单片开关电源的设计

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1、摘要采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。本文介绍了三端PWM/MOSFET二合一集成控制器件TOPSwitch系列的工作原理及其在开关电源设计中的应用，同时也介绍了与TOPSwitch相匹配的高频功率变压器的设计。其中，PWM控制器和变压器的设计是开关电源设计的关键。在研究了单片开关电源的工作原理基础之上，采用TOP222Y芯片设计了输出为5V/2A小功率单片式开关电源电路及高频变压器；并对电路中的一些元器件的参数进行了计算和选择。该电路基本能满足设计的要求。通过毕业设计，

2、即巩固了所学的知识，又得到了一次实践的锻炼。关键词：开关电源、脉宽调制、TOP222Y18目录第一章序言11.1开关电源的发展11.2单片开关电源芯片及应用1第二章单片开关电源工作原理32.1开关电源的工作原理32.2单片开关电源的工作原理4第三章基于TOP222Y的单片开关电源的设计63.1TOP222Y的工作原理63.2基于TOP222Y芯片单端反激式开关电源的设计8第四章单片开关电源电路的元件选择与参数计算114.1整流滤波电路元件的选择114.2PC817的内部结构及工作原理114.3TL431的工作原理114.4PC817

3、光电耦合器与TL431外围器件参数计算124.5TL431的取样电阻计算12第五章高频变压器设计145.1变压器的分类145.2高频变压器的工作原理145.2高频变压器设计方法145.3高频变压器的绕制15第六章总结171818第一章序言1.1开关电源的发展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

4、关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出功率端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。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，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。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。传统开关电源设计一般均采用分立的MOSFET功率开关和多引脚的PWM集成控制器，电路的结构非常复杂，系统的稳定性不够理想，分立的MOSFET功率开

5、关对开关电源的效率亦有限制。为了解决传统开关电源设计面临的这些难题，90年代以来，出现了将开关电源中最重要的两个部分——PWM集成电路和MOSFET功率开关，集成在同一块芯片上，构成PWM/MOSFET二合一集成芯片的趋势，二合一集成控制芯片的问世，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。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、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。TOPSwitch器件是美国功率集成公司(POWERIntegrations)于20世纪90年代中期推

6、出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关(Three-terminalOfflinePWMSwtich)的英文缩写，其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。上述产品一经问世便显示出强大的生命力，它极大地简化150W以下开关电源的设计，使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。1.2单片开关电源芯片及应用［1］TOPSwitch系列器件是三端脱线式PWM开关（ThreeterminalOfflinePWMSwtich）的英文缩写。TOPSwit

7、ch系列器件主要包括下列型号：TOP100～TOP104，TOP200～TOP204/TOP214，TOP209/TOP210等。TOPSwitch-Ⅱ是TOP-Switch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，具有更高的性能价格比，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。TOPSwitch-Ⅱ所包括的几个型号之间的区别在于输出功率的不同，其产品分类见表1.1。18表1.1　TOPSwitch-Ⅱ的产品分类及最大输出功率产品型号固定输入（110/115/230V,AC,±

8、15％）宽范围输入（85V～265V,AC）TOP221Y127TOP222Y2515TOP223Y5030TOP224Y7545TOP225Y10060TOP226Y12575TOP227Y15090TOP221P/221G96TO