本文設(shè)計的開關(guān)電源將作為智能儀表的電源，最大功率為10 W,。為了減少PCB的數(shù)量和智能儀表的體積,，要求電源尺寸盡量小并能將電源部分與儀表主控部分做在同一個PCB上,。
考慮10W的功率以及小體積的因素,，電路選用單端反激電路,。單端反激電路的特點(diǎn)是：電路簡單,、體積小巧且成本低,。單端反激電路由輸入濾波電路、脈寬調(diào)制電路,、功率傳遞電路(由開關(guān)管和變壓器組成),、輸出整流濾波電路、誤差檢測電路(由芯片TL431及周圍元件組成)及信號傳遞電路(由隔離光耦及電阻組成)等組成,。本電源設(shè)計成表面貼裝的模塊電源,，其具體參數(shù)要求如下：
輸出最大功率：10W
輸入交流電壓：85～265V
輸出直流電壓／電流：+5V，500mA；+12V,，150mA,；+24V，100mA
紋波電壓：≤120mV
單端反激式開關(guān)電源的控制原理
所謂單端是指TOPSwitch-II系列器件只有一個脈沖調(diào)制信號功率輸出端一漏極D,。反激式則指當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通時,，就將電能儲存在高頻變壓器的初級繞組上，僅當(dāng)MOSFET關(guān)斷時,，才向次級輸送電能,，由于開關(guān)頻率高達(dá)100kHz，使得高頻變壓器能夠快速存儲,、釋放能量,，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。這也是反激式電路的基本工作原理,。而反饋回路通過控制TOPSwitch器件控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比,，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
TOPSwitch-Ⅱ系列芯片選型及介紹
TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏極(D)與內(nèi)部功率開關(guān)器件MOSFET相連,，外部通過負(fù)載電感與主電源相連,，在啟動狀態(tài)下通過內(nèi)部開關(guān)式高壓電源提供內(nèi)部偏置電流，并設(shè)有電流檢測,?？刂茦O(C)用于占空比控制的誤差放大器和反饋電流的輸入引腳，與內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器連接,，提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流,，同時也是提供旁路、自動重起和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn),。源極(S)與高壓功率回路的MOSFET的源極相連,，兼做初級電路的公共點(diǎn)與參考點(diǎn)。內(nèi)部輸出極MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線性下降,，控制電壓的典型值為5.7 V,，極限電壓為9 V，控制端最大允許電流為100 mA,。
在設(shè)計時還對閾值電壓采取了溫度補(bǔ)償措施,，以消除因漏源導(dǎo)通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流變化。當(dāng)芯片結(jié)溫大于135℃時,，過熱保護(hù)電路就輸出高電平,，關(guān)斷輸出極。此時控制電壓Vc進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式,，Vc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波．若要重新啟動電路,，需斷電后再接通電路開關(guān)，或者將Vc降至3.3V以下，再利用上電復(fù)位電路將內(nèi)部觸發(fā)器置零,，使MOSFET恢復(fù)正常工作,。
采用TOPSwitch-Ⅱ系列設(shè)計單片開關(guān)電源時所需外接元器件少，而且器件對電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少,，故設(shè)計十分方便,，性能穩(wěn)定，性價比更高,。
對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率,。由設(shè)計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入,，輸出功率不大于10W,，故選擇TOP222G。
電路設(shè)計
本開關(guān)電源的原理圖如圖1所示,。
電源主電路為反激式,，C1、L1,、C2,，接在交流電源進(jìn)線端，用于濾除電網(wǎng)干擾,，C5接在高壓和地之間,，用于濾除高頻變壓器初、次級后和電容產(chǎn)生的共模干擾,，在國際標(biāo)準(zhǔn)中被稱為"Y電容",。C1跟C5都稱作安全電容，但C1專門濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾,，被稱為"X電容",。
為承受可能從電網(wǎng)線竄入的電擊，可在交流端并聯(lián)一個標(biāo)稱電壓u1mA為275V的壓敏電阻VSR,。
鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間,，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生尖峰電壓UL，另外,，在原邊上會產(chǎn)生感應(yīng)反向電動勢UOR,，二者疊加在直流輸入電壓上。典型的情況下,，交流輸入電壓經(jīng)整流橋整流后,，其最高電壓UImax=380V,，UL≈165V,，UOR=135V，貝UOR+UL+UOR≈680V。這就要求功率MOSFET至少能承受700V的高壓,，同時還必須在漏極增加鉗位電路,，用以吸收尖峰電壓，保護(hù)TOP222G中的功率MOSFET,。本電源的鉗位電路由D2,、D3組成。其中D2為瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)P6KE200,，D3為超快恢復(fù)二極管UF4005,。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，原邊電壓上端為正,，下端為負(fù),，使得D3截止，鉗位電路不起作用,。在MOSFET截止瞬間,，原邊電壓變?yōu)橄露藶檎隙藶樨?fù),，此時D1導(dǎo)通,，電壓被限制在200V左右。
輸出環(huán)節(jié)設(shè)計
以+5V輸出環(huán)節(jié)為例,，次級線圈上的高頻電壓經(jīng)過UF5401型100V／3A的超快恢復(fù)二極管D7,，由于+5V輸出功率相對較大，于是增加了后級LC濾波器,，以減少輸出紋波電壓,。濾波電感L2選用被稱作"磁珠"的3.3μH穿心電感，可濾除D7在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲,。
對于其他兩路輸出,，只需在輸出端分別加上濾波電容。其中R3,、R4分別為輸出的假負(fù)載,，它們能降低各自輸出端的空載和輕載電壓。
反饋環(huán)節(jié)設(shè)計
反饋同路主要由PC817和TL431及若干電容,、電阻構(gòu)成,。其中U2為TL431，它為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器,，利用電阻R5,、R6分壓獲得基準(zhǔn)電壓值。通過調(diào)節(jié)R5,、R6的值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓值,。C8為TL431的頻率補(bǔ)償電容,，可以提高TL43l的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。C7為軟啟動電容,，取C7=22μF時可增加4ms的軟啟動時間,，在加上TOP222G本身已有的10ms軟啟動時間，則總共為14ms,。
U3為PC817型線性光耦合器,，其電流傳輸比(CTR)范圍為80％～160％，,，能夠較好地滿足反饋回路的設(shè)計要求,，而目前國內(nèi)常用的4N25、4N26屬于非線性光耦合器,，不宜采用,。反饋繞組上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D4、C9整流濾波,，獲得非隔離式+12V輸出,，為PC817接收管的集電極供電。由于反饋繞組輸出電流較小,，次級采用D4硅高速開關(guān)管1N4148,。光耦PC817能將+5V輸出與電網(wǎng)隔離，其發(fā)射極電流送至TOP222G的控制端,，用來調(diào)節(jié)占空比,。
C3為控制端旁路電容，它能對控制回路進(jìn)行補(bǔ)償并設(shè)定自動重啟頻率,。當(dāng)C3=47μF時,，自動重啟頻率為1.2Hz，即每隔0.83s檢測一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除,，若確認(rèn)已被排除,，就自動重啟開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。
R2為PC817中LED的外部限流電阻,。實(shí)際上除了限流保護(hù)作用外,，他對控制回路的增益也具有重要影響。當(dāng)R2改變時,，會依次影響到下列參數(shù)值：IF→IC→D→UO,，也就相當(dāng)于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。
下面簡要分析一下反饋回路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的工作原理,。當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動且變化量為UO時,，通過取樣電阻R5、R6分壓后,，就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應(yīng)的變化,，進(jìn)而使PC817中LED的工作電流IF改變,，最后通過控制端電流IC的變化量來調(diào)節(jié)占空比D，使UO產(chǎn)生相反的變化,，從而抵消UO的波動。上述穩(wěn)壓過程可歸納為：
UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最終使UO不變,。
