基于TOP227Y芯片的单端反激式开关电源

电子

` 本帖最后由 lsergao 于 2013-6-1 21:18 编辑

前言

虽然身边到处充斥着电子设备，所有空间几乎都被各种电磁波覆盖，但是从来没有真正留意过什么。后来,因为偶尔需要找朋友维修一些电子设备，加之有培养孩子学一些电子电路知识的想法，于是就在不经意间走近了“近在咫尺却又远在天边”的电子世界。

最开始是基于简单的需要，利用工频变压器和LM317自己设计制作了《带呼吸灯的直流稳压电源》 (https://bbs.elecfans.com/jishu_329771_1_1.html) ，比较粗糙。后来因为要改造车载点烟器的手机充电接口，又《基于34063自制车载手机充电板》（https://bbs.elecfans.com/jishu_336508_1_1.html）.使用中发现34063做的充电板虽然基本满足使用要求。但是一直存在芯片明显发热的问题，偶尔还有电感噪声。于是《基于LM2596再做车载手机充电板》（https://bbs.elecfans.com/jishu_338135_1_1.html）。

从制作中了解到LM2596系列是3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需很少的外围器件便可构成高效稳压电路。这时才第一次听说“开关电源”（开始还以为就是带机械开关的电源呢，呵呵）。上网查阅资料，学习，尝试，自己终于制成了一款真正的开关电源。

知识超市

1、单激式变压器开关电源

变压器开关电源的最大优点是，变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；另外，变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量。变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，提高设备的绝缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻EMI 干扰，并且还容易进行功率匹配。

变压器开关电源有单激式变压器开关电源和双激式变压器开关电源之分，单激式变压器开关电源普遍应用于小功率电子设备之中，因此，单激式变压器开关电源应用非常广泛。而双激式变压器开关电源一般用于功率较大的电子设备之中，并且电路一般也要复杂一些。

单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的激式变压器的体积大，因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲线的单端，磁回路曲线变化的面积很小。

2、单片开关电源的简单原理

单片开关电源由于具有单片集成化、最简外电路、最佳性能指标、无工频变压器、能完全实现电气隔离等显著特点，显示出强大的生命力，倍受人们青睐，是开关电源的发展方向。目前,它已成为国际上开发290W以下高效率中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。

TOP227Y是PI公司1997年推出了TOP SwitchⅡ系列器件中一款输出功率比大的芯片，其封装形式是TO-220，自带小散热片，是典型的三端集成器件，三个管脚分别为控制端C（control）、源极S（source）、漏极D(drain)，其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V，可设计成150W以下仪器仪表的多路隔离式内置控制电源。（现在该公司的产品已经出到TOPSwitch-JX系列型号是TOP264-271）

TOP227Y的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D ，达到稳压目的。如当输出电压Vo减小时，经过反馈电路使得Ic降低，D增大，Vo升高，最终使Vo保持不变。

本设计的原理图

如图是用TOP227Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图。输入为220V AC（±15%），输出为+12VDC 。

由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路基本分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路及反馈电路5部分。

电路中交流滤波线圈为10～33mH，采取双线并绕。整流电路选择整流桥，交流电源经过BR1和C2整流滤波后产生直流高压，给高频变压器的初级绕组供电。高频变压器初级绕组NP的极性与次级绕组NS、反馈绕组NF的极性相反。在TOPSwitch导通时，次级整流管VD4截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；当TOPSwitch截止时，VD4导通，能量传输给次级。高频变压器在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。

直流高压经初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。在功率MOSFET关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上还会产生感应电压(即反向电动势)，两者叠加至内部功率开关管MOSFET的漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管VR2和超快恢复二极管VD1组成。VR2和VD1能将漏感产生的尖峰电压箝位到安全值。VR2采用反向击穿电压为200V的瞬态电压抑制器P6KE200A，VD1选用1A/600V的超快恢复二极管BYV26C。当MOSFET导通时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致VD4截止，因而钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VR2吸收掉。

