），又用作变压器。这是与一般的变压器只变换、传输能量有所不同。在本文中省去变压器的参数详细公式，只列出设计设计步骤。该部分由

27、专人负责。l 磁芯与骨架选择，并确定相关参数：TNY266P开关频率为132kHz，允许使用低价格、小尺寸的磁芯，有利于减小高频变压器的体积，还提高电源转换效率。另外所需开关电源为多路输出，因此宜采用EFD20 型磁芯，这类磁芯能提供较大的窗口，以便容纳多个次级绕组。l 确定初级电感量：l 设定初级层数d 和次级匝数的初始值：l 计算初级匝数l 确定高频变压器的主要参数（1） 计算次级匝数、（2） 计算初级匝数（3） 根据初级层数d、骨架宽度b 和安全边距M，计算有效骨架宽度bE（4） 计算初级导线的外径，（5） 验证初级导线的电流密度J 是否满足初级有效值电流的条件（6） 计算磁芯的最大磁通

28、密度并验证（7） 计算磁芯的气隙宽度l 确定次级参数（1） 计算次级峰值电流、（2） 计算次级有效值电流、（3） 计算输出滤波电容上的纹波电流、（4） 计算次级裸导线直径l 确定次级整流管的最高反向峰值电压2.3 电容器的选择电容器是在平常的电子器件应用中除了电阻之外用得最多的元件之一，对于这么熟悉的元件，我们在选用的过程往往关注的电容器参数就是容量多少F，耐压多少V，这里说的多少F、V 即指静电容量、额定工作电压，另外我们还能想到的参数还有SV(Surge Voltage)浪涌电压或崩溃电压，价格，品牌，型号系列，重量，外形尺寸，接脚形态，还有容量误差，制造日期，工作温度（并非指环温度，而指

29、内部温度）等，但是真正有关电容器品质的几个参数：散逸因数-损失角（DF）、等效串联电阻（ESR）、耐纹波电流（Irac）、漏电流（Lc）并不能电容表面的标称上找到在开关电源设计中，输出滤波电容应特别重视电容的耐纹波电流与等效串联电阻，这两个参数对输出纹波电压影响较大。2.3.1 滤波电容器的选择电源设计过程中，输入和输出大容量滤波电容器均采用铝电解电容，反馈控制电路的补偿电容可采用小陶瓷电容，而TNY266P的漏极RCD 钳位电路中的C11 应当选择压电效应很小的聚酯薄膜电容器，可减少由于电容发出的音频噪声8。2.3.2 X、Y 电容根据安规标准要求X 电容应当接在电源输入端之后；EMI 滤波

30、器中选用一对Y2电容以达到抑制EMI作用；选用Y1 电容跨接在原边和副边公共/返回端之间；安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。只要通过安全规则认证的都叫安规电容， X、Y 电容都是用安规电容。X 电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的电容；Y 电容是分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，在滤波器中一般成对出现。基于漏电流的限制，Y 电容值不能太大，一般X 电容是F级，Y 电容是nF 级。X 电容抑制差模干扰，Y 电容抑制共模干扰。Y 电容的电容量必须受到限制，从而达到控制在额定频率及额定电压作用下，流过它的漏电流的大小和对系统EMC 性能影

31、响的目的。GJB151军用设备和分系统电磁反射和敏感度要求规定Y 电容的容量应不大于0.1uF。Y 电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y 电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。2.4 反馈电路设计2.4.1 配 LM431 的光耦反馈电路图2.6如图2.6，反馈控制电路主要由LM431 型可调式精密并联稳压器与PC817 光耦合器组成，其中 是LM431 的频率补偿电容，可以提高LM431 的瞬态频率响应。PC817是线性光耦合器，其电流传输比（CTR）范围为80%160%。电流传输比CTR 是光

32、耦合器的重要参数，它表示光耦合器中光敏三极管的输出电流与发光二极管的输入正向电流之比，通常用百分数表示。该电路中为PC817 的LED 的外部限流电阻，实际上除了限流保护作用外，它对控制回路和增益也具有重要影响。当改变时，会依次影响到下列参数值：也就相当于改变了控制回路的电流放大倍数。另外，选取的原则是，必须保证在1100mA 范围内，以便LM431 能正常工作。即使在所流过电流非常小的时候。反馈控制部分工作原理如下：当输出电压发生波动且变化量为 时，通过取样电阻、 分压之后，就使LM431 的阴极端电压也产生相应的变化量，进而使LED 的工作电流改变，由光耦性质可知此时最后通过控制端电流的变

