开关电源设计与原理(6篇)
时间：2024-04-23
时间：2024-04-23
关键词：开关电源；TOP249Y；脉宽调制；TOPSwitch
1引言
随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司POWERIntegrationInc开发的TOPSwitch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用TOPSwitch的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。
2TOP249Y引脚功能和内部结构
2．1TOP249Y的管脚功能
TOP249Y采用TO－220－7C封装形式，其外形如图1所示。它有六个管脚，依次为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。各管脚的具体功能如下：
控制端C：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流IC的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。
线路检测端L：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA。若L端与输入端接入的电阻R1为1MΩ，则欠压保护值为50VDC，过压保护值为225VDC。
极限电流设定端X：外部电流设定调整端。若在X端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。
源极S：连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。
开关频率选择端F：当F端接到源极时，其开关频率为132kHz，而当F端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即66kHz。
漏极D：连接内部MOSFET的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。
2．2TOP249Y的内部结构
TOP249Y的内部工作原理框图如图2所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器（PWM）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。
3基于TOP249Y的开关电源设计
笔者利用TOP249Y设计了一种新型多路输出开关电源，其三路输出分别为5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，电路原理如图3所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流110V～240V，输出总功率为180W。由此可见，选择TOP249Y能够满足要求。
3．1控制电路设计
该电路将X与S端短接可将TOP249Y的极限电流设置为内部最大值；而将F端与S端短接可将TOP249Y设为全频工作方式，开关频率为132kHz。
图2
在线路检测端L与直流输入Ui端连接一2MΩ的电阻R1可进行线路检测，由于TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA，因此其欠压保护工作电压为100V，过压保护工作电压为450V，即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出了该电压范围，TOP249Y将自动关闭。
3．2稳压反馈电路设计
反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用“光耦＋TL431”，它可以将输出电压变化控制在±1％以内，反馈电压由5V／12A输出端取样。电压反馈信号U0通过电阻分压器R9、R11获得取样电压后，将与TL431中的2．5V基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光耦改变TOP249Y的控制端电流IC，再通过改变占空比来调节输出电压U0使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经D2、C2整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。R4、C4构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时，也能保持稳定，调节电阻R6可改变输出电压的大小。
3．3高频变压器设计
由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。
高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂，为减轻设计者的工作量，美国功率公司为TOPSwitch开关电源的高频变压器设计制作了一套EXCEL电子表格，设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器。
3．4次级输出电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ESR等效串联阻抗的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级LCC滤波环节。
3．5保护电路设计
