一种buck型开关电源的研究与设计正文_毕业论文

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匝数N1min，因为其涉及的因素最少。可由（7）式确定，然后可由改变磁路磁阻的方法调整其电感量。当磁阻增大时，电感量减小，储存磁场能的能力增大，最大工作磁场对应的电流增大。确定工作电流峰值有两种方法：一是以磁芯进入磁饱和状态为极限条件进行计算；二是根据磁芯储能量的要求计算，适用于反激式。对于前者，Imax值可由一下方法计算

Imax?

BmaxAeNL1 （8）

只要最少激励线圈匝数N1min得到保证，就可以使Im不超过Imax。 对于后者，Im值可以由下式计算

Im?

U1t1Im （9）

式中P0是电源的输出功率，T是开关周期，U1是初级绕组的激磁电压，t1是激磁时间。

3.4 开关电源变压器简略设计的步骤

根据以上分析，对于此类变压器的参数设计步骤可以概括为： 1、确定磁芯的尺寸，需根据功率要求；

2、确定开关电源的最长激磁时间或最低振荡频率； 3、根据磁芯材料尺寸，计算初级绕组的最少匝数Nmin；

4、根据变压器主绕组以及激励管所能承受的最大电流，或根据输出功率的大小来确定激磁电流的峰值。且峰值不能大于最大工作磁场强度对应的电流；

5、确定开关电源变压器初级线圈的电感量，可以按照所需的激磁时间及激磁电流峰值确定。

6、对于反激型开关电源，如果采用高磁导率的磁芯材料，可按7式得到的匝数绕制。如果磁芯直接胶合，其主绕组电感量通常较大，激磁电流上升速度较慢。因此需要在胶合时留气隙，增大磁阻，减小电感量，同时也可增大磁饱和电流值。制作中用一定厚度的硬质绝缘材料在磁芯连接处垫衬，气隙厚度可以由实验确定，也可由计算得到，计算式为：

N2?0Ael1l0?0.55(?)L?r （10）

此计算式适用于双气隙磁路。当变压器用磁环制作时，由于磁路已闭合，磁路气隙无法增设，只能选用低磁导率、高饱和磁感应强度的材料，从而达到要求的电感量。增加漏磁量则是采用双气隙磁路的弊端。

图3.2 开关电源变压器设计步骤关系图

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总体而言，开关电源的变压器参数设计步骤如图3.2所示。图中“工作条件”包括了脉冲频率、激励电压值、脉冲占空比、温升要求、变压器效率等因素；整个过程最终确定电感的两个影响参数：磁芯绕组的实际匝数和磁路的气隙厚度。其中确定闭磁路环绕组匝数的方法有两种：一是采用材料参数关系式计算，二是采用电感量L与匝数N的平方成正比关系式推算。

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四、基于TOP221P以及PC817A的开关电源设计

高频功率变压器、PWM集成控制器以及MOSFET功率开关是开关电源必不可少的组成部分。在传统开关电源的设计中，一般均采用分立的MOSFET功率开关以及多引脚的PWM控制器，这导致电路的结构非常复杂，更使得系统的稳定性不够理想。同时，分立的MOSFET功率开关也会对开关电源的效率产生限制。为了解决传统开关电源设计中存在的这些难题，将开关电源中最重要的两个部分：MOSFET功率开关和PWM集成电路集成在同一块芯片上，构成MOSFET、PWM二合一集成芯片的趋势也应运而生。它的出现，降低了开关电源设计的复杂性，减少了开关电源设计所需要的时间，从而大大加快了产品进入市场的速度。

4.1 TOPSwitch器件简介

4.1.1 封装形式

封装形式有TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8的八脚双列式两种基本形式。如图4.1所示。

图4.1 器件的封装形式

（a）TO-220的三端器件式和DIP-8、SMD-8封装。八脚封装的1-3、6-8通常并联后作为S，实际上它也相当于一个三端器件，三个脚分别是D,S,C，即漏极、源极、控制极。

这三个脚的含义是：

漏极D是内部MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点。该点内部有一电流源提供芯片偏置电流。源极S连接内部MOSFET的源极，是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点，同时也是TOPSwitch的封装基准点。控制极C为误差放大电路和反馈电流输入端。其作用是：

（1）通过调节其输入电流，可以调节占空比； （2）提供自动重启电容连接点，决定重启频率；

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（3）为芯片提供正常工作条件下的偏置电流； （4）提供旁路和补偿功能的电容连接点。 4.1.2 性能特点

（1）将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏置电源、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠；

（2）典型频率100KHZ允许值90-110KHZ占空比调节范围：1.7-67%；

（3）输入交流电压和频率的范围极宽，作为固定电压输入时可选110V/115V/230V交流电，且允许变化15%；在宽电压范围输入时，适配85-265V交流电；

（4）TOPSwitch-0只有3个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简单方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密性开关电源。开关频率的典型值为100KHZ允许范围是90KHZ-110KHZ占空比调节范围是1.7-67%。

（5）外圈电路除了结构简单，成本低廉以外，芯片本身的功耗也很低，温度范围0-70摄氏度，最高结温135摄氏度。电源效率可达80%左右，比线性集成稳压电源高了近一倍。 4.1.3 TOPSwitch-Ⅱ的工作原理

TOPSwitch-0的内部框图如图4.2所示，主要包括10部分：

图4.2 TOPSwitch-Ⅱ内部原理框图

（1）控制电压源，由控制电压Uc向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流Ic则能调整占空比；

（2）带隙基准电压源给内部提供各种基准电压；

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