33、化量来调节占空比D，使产生相应的变化，从而抵消了 的波动。上述稳压过程归纳成： 此时=（即2.5V） 输出电压为： 由于为A级电流，项可忽略，则：2.5 外围电路中其他关键元器件的选择2.5.1 压敏电阻在交流输入端并联一只压敏电阻，可以对浪涌电压进行钳位，当电压瞬间高于某数值时，压敏电阻阻值迅速下降，导通大电流，达到保护、抑制作用。当电压低于压敏电阻标称电压值时，压敏电阻阻值极高，近乎开路，因此不影响电路的正常工作。2.5.2 热敏电阻热敏电阻在小功率开关电源中的作用主要为防冲击电流，可用于保护整流桥及保险丝。由于热敏电阻的负温度系数特性，在电源接通瞬间，热敏电阻的冷态阻值较大，所以能达到限

34、制冲击电流的作用；当热敏电阻流过电流较大时，电阻发热而使其阻值变小，电路处于正常工作状态。采用热敏电阻防止冲击电流方法简单，但由于存在电路损耗，一般适用于小功率开关电源。由于热敏电阻的热惯性，重新恢复高阻值需要时间，故对于电源断电后又需要很快接通的情况，有时起不到限流作用。这就是在使用这种方法抑制冲击电流的电源不允许在关掉后马上开启的原因。2.5.3 肖特基二极管为了降低损耗，提高电源效率，输出整流管宜采用肖特基二极管。肖特基二极管具有正向压降低、功率损耗小、反向恢复时间非常短等优点，适合用做低压、大电流整流或续流。本设计中选用SR2100 肖特基二极管，其反向电压峰值为100V。第三章 单片

35、开关电源的电磁兼容(EMC)设计电磁兼容性的英文缩写为EMC（Electro magnetic Compatibility）。这一概念始于20 世纪40 年代，直到近年来才发展成一门独立的新学科。随着电子、电气、通信、计算机技术的迅速发展，电磁兼容性在工业、科研、民用和军事领域的重要意义，愈来愈引起人们的高度重视。电磁兼容学科是一门新兴的跨学科的综合性应用学科，实践性强。本文中仅针对部分抑制开关电源EMI的措施介绍单片开关电源EMC方面的知识，以引起重视，因为电子产品必须得通过EMC才能推向更广阔的市场，尽早开始电磁兼容设计将会使得设计费用及后期设计难度大大降低。3.1 电磁兼容简介3.1.1

36、 电磁兼容简介国际电工委员会（IEC）为电磁兼容性下的定义为：“电磁兼容性是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰”。它有以下三方面的含义: 1该电子设备所产生的电磁干扰应低于规定限度，不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作，即（电磁干扰EMI：Electro magnetic Interference）； 电子设备应具有抑制外部电磁干扰的能力， 即（ 电磁抗扰度EMS ：Electromagnetic Susceptibility）；任何电子设备的电磁兼容性都是可以预测的；电磁兼容学作为边缘技术，它以电气和无线电技术的基本理论为基础，并涉及许多新的

37、技术领域，如微波技术、微电子技术、计算机技术、通信和网络技术，以及新材料等。电磁兼容技术研究的范围很广，几乎所有现代化工业领域，如电力、通信、交通、航天、军工、计算机和医疗等都必须解决电磁兼容问题。电磁兼容性在军事上具有特殊重要的意义。例如，在1982 年的英阿马岛之战中，当时英国的一艘谢菲尔德导弹驱逐舰就因未解决好电磁兼容问题，只得暂时关闭雷达系统以保证远程通信不受干扰，结果被阿根廷飞机趁机发射的飞鱼式导弹击中，造成舰毁人亡。1990 年的海湾战争中，多国部队在沙漠风暴行动中更是抓住伊拉克雷达通信系统抗干扰能力差的致命弱点，首先使之彻底瘫痪，然后完全占据了控制权 1。3.1.2 电磁兼容设计

38、电磁兼容三要素是干扰源、耦合通路和敏感体。切断以上任何一项都可以解决电磁兼容问题，因而抗电磁干扰设计的基本原则和措施是：抑制干扰源、切断传播途径和提高敏感元器件的抗干扰性能。电磁兼容的解决方案常用的方法主要有屏蔽、接地、滤波。3.2 单片开关电源的 EMC 设计在已发表的有关电力电子EMI 问题的大量论文中，几乎有一半是研究开关电源中的EMI 问题。这是因为开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高，功率开关管的高速开关动作，不可避免地要导致严重的EMI。但是与数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不太高，所以开关电源呈现出一些不同于数字电路的EMI 特性。它们主要表现为： 1

39、1(l)作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大;(2)干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;(4)印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置，具有更大的随意性，这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。3.2.1 开关电源 EMI 产生机理 11 12 开关电源产生EMI 的因素较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素。它们所以产生于电源装置的内部，是由于开关电源中的二极管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流，通过高频变压器、