其余各路輸出未加反饋,，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)來確定。
變壓器設(shè)計
變壓器的設(shè)計是整個電源設(shè)計的關(guān)鍵,，它的好壞直接影響電源性能,。
磁芯及骨架的確定
由于本文選用漆包線繞制，而且EE型磁芯的價格低廉,，磁損耗低且適應(yīng)性強(qiáng),，故選擇EE22，其磁芯長度A=22mm,。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊中可查得磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2,，有效磁路長度1=3.96cm，磁芯等效電感AL=2.4μH／匝2,，骨架寬度b=8.43mm,。
確定最大占空比Dmax
根據(jù)公式：
其中，UOR=135V,，直流輸入最小電壓值UImin=90V,，MOSFET的漏-源導(dǎo)通電壓UDS(ON)=10V，代入上式得：Dmax=64.3％,，接近典型值67％,。Dmax隨著輸入電壓的升高而減小。
計算初級線圈中的電流
輸入電流的平均值IAVG為：
初級峰值電流IP為：
其中,，KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值,，當(dāng)電壓為寬范圍輸入時，可取0.9,。將Dmax=64.3％代入得,，IP=0.518A。
確定初級繞組電感LP
其中,，損耗分配系數(shù)Z=0.5,，IP=0.518A，KRP=0.4,，PO=10W,，代入得：LP≈1265μH。
確定繞組繞制方法
并計算各繞組的匝數(shù)
初級繞組的匝數(shù)NP可以通過下式計算：
其中,，磁芯截面積SJ=0.41cm2,，磁芯最大磁通密度BM=60,，IP=0.518A，LP≈1265μH,，代入可得NP=26.6,，實(shí)取30匝。
次級繞組采用堆疊式繞法,，這也是變壓器生產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的方法,，其特點(diǎn)是由5V繞組給12V繞組提供部分匝數(shù)，而24V繞組中則包含了5V,、12V的繞組和新增加的匝數(shù),。堆疊式繞法技術(shù)先進(jìn)，不僅可以節(jié)省導(dǎo)線,，減小線圈體積,，還可以增加繞組之間的互感量，加強(qiáng)耦合程度,。以本電源為例,，當(dāng)5V輸出滿載而12V和24V輸出輕載時，由于5V繞組兼作12V,、24V繞組的一部分,，因此能減小這些繞組的漏感，可以避免因漏感使12V,、24V輸出電路中的濾波電容被尖峰電壓充電到峰值,，即產(chǎn)生所謂的峰值充電效應(yīng)，從而引起輸出電壓不穩(wěn)定,。這里將5V繞組作為次級的始端,。
對于多輸出高頻變壓器，各輸出繞組的匝數(shù)可以取相同的每伏匝數(shù),。每伏匝數(shù)nO可以由下式確定：
其單位是匝／VO將NS取5匝,，UO1=5V，UF1=0.4V(肖特基整流管導(dǎo)通壓降)代入上式得到nO=0.925匝／V,。
對于24V輸出,，已知UO2=24V，UF2=0.4V,，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925 匝／V×(24V十0.4V)=22.57匝,，實(shí)取22匝。
對于12V輸出,，已知UO3=12V,，UF2=0.4V，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925匝／V ×(12V+0.4V)=11.47匝,，實(shí)取11匝,。
對于反饋繞組,，已知UF=12V，UF3=0.7V(硅快速恢復(fù)整流二極管導(dǎo)通壓降),，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925匝／V×(12V+0.4V)=11.47匝,，實(shí)取11匝。
確定初／次級導(dǎo)線的內(nèi)徑
首先根據(jù)初級層數(shù)d,、骨架寬度b和安全邊距M,，利用下式計算有效骨架寬度bE(單位是mm)：
bE=d(b-2M) (7)
將d=2，b=8.43mm,，M=0代入上式可得bE=16.86mm,。
利用下式計算初級導(dǎo)線的外徑(帶絕緣層)DPM：
DPM=bE／NP (8)
將bE=16.86mm,，NP=78匝代人得DPM=0.31mm,，扣除漆皮厚度，裸導(dǎo)線內(nèi)徑DPM=0.26mm,。與直徑0.26mm接近的公制線規(guī)為0.28mm,，比0.26mm略粗完全可以滿足要求，而0.25mm的公制線規(guī)稍細(xì),，不宜選用,。而次級繞組選用與初級相同的導(dǎo)線，根據(jù)電流的大小,，采用多股并繞的方法繞制,。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)
該開關(guān)電源的輸人特性數(shù)據(jù)見表1，在u=85～245V的寬范圍內(nèi)變化時,，主路輸出UO1=5V(負(fù)載為65Ω)的電壓調(diào)整率SV=±0.2％,，輸出紋波電壓最大值約為67mV；輔助輸出UO2=24V(負(fù)載為250Ω),，輸出紋波電壓最大值約為98mV,；輔助輸出UO3=12V(負(fù)載為100Q)，輸出紋波電壓最大值約為84mV,。