次级绕组电压通过VD4、C9、C10、L2和C12、 C14整流滤波，获得12V输出电压Vo。输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容、滤波电感构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的1/6多，是影响开关电源效率的主要因素，它包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，所以选用肖特基二极管MUR620CT作为整流二极管。

对输出滤波电容，ESR（等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。当电容两端电压小于35V时，ESR只与电容的体积有关, 可以考虑使用高频低阻电容。由于手里没有这样的电容，我采用两个电解电容并联降低内阻的办法。

输出滤波电感采用的是一个旧的拆机电感，测量大约有10uH。它的作用主动抑制开关噪声的产生。为减少共模干扰，在输出的地与高压侧的地之间接共模抑制电容，如图中的C11 。

反馈绕组电压经过VD2、C7整流滤波后获得反馈电压，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。输出电压Vo通过电阻R13、R15分压，与TL431中的2.5V基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变控制端电流。TOPSwitch的占空比D与Ic（控制电流）成反比。反馈电路是通过调节TOPSwitch的占空比实现稳压的。

关于反馈相关参数设计

为使PWM线性调节，一般选PC817A二极管正向电流为3mA；TL431一般选20mA即可，不但可稳定工作，又能提供一部分死负载。设计的取值为：R12＝470Ω，R3＝150Ω，R13＝38K，R15＝10K。（由于除了470欧的电阻手里没有其他对应阻值，所以采用两个300欧并联代替R3，R15采用12K，R13采用47K。所以本设计实际输出电压为12.29V）

若需增加软起动功能以限制开启电源时的占空比，使Vo平滑地升高，应在U2的两端并联一只软起动电容，容量范围为4.7μF～47μF。在软起动过程中Vo是按照一定的斜率升高的，能对TOP227Y起到保护作用。

改变高频变压器的匝数比和U2的稳压值，还可获得其他输出电压值。R7为12V输出提供一个假负载，用以提高轻载时的负载调整率。其实本设计中可以不用这个R7，可以在安装元件时把它换成滤波电容。

实际制作

PCB设计

[小常识] 开关电源PCB排版的要点

1.旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容并联能改善电容的阻抗特性；

2.电感的并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好；避免在底层上放置任何功率或信号走线；

3.高频环路的面积应尽可能减小；

4.过孔放置不应破坏高频电流在底层上的路径；
5.系统板上不同电路需要不同接地层，不同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接；

6.控制芯片至上端和至下端场效应管的的驱动电路环路要尽量短；

7.开关电源功率电路和控制信号电路元器件需要连接道不同的接地层，这两个地层一般都是通过单点相连接。

利用感光板制作

正在腐蚀中... ...

腐蚀完毕

涂阻焊层，制作丝印层，钻孔，焊接，制作成品。

以下两部分电路是预留调试用的，没有安装元件。

R8和C4构成能量吸收回路，他们的设计决定着钳位保护电路的类型

R11和C8构成缓冲电路，但是取值不当会引起更大的振荡。

由于没有示波器，无法测量输出波纹有多大，也没有设备去测量噪声如何。只是用万用表测量空载输出12.29V,连接手机充电板，给手机充电从30%直至充满没有问题。

后记：
制作成功的关键：一是变压器的设计制作（该公司有专门的设计软件，可惜已经不支持II系列了）。我这里用的是一个现成二手的旧变压器。另外就是PCB的设计很重要，自己去设计时才发现这里的学问太多了，学无止境啊！
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变压器绕制方法.pdf (921.63 KB, 下载次数: )

基于TOP224的反激变流器反馈电路的优化设计.pdf (562 KB, 下载次数: )

开关电源纹波的产生与抑制.doc (157 KB, 下载次数: )

反激变压器原理与设计-陈小平.pdf (274.79 KB, 下载次数: )

PCB1.PcbDoc (253.5 KB, 下载次数: )

Sheet1.Sch (127.5 KB, 下载次数: )

