毕业设计与论文（基于TOPSwitch-GX的变频器开关电源）.docx

摘要介绍一种基于TOPSwitch-GX的变频器专用开关稳压电源该电源给系 统控制板以及IGBT驱动电路供电，并保证该开关电源的电压稳定文中主 要介绍了 TOPSwitch-GX系列芯片的特点、工作原理以及开关电源的设计, 并着重分析了变压器的设计该开关电源经现场检验，性能良好，满足设 计的要求关键词: 开关电源;变压器设计;TOPSwitch― X引言 11开关电源的分类 22. TOPSwich-GX 系列简介 42.1 TOPSwitch-GTOPSwich性能特点 42.2 TOPSwitch-GX 的引脚 42.3 TOPSwitch-GX内部框图及其原理 63基于T0P249Y组成的使用电路工作原理及设计 133.1 T0P249Y主要性能参数 133.3 TOP249Y 外3.4 T0P249Y保护电路和补偿电路设计 163・5抗干扰电路的设计 163.6输出滤波电路的设计 163・7反馈控制电路设计 164实验与结论 17结束语 18参考文献 19致谢 20引言随着电力电子技术的发展，开关电源以其效率高，体积小等特点逐渐取代了传统的 线性稳压电源开关电源的转换器分为正激、反激、推挽、全桥和半桥五种带变压隔离 器的基本类型［1, 2］。

其中，在中小功率场合,反激式DC/DC变换器应用非常广泛，如便携 式电脑电源、POS机电源等［3］它具有如下儿个特点：设计简单方便，不像正激式变换 器需要磁能复位凹路有变压器电气隔离，可利用变比实现升降压，实现多路输岀，以适 丿应功率小、电压电流等级多的使用场合［4］TOPSwitch-GX系列是由美国电源集成公司 生产的离线PWM开关芯片，它设计先进、功能完善，可设计输出250 W以下的单路或多路 输出开关电源，典型应用丁反激式变换器的设计中它单片集成了功率场效应管以及完 整的PWM控制电路，外|韦|电路简单,使用非常灵活，设计的电源具有低成本、高效率、小 尺寸的特点在外用电路的设计中，高频变压器的设计是非常重耍的一环本文将以该 系列芯片的丿应用为例，详细介绍反激式变换器中高频变压器设计的原理和一般步骤开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持 稳定输出电压的种电源开关电源-•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岀功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反 转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得电源〃〉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电力端移动，这为电源开关电源提供了广阔的发展空间开 关电源高频化是具发展的方向，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 外电源〃〉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而都具有重耍的意 义本文介绍了一种基TTOPSswitch-GX的变频器开关电源在电机调速控制器中，该 电源提供功率开关元件的基极驱动电压和控制电路的丁•作电压开关电源性能的好坏直 接影响到电动机调速控制器的丁作可靠性基于TOPSwi tch-GX的变频器开关电源1开关电源的分类人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者 相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可 靠、抗干扰的方向发展开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实 现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可, 但AC/DC的模块化，因其口身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工 艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述1.1 DC/DC 变换DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波斩波器 的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式, ton不变，改变Ts （易产生干扰）其具体的电路由以下儿类：Buck电路——降压斩波器，其输岀平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同Boost电路 升压斩波器，其输出平均电压U0大丁•输入电压Ui,极性相同Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，具输出平均电压U0大于或小于输入电压 Ui,极性相反，电感传输Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小丁输入电压Ui,极 性相反，电容传输当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VIC0R公司设计制造的多种ECI 软开关DC/DC变换器，其最大输岀功率有300W. 600W. 800W等，相应的功率密度为（6. 2、 10、17）W/cm3,效率为（80〜90） %日木NemicLambda公司最新推出的一种采用软开 关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200〜300）kHz,功率密度已达到 27W/cm3,采用同步整流器（M0SFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

1. 2 AC/DC 变换AC/DC.变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负 载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变二AC/DC变换器输入为 50/60HZ的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少 的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA）, 交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的 小型化，另外，由于内部的高频、高圧、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题 难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电 压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了 AC/DC变换器模块化的进程，因此必须 采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路按电源相数可分为， 单相、三相、多相按电路工作象限乂可分为一象限、二象限、三象限、四象限2・TOPSwich-GX系列简介2.1 TOPSwitch-GTOPSwich 性能特点该系列产品除具备TOPSwitch FX系列的全部优点Z外，还将最大输岀功率从75W 扩展到250W,适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源。

