基于TPS40200芯片的开关电源设计与分析.pdf

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1、设计研究◆ShejiYanjiu基于TPS40200芯片的开关电源设计与分析陈杰樊庆文邓川云（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）摘要：阐述了开关电源的基本工作原理，基于TPS40200宽输入非同步降压DC/DC控制器设计了一种30V输出的开关电源，给出了其电路原理图，并对其反馈补偿网络进行了分析和计算，利用PSpice和SwitcherPro分析了其瞬态特性和稳定性。实验表明，该开关电源工作稳定可靠，各项性能指标均满足要求，能够准确输出30V电压，且具有效率高、响应快等特点。关键词：开关电源；反馈补偿；稳定性近年来，随着电源技术的发展，开关稳压电源正朝着高频化和集成化的方向发展

2、。与线性电源相比，开关电源具有功耗低、效率高、体积小、质量轻、稳压范围宽、滤波的效率高、电路形式灵活多样、驱动能力强、可靠性高等诸多优点，在电子设备中应用越来越广泛。但目前市面上应用较广泛的开关电源其输出电压有12V、15V和24V几种类型，远远不能满足实际应用的需要，如多功能吞咽障碍电疗仪中要求开关电源的输出电压为30V。基于实际应用的需要，本以TPS40200为核心设计了一种输出电压为30V的宽输入非同步降压DC/DC控制开关电源，为非标准应用的开关电源提供了一种通用的解决方法。1开关电源的结构及工作过程图2基于TPS40200开关电源设计原理图开关电源的基本电路由输入电路、功率变换电路、

3、输出电路和TI公司提供的数据手册和兼顾电源的体积考虑，选择TPS40200的开关频率f为300kHz［1］。f的大小由TPS40200的引脚RC上R和控制电路等组成，如图1所示。swsw12交流输直流输C决定［2］：14入电压低通一次有源开关变压二次平滑出电压1滤波整流调整器件器整流滤波f=（1）swR×C×0.1051214输入电路功率因数校正功率变换电路输出电路取R12=68.1kΩ，C14=470pF。（2）由公式［2］：脉冲采样驱动电路R1Vout=0.708R1+R（2）R17脉宽误差可得输出电压可以通过连接到TPS40200的FB引脚的电阻比较器调制放大R、R的大小来设定。取R=1

4、0kΩ，得：R=237Ω。117117频率振荡发生器控制电路（3）输出电感L的计算公式如下［1，4］：2基准VON×D电压L2=（3）r×IL×fsw图1开关电源的工作原理框图式中，VON为导通时L2两端电压；D为占空比，r为输出电流纹波输入电路包括低通滤波和一次整流环节，交流电直接经低通率；IL为电感电流；fsw为开关频率。滤波器和桥式整流电路后得到未稳压的直流电压。此电压接下来本文设计的电源属于buck拓扑结构，因此：进行功率因数校正，其目的是将输入电流和输入电压调整到同相VON=VINMAX-Vo（4）从而提高功率因数。功率变换电路包含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是电源变换的主通

5、道，完成对带有功率的电源波形进D=Vo（5）VINMAX行斩波调制和输出。输出电路是将输出电压整流成脉动直流，并平IL=Io（6）滑成低纹波直流电压。控制电路中，输入电压经过分压、采样后与联立以上几式得到：电路的基准电压进行比较、放大。频率振荡发生器通过产生高频波L2=VINMAX-Vo×Vo（7）段信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调，从而实Io×rVINMAX×fsw现输出电压的改变。脉宽调制器是开关电源的核心，它能产生频率取输出电流纹波率r=0.17，输入最大电压VINMAX=36V，输出电固定而占空比可调的驱动信号，控制功率开关管的通断来调整输压Vo=30V，输出电流IL=

6、1A，得到电感大小L2=100μH。出电压高低达到稳定电压的目的，其中锯齿波发生器提供时钟信（4）输出电容C的计算如下［3］：18号，利用信号放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。220.5×L2×I02≤0.5×RC×（V-V）R（8）18oso2开关电源的设计式中，Vos为最大输出峰值电压。本文基于TPS40200设计了一种宽输入非同步降压DC/DC计算得：C18=10μH。控制器的30V输出开关电源，其电路原理图如图2所示。（5）该电源属于降压输出，因此采用buck拓扑结构。该电源从（1）电源的36V输入通过变压器和桥式整流电路得到。根据PWM控制、开关切换、LC输出电路的传递函数可表示

7、为：130ShejiYanjiu◆设计研究s40240ω+1ω210VINωesr23G（s）=×（9）30180V21RAMPs1s150ωωω+Qωωω+12012000Bd90e/4sa式中，ω为输出电容ESR的零点角频率；ω为LC输出回路谐振ina1060hPesr0G30角频率；Q为品质因数。00-30为了维持整个电源控制环路的稳定性，必须设计相应的反馈-10-60-90补偿环节，使整个