12V1A开关电源设计

毕业设计说明书（论文）中文摘要

本文设计了一种基于脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)控制方式的开关电源，介绍了PWM开关电源的工作原理及发展历程，给出了利用PWM 技术控制开关电源的设计方案，给出其功能原理图及电路原理图；本设计还详细介绍了变压器设计；EMI滤波电路；PWM控制电路；输出反馈电路；保护电路；整流滤波电路；稳压电路等。该开关电频率高，效率高，功率密度高，可靠性高等。

关键字：PWM；开关电源；变压器；EMI

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title 12 V1A switch power source design

Abstract

This paper expounds a kind of based on the Pulse Width Modulation (PWM, Pulse Width Modulation) control mode of switch power, introduced the PWM switch power supply and working principle of the development course, presented by the PWM control switch power source design scheme is presented, and the functional principle diagram and the circuit principle diagram; Using PWM technology, can make the switch power supply, high frequency, high efficiency, high power density, high reliability. This design but also detailed introduces the transformer design; EMI filter circuit; PWM control circuit; Output feedback circuit; The protection circuit; Rectifier filter circuit; V oltage circuit, etc.

Keywords :PWM; Switching power supply; Transformer; EMI

目次

1绪论 (2)

2 开关电源的发展和趋势 (2)

3开关电源工作原理 (3)

3.1 方案论证 (3)

3.2设计要求 (4)

3.3开关电源系统方框图 (4)

4开关电源电路设计 (4)

4.1 EM I滤波电路设计 (4)

4.2 输入整流滤波设计 (5)

4.3变换电路及控制电路设计 (7)

4.4变压器设计 (10)

4.5反馈稳压电路设计 (12)

4.6 后级整流滤波电路设计 (14)

结论 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

1 绪论

电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子技术，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一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）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。开关电源比普通的线性电源效率高，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。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，开关电源比普通线性电源体积小，轻便化，更便于携带。

2 开关电源的发展和趋势

1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国开关电源科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的

100kHz、用MOS－FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，

这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

3 开关电源工作原理

将交流电源输入经整流滤波后转换成直流，通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号或PM（脉冲调制）电路控制开关管，将那个直流电压加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载，输出部分通过，反馈电路反馈给控制电路，以达到稳定输出电压的目的。

PWM开关电源原理是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电源幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

3.1 方案论证

3.1.1 开关电压的三种控制方式

(1) 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,缩写为PWM)

开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。经过长期的理论与实践，脉冲宽度调制(PWM)控制方式使用最广泛，最安全，最实用。

(2) 脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM)

导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

(3) 混合调制

导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合

3.2 设计要求

1)交流输入电压变化范围为AC150V～AC280V；

2)直流输出电压为12V；

3) 输出电流为1A ；

4) 输出电压调整率≤1%；

5) 具有故障自诊断、过压、过流保护等功能。 3.3开关电源系统方框图

图 1 12V1A 开关电源系统方框图

4 开关电源电路设计

4.1 EMI 滤波电路设计

EMI 滤波器主要作用是抑制开关电源进出的电磁干扰，具有双向抑制性。开关电源EMI 滤波器的基本网络如图所示。

AC 输入 二极管 整流 电容电感滤波 直流 输出 基准 电压 分压 取样

EMI 滤波 PWM 控制器 整流桥 输入

电容 启动 电路 光电 耦合器 反馈

回路 开关管 反馈 限流 隔离

变压器

FUI AC X L1

图2 EMI 滤波器

图2中差模抑制电容为X ，共模电感为L 1。滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理为：

(1) 利用电容通高频隔低频的特性，将电源正极和负极高频干扰电流导入地线，或将电源正极高频干扰导入电源负极。

(2) 利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源。图2中差模抑制电容C x1和C x2的范围是0.1～0.47μF ；共模抑制电感L 1范围5～25mH 。设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz ，即

