基于单片机开关电源及PCB设计--电气自动化毕业论文(4)

单片开关电源及PCB设计 的压降为UR，光耦合器中LED发光二极管的正向压降为UF，输出电压Uo由下式设定：

Uo=UZ2+UF+UR （2.1）

则其稳压原理简述如下：当由于某种原因致使Uo升高时，因UZ2不变，故UF随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使TOPSWitch-II控制端电流Ic增大。但因TOPSWitch-II的输出占空比D与Ic成反比，故D减小，这就迫使Uo降低，达到稳压目的。反之亦然[3]。

图2.4 单片开关电源典型电路

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单片开关电源及PCB设计 第3章 单片开关电源的设计

3.1 概述

开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电视电声、计算机等许多电子设备中得到了广泛的使用。为了进一步追求开关电源的小型化和低成本，人们不断研制成功一些复合型单片开关电源集成电路芯片。如美国电源集成公司（Power Integrations Inc， 简称PI公司或Power公司）推出的TOPSwitch-II器件就是其中的代表。TOPSwitch-II器件集PWM信号控制电路及功率开关场效应管（MOSFET）于一体，只要配以少量的外围元器件，就可构成一个电路结构简洁、成本低、性能稳定、制作及调试方便的单端反激式单片开关电源。

3.2 单片开关电源电路参数的设定

下面将比较详细的叙述这些参数求得过程并完成电子表格。 (1) 确定开关电源的基本参数 1交流输入电压最小值umin=85V ○

2交流输入电压最大值umax=265V ○

3电网频率fL=50Hz ○

4开关频率f=100kHz ○

5输出电压Uo=24V ○

6输出功率Po=50W ○

7电源效率η=85% ○

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单片开关电源及PCB设计 8损耗分配系数Z：Z代表次级损耗和总损耗的比值。在极端情况下，Z=0表示全部损耗○

发生在初级，Z=1则表示全部损耗发生在次级。在此，我们选取Z=0.5。 (2) 反馈电路类型及反馈电压UFB的确定

我们可参照表1中的数据确定参数，因为我们采用配TL431的光耦反馈电路，所以UFB的值便一目了然。

(3) 输入滤波电容CIN、直流输电压最小值UImin的确定

由表2可知在通用85~265V输入时，CIN、UImin的值都可大概确定，其中，我们确定UImin的值为90V，而输入滤波电容的准确值不能从此表中得出。

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过低，会使UImin的值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过高。会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍CIN准确值的方法。

表1 反馈电路的类型及UFB的参数值

反馈电路类型 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路 配TL431的光耦反馈电路 UFB/V 5.7 27.7 12 12 Uo的准确度/（%） ±10 ±5 ±5 ±1 Sv/（%） ±1.5 ±1.5 ±0.5 ±0.2 SI/（%） ±5 ±2.5 ±1 ±0.2 表2 确定CIN、UImin值

u/V 固定输入：100/115 通用输入：85~265 Po/W 已知 已知 比例系数/（μF/W） 2~3 2~3 CIN/μF （2~3）·Po值 （2~3）·Po值 UImin/V ≥90 ≥90 10

单片开关电源及PCB设计 固定输入：230±35 已知 1 Po值 ≥240 我们用以下式子获得准确的CIN值：

CIN?1??2Po???tC??2f?L? （3.1） ?22?2umin?uImin??在宽范围电压输入时，umin=85V，取UImin=90V，fL=50Hz，tC=3ms，Po=50W，η=85%，一并带入式（3.1）求出CIN=129.69μF，比例系数CIN/Po=129.69μF/50W=2.6μF/W，这恰好在（2~3）μF/W允许的范围之内。 (4) 确定UOR、UB的值

表3 确定UOR、UB值

u/V 固定输入：100/115 通用输入：85~265 固定输入：230±35 初级感应电压UOR/V 60 135 135 钳位二极管反向击穿电压UB/V 90 200 200 当TOPSwitch-II关断且次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级上。感应电压UOR就与UI相叠加后，加至内部功率开关管（MOSFET）的漏极上。与此同时，初级漏感也释放能量，并在漏极上产生尖峰电压UL。由于上述不利情况同时出现，极易损坏芯片，因此需给初级增加钳位保护电路。利用TVS器件来吸收尖峰电压的瞬间能量，使上述三种电压之和（UI+UOR+ UL）低于MOSFET的漏-源击穿电压U(BR)DS值。 (5) 根据UImin和UOR来确定最大占空比Dmax Dmax的计算公式为

Dmax?UORUOR ?100% （3.2）

?UImin?UDS?ON?已知UOR=135V，UImin=90V，将UDS(ON)设为10V，一并代入式（3.2），求得Dmax=62.79%，

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单片开关电源及PCB设计 这与典型值67%已经很接近了。Dmax随u的升高而减小。 (6) 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP

定义比例系数 KRP?IR/IP （3.3）

表4 根据u来确定KRP

KRP u/V 最小值（连续模式） 固定输入：100/115 通用输入：85~265 固定输入：230±35 0.4 0.4 0.6 最大值（不连续模式） 1.0 1.0 1.0 由表4可确定KRP=0.4 (7) 确定初级波形参数 1输入电流的平均值IAVG ○

IAVG?PO （3.4） ?UImin已知Po=50W，η=85%，UImin=90V，求得IAVG=0.65A 2初级峰值电流IP○

IP?IAVG （3.5）

?1?0.5KRP??Dmax把IAVG=0.65A，KRP=0.4，Dmax=62.79%代入式（3.5）得，IP=1.29A 3初级脉动电流IR○

由式（3.3）可得

IR= KRP·IP=0.4×1.29A=0.52A 4初级有效值电流IRMS○

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