采用T0-220-7C封装的TOP242〜TOP249产品，新增加了线路检测端(L)和从外部 设定极限电流端(X)这两个引脚,用来代替TOPSwitch FX的多功能端(M)的全部控 制功能，使用更加灵活、方便将开关频率提高到132kHz,这有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积 当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132kIIz降低到30kIIz (半频模式下 则由66kHz降至15kHz),可降低开关损耗，进一步提高电源效率采用了被称作EcoSmart的节能新技术，显著降低了在远程通/断模式下芯片的功 耗，当输入交流电压是230V时，芯片功耗仅为1602. 2 TOPSwitch-GX 的引脚2. 2. 1 TOPSwitch-GX 的引脚介绍图1所示是基丁 TOPSwitch-GX的反激式变换器框图TOPSwitch-GX芯片共有6个 引脚，具中D和S引脚分别连接片内功率场效应管的漏极和源极图1基T TOPSwitch-GX的反激式变换器框图L为线监测引脚，使用时必须串联电阻至输入直流电源正极改变串联电阻的大小, 可自由匹配欠电压门槛值、过电压门槛值设计变压器时，可根据串联电阻上流过的最 小电流，查芯片手册中的曲线图，确定其工作的最大占空比。

当L引脚与S引脚短接时, 该管脚所有功能都被禁用F为开关频率选择引脚当它与S引脚连接时，开关工作在132 kHz;而与C引脚连 接时，开关工作在66 kllz,这样也就确定了高频变压器的工作频率X引脚用丁调节外电流极限、远程开关和同步与L引脚类似,当它与S引脚短接时, 将禁用该管脚所有功能输出端电压信号经过采样、转化,形成反馈电流输入芯片的控制引脚C,再由芯片内 部加T后，改变驱动功率场效应管的PWM信号，实现电流反馈控制，稳压输出在设计高频变压器时，必须充分考虑到TOPSwitch-GXT作频率等参数以及外围元件 取值，这样才能使整个开关电源更为稳定、高效地运行图 1 TO—220—7C2. 2.2 TOPSwitch—GX 引脚功能控制端(C):用于调节占空比的误差放大器与电流输入脚在正常操作期间通过 连接至内部分流调节器来提供内部偏置电流，也可作为电源的旁路和自动重起/补偿电 容的连接点线路检测端(L)： L端具有过压保护、欠压保护和远程通/断控制功能极限电流设定端(X):用于对外部电流设定调整，在X端与源极(S)Z间接入不同的 电压，可使开关电流设定为不同的数值源极(S):连接至输出MOSFET源极时可得到 高压功率回馈。

开关频率选择端(F)：用于选择开关频率的输入引脚，连接至源极(S)时为132khz, 连接至控制端(C)时为66khzo在某些特殊场合将开关频率下降看减少干扰漏极⑴)：MOSFET管漏极输出高压电流源通过此脚为内部电路提供启动偏置电流采用Y封装的TOPSwitch-GX系列产品，其内部框图如图2所示电路主耍由18部 分组成控制电压源，带隙基准电压源，频率抖动振荡器，并联调整器/谋差放大器脉宽 调制器(含PWM比较器和触发器)，过流保护电路，门驱动级和输出级，具有滞后特 性的过热保护电路，关断/自动重起动电路，高压电流源，软起动电路，欠压比较器, 电流极限比较器，线路比较器，线路检测端和极限电流设定端的内部电路，轻载时口 动降低开关频率的电路，停止逻辑，开启电压为IV的电压比较器2. 4 TOPSwitch-GX 的应用2. 4. 1高效率70W通用开关电源模块TOPSwitch GX适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源 适配器(adapter) o由T0P249Y构成的密封式70W (19V, 3.6A)通用开关电源模块,电路如图1所示当环境温度不超过40C时，模块的外形尺寸可减小到10. 5mmX5. 5mm X2. 5mmo设计的交流输入电圧范围是85V〜265V,这属丁•全世界通用的电圧范围。

该电 源能同时实现输入欠圧保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能, 其主耍技术指标为：额定输出功率 P0=70W负载调整率 SI二4%电源效率 11284%当交流输入电圧U=85V吋,满载效率可达85%当U=230V时，电源效率高达90%空载功率损耗＜0. 52W (U=230V时)；6 Cn033pF 0.022pF0 2上上08QTI.431R 3MQCh0.04pF 4(K)V820gF 25V7gMBR20ICHIR、 270QUX20pF25 V16VLi2OC^iH上丄 少心 T "TIC2 PC8I7AR.3i 6kC2,ki 562Q f?nF 50V ,% 7*1 | Go<^=D_0 iMf 56U2 T 50VV ..M1JRJQ100I V