开关模式功率整流管MUR620CT.pdf (344.02 KB, 下载次数: )

itfan · 2014-1-8 08:22:02

感谢大家的鼓励和支持！

现把这个电源的 PCB设计和 原理图设计 上传。请多指教！

征头 · 2014-1-9 15:08:58

谢谢楼主，很不错的资料，认真学习了！

征头 · 2014-1-9 15:09:11

谢谢楼主，很不错的资料，认真学习了！

lzu · 2014-1-9 18:21:31

不错，动手能力强，理论分析的不错。顶一个。

略懂略懂 · 2014-1-10 09:18:45

赚点积分,要命！！！

高亮 · 2014-1-11 08:00:42

谢谢楼主学习学习了

yfldcrq4567 · 2014-1-13 09:16:50

顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶

Jason · 2014-1-13 13:05:57

学无止境，可是有些东西没人指导，一直在走弯路。
总是碰壁，有人指导一些，那就再好不过了。

itfan · 2014-1-15 09:47:55

本帖最后由 lsergao 于 2014-1-15 13:40 编辑

                                    尝试测量本开关电源的输出波纹

  自从成功制作了这个开关电源，就有朋友问起输出波纹的问题，因为这是开关电源必然存在的问题。我也非常想知道。但是由于条件所限，一直未能如愿。
  从此心里开始惦记示波器。但这种专业设备对于我这个勉强才能算作刚入门的爱好者来说，其实有点奢侈。所以一直犹豫是不是真的要以测试输出波纹为借口去买一台回来。上淘宝一看，新的买不起，二手的也不便宜，而且质量实在没有保障。于是开始在各个电子论坛闲逛。偶然看到某收音机论坛有网友要出手一台自用（而非专门倒卖）的100MHz双通道模拟示波器TEK2235A，说是9成新，功能都正常，无修，出价也还合理。于是怦然心动！其实不是看中9成新，毕竟这是出厂二、三十年的东西了，而且一直在用，怎么可能9成新呢，主要是看中功能都正常，而且该论坛上有相似型号TEK2235的中文使用说明书。于是网上联系了那位网友，感觉人很好，所以断然决定入手一台！至于花的钱我自己这样安慰自己，我已经戒烟9个月了，省得钱足够了~（其实每次买东西我都拿这个来安慰自己，呵呵）

这是收到的包裹

打开的样子

  收到以后才发现只有主机，于是马上又网购了电源线和探头。等待探头的这段空闲时间正好研究研究模拟示波器的操作方法。
  昨天探头终于到货了，开始实践研究！


这就是TEK2235A

先开机调出CH1的基线。可惜CH2的基线却没能显示出来，长途运输后机器还是出现了故障，万能的快递啊，真心伤不起！

利用机器自身的0.5V/1KHz的方波来校正探头

使波形为标准的方波（避免出现过补偿和欠补偿）

下面开始实战操作（具体方法还不知道是不是合理、正确，只能算作尝试）

  首先要把示波器的耦合方式切换到交流耦合，将示波器与探头切换到*1档，，我直接用的是探头上的接地线，（据说最好不用探头上带的接地线即带鳄鱼夹的线接电源的“-”端或“地”，因为那样会把外界的干扰耦合到示波器内部，造成测量结果不准）。当把直流屏蔽到后，Vpp就是纹波的值。

这是垂直偏转因数 CH1 VOLTS/DIV 设定为50mV  水平时基选择 A&B SEC/DIV 设定为10uS的空载显示结果

这是垂直偏转因数 CH1 VOLTS/DIV 设定为20mV  水平时基选择 A&B SEC/DIV 设定为5uS的空载显示结果

这是垂直偏转因数 CH1 VOLTS/DIV 设定为20mV  水平时基选择 A&B SEC/DIV 设定为2uS的空载显示结果

  很明显波纹周期为10uS ，频率为100KHz，这正是TOY227的开关频率。因为随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它的峰-峰值大约为40mV。
另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。我们在示波器中也看到了类似的高频噪声，不知道是不是这种。它的峰-峰值大约为60mV。
  但是测量时我没有打开20MH在的带宽限制。据专家说打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。

下面开始带载测试

这是一个标称为12V/55W的卤素汽车前照大灯

连接以后测量输出电流

仪表显示输出电流为3.9A

仪表显示输出电压为12.28V ，总计输出功率为47.9W

这是线路连接情况

这是带载后输出的波纹显示。