LC f π21=

<10kHz 本设计中C 1取0.1uF 。则

）π631101.0101021

(-????≥L =2.5mH

L 1采用UU98型滤波器来实现。

4.2 输入整流滤波设计

4.2.1 开关电源的前级整流电路采用的是桥式整流电路

(1) 输出平均电压U o=0.9U 2，输出平均电流I o=U o/R L =0.9U 2/R L 。二极管上的平均电流为：I D =0.5I o 。

(2) 二极管上的最高反向电压：U DRM =2U 2。

(3) 开关电源的滤波电路采用的是电容滤波电路。对于电容滤波，它的优点有：输出电源高，在小电流时滤波效果较好。但电容滤波也有缺点，它的负载能力差，电源接通瞬间充电电流很大，整流管要承受很大正向浪涌电流。它实用负载电流较小的

场合。

4.2.2 整流滤波电路的电子元件选择

图3 整流滤波电路

图3给出本设计的整流滤波电路。图中整流二极管D1、D2、D3、D4分别取IN4007型二极管。C1值确定如下：

P o =V o ×I o =12×1=12W P in =η

Po ==15W 效率假设为100

80 V in （min ）=V ac （min ）×1.1 =150×1.1=165V

I DCIN(MAX)=in(m in)V P in =165

15=0.091A R L =

(max)(min)I V DCin in =091.0165=1814 Ω C 5>WRL 10>1814

5014.3210???=17.5×610- F 根据上述计算，选用10uF/400V 的电容。

桥式整流中二极管上的流过电流为整流输出电流的一半，其最大电流 I dcin(max)=0.0455A

因此取二极管额定电流

I f(av)为（1.5～2）I D(max)/1.57=(0.043～0.058)A

因最高反向电压

V DRM(MAX)=3962802=?V

选二极管额定电压为

（2～3）V DRM(MAX)=(792～1188）V

根据输入电压，电流的三倍选择整流二极管。

AC

D1D2D3D4C1

DC

IN4007其额定电流为1A；反向峰值电压为1000V。

因此整流电路中选择IN4007型二极管即可满足本设计需要。

4.3 变换电路及控制电路设计

本设计输出功率小，因此变换电路采用反激式电路括扑结构，反激式电路括扑适合的功率范围为几瓦到几十瓦。控制电路采用的是THX203H。THX203H的资料：高性能电流专为高性价比AC/DC 转换器设计。在85V-265V的宽电压范围内提供高达12W的连续输出功率，峰值输出功率更可达18W。优化的高合理性的电路设计结核高性能价格比的双极型制作工艺，最大程度上节约了产品的整体成本。该电源控制器可工作与典型的反激式电路括扑中，构成简洁的AC/DC转换器。IC内部的启动电路被设计成一种独特的电路吸入方式，可利用功率开关管本身的放大作用完成启动，这显著地降低了启动电阻的功率消耗；而在输出功率娇小时IC讲自动降低工作频率，从而实现了极低的待机功耗。在功率管截止时，内部电路讲功率管反向偏置，直接利用了双极型晶体管的CB高耐压特性，大幅提高功率管的耐电压能力直到700V 的高压，这保证了功率管的安全。IC内部还提供了完善的防过载饱和功能，可实时防范过载、变压器饱和、输出短路等异常状况，提高了电源的可靠性。电流限制及时钟频率可由外部器件进行设定。

图4 管脚图

4.3.1 特点

●内置700V高压功率开关管，极少的外围器件

●锁存脉宽调制，逐脉冲限流检测

●低输出降频功能，无输出功耗可低于0.3W

●内建斜坡与反馈补偿功能

●独立上限电流检测控制器，实时处理控制器的过流、过载

●关断周期发射极偏压输出，提高了功率管的耐压

●内置具有温度补偿的电流限制电阻，精确电流限制

●内置热保护电路

●利用开关功率管的放大作用完成启动，启动电阻的功耗减少10倍以上●极少的外围元器件

●低启动和工作电流

●VCC过压自动限制

●宽电压连续输出功率可达12W，峰值输出功率可达18W

图5 THX203H内部结构图

4.3.2 引脚功能描述 ：

4.3.3 原理描述 ● 启动阶段，上电时VR 关闭；FB 上拉电流源关闭；OE 由功率管输入启动电流到VCC ；OB 控制功率管的基极电流，限制功率管集电极电流（即THX203H 启动接受电流），从而保证功率管的安全；在VCC 电压上升到8.8V ，启动阶段结束，进入正常阶段。