40、储能电感线圈和导线以及系统结构、元件布局等而造成的。另外，也有输出二极管存在反向恢复时间的干扰：高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反向电压而转向截止时，由于PN 结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。3.2.2 EMC 设计措施（1） EMI滤波器为减小体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI 滤波器，典型电路如图3.1 所示， 和 用来滤除共模干扰， 和滤除串模干扰。为泄放电阻，可将上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；断电后还能使

41、电源的进线端L、N 不带电，保证使用的安全性。图3.1 单片开关电源常用的EMI滤波器电路之一由 TNY266P性能特点知，TNY266P采用了频率抖动技术，能够显著降低EMI，因而可以降低滤波器的成本。因此我们采用三线输入方式，一方面可以发挥EMI滤波器的性能，另一方面G 通过滤波电感接大地也可以抑制瞬态干扰。输入部分电路如图3.2 所示：图3.2 输入部分EMI滤波器电路（2） Y 电容及肖特基二极管该部分电路如下图3.3 所示，由上文Y 电容及肖特基二极管的性能及开关电源EMI 产生机理可知该部分电路对EMI 有一定的抑制作用。图3.3 电容跨接及输出整流二极管肖特基二极管（3） PCB

42、 布板设计PCB 设计的好坏一定程度上决定了开关电源工作是否稳定、性能指标是否符合要求。开关电源PCB 设计过程中的主要问题在下一节阐述。3.3 PCB 设计3.3.1 PCB 设计应考虑的一般性问题在 2.1.3 中我们已经提到了PCB 设计中有关TNY266P部分的电路布板要求，此外，还有其他的问题需要考虑：（1） 首先要考虑PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2 或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。（2） 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太

43、密集.（3） 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC。（4） 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。（5） 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。（6） 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。（7） 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。3.3.2 符合相关安规标准及 E

44、MC 标准为了保证开关电源的使用安全，在安全检测、EMC 认证方面，有一系列严格的标准要求，以下是几个主要方面6 ：安规要求：l 一次侧和二次侧电路要用隔离带隔开,隔离带清晰明确. 靠隔离带的组件,在10N 的推力作用下应保持电气距离要求。l 隔离带中线要用1mm 的丝印虚线隔开,并在高压区标识DANGER / HIGHVOLTAGE。l 各电路间电气间隙（空间距离）及爬电距离要求；l 导线与 PCB 边缘距离应1mm；l PCB 上的导电部分与机壳之空间距离小于4 mm 时, 应加0.4 mm 麦拉片；l PCB 必须满足防燃要求。EMC 要求：l 初级电路与次级电路分开布置。l 交流回路，

45、整流回路，滤波回路各大回路包围的面积越小越好,即要求：各l 回路中功率组件彼此尽量靠近；功率线条（两交流线之间、正线与地线之间）彼此靠近。l 控制 IC 周边的组件尽量靠近IC 布置,尤其是直接与IC 连接的组件, 如旁路电容C17。l 反馈线条应尽量远离干扰源（如TNY266P管脚D）的引线，不得与它们靠近平行走线。l 功率线条（流过大电流的线条）要短而宽, 以降低损耗, 提高响应频率, 降低接收干扰频谱范围.。l 在 X 电容引脚附近，铜条要收窄，以便充分利用电容滤波。l 输出滤波电容必要时可用两个小电容并联以减少ESR。l 变压器一次地和二次侧地之间或直流正极和二次侧地之间应接一个电容，

46、为共模干扰提供放电快捷方式。l 双层 PCB 的上层尽可能用宽线，地线尽量布在上层。第四章 电源整机测试与改进根据以上设计，我们得到了我们所要的开关电源，并进行了调试。以下是调试中的一些问题及数据记录、数据分析，以及改进的设想。4.1 开关电源的主要技术参数4.1.1 电压调整率电源的电压调整率是指在额定的负载下，输入电压在规定的范围内变化时，引起输出电压量与输出额定电压值之比。即：表4.1 直流高压输出部分表4.2 第一路、第二路直流稳压输出电压由表4.2 可以看出，带有反馈控制回路的第一路直流输出电压比较稳定 由式4.1得：电压调整率：但第二路直流输出电压并不十分稳定，这是电源改进的重点所在。4.2 输出纹波及噪声测试单片开关电源的输出纹波电压通常用峰峰值来表示。为避免从示波器探头的地线夹上引入开关电源发出的辐射噪声，须把探头的地线夹稍作改进，并使示波器尽量远离开关电源。经测量，第一路直流输出电压的纹波峰峰值为100mV，第二路直流输出电压输出的纹波峰峰值为200mV，噪音信号较大。在开关电源工作过程中，高频变压器会发出微弱的音频噪声第五章 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、最佳性能指标等优点，能构成高效无工频变压器的隔离式开关电源以及各种特种开关电源。单片开关电源自20 世