● 正常阶段，VCC 电压应保持在4.8~9.0V ，VR 输出2.5V 基准；FB 上拉电流源开启；振荡器输出OSC1决定最大占空比，输出OSC2试图触发电源进入开周期、及屏蔽功率管开启电流峰；若FB 小于1.8V (约在1.2-1.8V)之间振荡器周期将随之增加，FB 越小振荡器周期越宽、直至振荡器停振（此特性降低了开关电源的待机功耗）；若外围反馈试图使VCC 大于9.6V ，则内电路反馈到FB 使VCC 稳压在9.6V （利用此特性可以不采用外围反馈电路，由内电路稳定输出电压，但稳压精度较低）；开周期，OB 为功率管提供基极电流，OE 下拉功率管的发射极到IS ，而且OB 采用斜坡电流驱动（指OB 开电流是IS 的函数，当IS=0V 时OB 开电流约40mA ，然后OB 开电流随IS 线性增加，当IS 增加到0.6V 时OB 开电流约120mA ，此特性有效地利用了OB 的输出电流，降低了THX203H 的功耗），若IS 检测到FB 指定电流则进入关周期；关周期，OB 下拉，功率管不会立即判断，但OE 箝位1.5V （功率管判断后基地反向偏置，提高了耐压）；在开或关周期，如检测到功率管超上限电流，则上限电流触发器优先置位，强制FB 下降，占空比变小，从而保护功率管和变压器；在下一管脚

符号 管脚描述 1

OB 功率管基极，启动电流输入，外接启动电阻 2

VCC 供电脚 3

GND 接地脚 4

CT 振荡电容脚，外接定时电容 5

FB 反馈脚 6

IS 开关电流取样与限制设定，外接电流取样电阻 7，8 OC 输出脚，接开关变压器

引脚功能一览表

个关周期开始沿或FB 小于1.8V ，上限电流触发器复位。另外，THX203H 内置热保护，在内温度高于140℃后调宽振荡器的周期，使THX203H 温度不超过150℃；内置斜坡补偿，在THX203H 大占空比或连续电流模式时能稳定开/关周期。

● 若VCC 降到4.3V 左右，振荡器关闭，OSC1、OSC2低电平，电源保持关周期；VCC 继续下降到3.7V 左右，THX203H 重新进入启动阶段。

4.4 变压器设计

本次设计12V1A 开关电源其功率为12W ，10W<12W<15W ，因此选择PC40EE19磁芯。

IC 采用THX203H ，其工作频率为ｆ=61KHZ,占空比τ=0.57，耐压为700V 。 I p =I dcmin(max)=?τ

20.319A 功率关开通时间Ton

T on =

=f τ9.3610-?

一次电感值最小值Lp 为 mH p dc p 8.4319

.0103.9V 165I T V L 6on

(min)=??=?=- 根据PC40EE19磁芯的资料，223mm Ae =，大工作磁感应强度T B 510max =。2/1250N nH Al =

一次绕组所需最大匝数：

629.6110

1250108.493

≈=??=--Np 二次绕组所需匝数：

3249.31N V V V N p fry

0≈=?+=F s 其输出整流二极管导通压降为：

V 7.0F =V

V fry 为开关管开关器件，变压器副边电压根据电磁感应定律，反射到原边绕组两端的电压。V fry 越高，吸收回路上消耗的功率则会越高，效率就会降低。同时，V fry

越高，开关管的应力也越大。V fry 低，则副边二极管的反向电压应力变高，二极管吸

收损耗增大。取

V fry 25V = 驱动匝数参数为：

103.962165

25N V V N (min)fry

b ≈=?=?=p dcin 绕组导线线径In j D p ?=

π

4进行计算。J 为电流密度，取2/5mm A ，n 为相应绕组额定电流。 14.03

57.0319.03I I =?=?=τ

p prms A Np 的线径为：

19.014.014

.354I 4D ≈??=?=prms p j πmm 副绕组Ns 的额定电流峰值为：

16.0319.062

32I N N I =?=?=p p s s A 其额定电流值为：

06.03

57.0116.031I I =-=-=τs srms A 其线径：

mm j srms s 12.006.014

.354I 4D =??=?=

π 4.5 反馈稳压电路设计 开关电源的稳压反馈通常都使用TL431和EL817，如输出电压要求不高，也可以使用稳压二极管和EL817。

4.5.1 光耦合器的性能特点

光耦合器的主要优点是：单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换，信号隔离，级间隔

离，开关电路，远距离信号传输，脉冲放大，固态继电器(SSR)，仪器仪表，通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压的目的。

4.5.2 光偶的输出比

电流传输比是光耦合器重要的参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流I c 与直流输入电流If 的百分比，其公式为： CTR=

If

Ic 100% 4.5.3 TL431特性及应用

(1) TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从V ref （2.5V ）到36V 范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2欧，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如：数字电压表，运放电路、可调电源，开关电源等。

图6 TL431符号及引脚图 图7是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE ）、阳极（ANODE ）和参考端（REF ）。TL431的具体功能可以用如图10的功能模块示意。

图7 TL431功能模块示意图

由图8可以看到，V I 是一个内部的2.5V 基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF 端（同相端）的电压非常接近V I （2.5V ）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF 端电压的微小变化，通过三极管，的电流将从1到100mA 变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能

简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。

(2) TL431的恒压电路应用

图8 TL431的恒压电路

前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图11所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对V o的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致V o下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在V I等于基准电压处稳定，此时V o=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，V o=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法，将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图10：

图10 大电流的分流稳压电路

4.6 后级整流滤波电路设计

后级整流滤波电路我们采用的是半波整流，如图11所示

D 高

频

变

压

器R 50HZ

图11 半波整流电路

在半波整流电路中，同步整流二极管的功耗可以用下式近似表示

P SR =I frms 2Ron+CinV 2gsF

半波整流电路中，同步整流二极管的耐压制计算如下：

V SR =V o +V in(max)NP NS =12+62

32165 =97V

结论

采用thx203h系列开关稳压集成电路作为PWM开关电源的控制器件，不仅可以提高稳压电源的工作效率，减少能源损耗，还可以对电源其过压过流保护，而且可减少外部交流电压大幅波动对开关管的干扰，同时可降低经电源窜入的高频干扰，这对保障开关电源的安全和可靠运行能起到事半功倍的作用。

致谢

本论文是在九州职业技术学院机电系马红梅老师的悉心指导下完成的。马红梅老师作为一名优秀的、经验丰富的教师，具有丰富的理论知识和实践经验，在整个论文实验和论文写作过程中，对我进行了耐心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，使我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的实验习惯和科研精神。在此，我向我的指导老师表示最诚挚的谢意！

在论文即将完成之际，我的心情久久无法平静，从开始选题到顺利论文完成，有不知多少多少可敬的师长、同学、朋友给了我无数的帮助。感谢九州职业技术学院同时也要感谢电子工程10班全体同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能一个一个克服困难、解明疑惑，直至本文顺利完成，在这里请接受我诚挚的谢意。

参考文献

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[2] 张占松，蔡宜三。开关电源的原理与设计北京：电子工业出版社，2004

[3] 王兆安，黄俊。电力电子技术北京：机械工业出版社，2009

[4] 周志敏, 周继海. 开关电源实用技术设计与应用. 人民邮电出版社, 2003

[5] 曾方，郭再泉. 电力电子技术西安电子科技大学出版社2004.7