本电源除了电源控制电路TOP249Y本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外，其控制电路也应有一定的保护措施。用D3、R12、Q1可构成一个5．5V的过压检测保护电路。这样，当5V输出电压超过5．5V时，D3击穿使Q1导通，从而使光耦电流增大，进而增大了控制电路TOP249Y的控制端电流IC，最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值。
图3
为防止在开关周期内，TOP249Y关断时漏感产生的尖峰电压使TOP249Y损坏，电路中设计了由箝压齐纳管VR1、阻断二极管D1、电容C5、电阻R2、R3组成的缓冲保护网络。该网络在正常工作时，VR1上的损耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承担；而在启动或过载时，VR1即会限制内部MOSFET的漏极电压，以使其总是处于700V以下。
4电源性能测试及结果分析
根据以上设计方法，笔者对采用TOP249Y设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。实测结果表明，该电源工作在满载状态时，电源工作的最大占空比约为0．4，电源的效率约为90％，纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。
1.1原理说明
项目要求在原车型上进行拓展开发，按照校车的法规要求，主要有以下几点：
①新增电磁式电源总开关，上15电后，再通过触发电源开关，接通起动开关，通过应急开关提供15电给ECU使整车起动。
②采用带锁扣（防止驾驶员误操纵）的应急开关。未按下应急开关时，所有灯光及其报警指示同普通型。当按下应急开关时，通过应急开关提供15电给ECU的46脚，使发动机正常起动，并同时提供电源给电源开关继电器和应急开关继电器（采用转换型继电器），车厢顶灯通过顶灯开关提供的15电正常工作。
③当应急开关拨开锁扣同时按下时，通过应急开关断开ECU的46脚的15电，使发动机立即熄火；应急开关继电器线圈端无15电，但可通过应急开关继电器的常闭触点和应急开关接通30D电给车厢顶灯，起动车内应急照明，方便乘客下车；报警继电器1（常开型继电器）的线圈端得电，继电器的开关端接通，使其接通车辆危险报警信号而使得左右所有的转向灯工作。
1.2设计过程出现的故障
1）故障现象初期设计未采用D1和D2二极管进行隔断。整车起动，按下应急开关后发动机迅速熄火、车厢顶灯亮、危险报警信号灯全亮，功能符合法规要求。但当整车起动，综合（转向）开关工作时，所有的危险报警信号灯全亮。
2）故障原因综合（转向）开关接通闪光继电器的输出端，而报警继电器1通过紧急灯开关接通了15电，并通过线路传输到报警继电器1的线圈端，使得危险警报信号灯全部工作。
3）改进方向增加反向二极管，这样有利于截止电源在转向的情况下提供给报警继电器1，同时需要考虑当应急开关工作时，避免通过紧急灯开关串通15电与30D。当然在选择二极管的时候，需要根据电流的大小，选择合适的二极管，否则容易击穿二极管，导致其他故障。
2校车上应急功能电路设计方案二
2.1原理说明
电磁式电源总开关、电源开关、应急开关的设计同方案一。为了截止通过紧急灯开关的15电及防止应急情况下15电和30D串电，考虑增加报警继电器2和报警继电器3隔开紧急灯开关提供的15电和30D，具体设计原理见图4。
2.2设计可能出现的故障
1）故障现象当整车在起动且顶灯开关按下时，其它15电上的用电器工作，再按应急开关，则会熔断顶灯开关F11熔断丝（5A）。
2）故障原因设计人员在原产品的基础上开发产品，忽略了顶灯开关和应急开关会存在15电和30D串电的情况，而只单纯考虑了功能的实现。
3）改进方向用一个转换型继电器（如图4中的应急开关继电器），将其应急开关工作情况下，直接给白顶灯提供30D。而在应急开关不工作、顶灯开关工作的情况下，提供顶灯15电，这样就不会串电。
3结束语
关键词：项目教学法；电源技术；项目实施
中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）10-0071-02
一、引言
《电源技术》是高职高专电子类专业的一门重要的专业课，它具有较完善的理论体系和较强的实践性，其教学任务是使学生掌握电源技术的基础知识、熟悉几种典型电源的工作原理、掌握DC/DC基本电路的设计方法，为今后的学习和研究打下基础。传统的教学方式采用老师讲解为主、学生听课为辅的教学方法，使学生只能被动地、抽象地接受理论知识，不利于提高学生的实践能力、自学能力和创造能力。为了提高学生的动手能力，提高教学效果，在《电源技术》教学中采用项目教学法，通过多个难度循序渐进的项目，使学生更好地掌握理论知识的同时，提高实践能力。
项目教学法的特点：
1.以项目为主线，重组知识体系，把电源技术的基础知识和典型工作过程穿插到每个项目中，让学生在实际操作中进一步理解和掌握，提高他们的学习主动性。
2.加强职业规范性培养。在电路设计、画原理图、PCB图、制版、焊接电路中加强规范性要求，达到与社会接轨。
3.加强职业能力培养。把电子类高职专业的职业技能要求穿插在每个项目中，进一步提高学生的职业能力，为今后更好地适应社会打下基础。
项目教学法是通过实施一个完整的“项目”，由学生在一定的时间范围内独立组织和实施工作的教学方法。这个过程是师生共同围绕一个项目任务去发现问题并解决问题的过程，整个过程分为几个具体的步骤实施，其中分析问题、方案设计、项目实施及最终评价，都以教师为主导、学生为主体协作完成。学生以项目任务为目标，制定相关的实施计划，通过该项目掌握电源技术知识，并通过实际动手操作提高分析和解决问题的能力，提升职业技能。
二、项目教学法在《电源技术》课程中的实施
1.项目的制定。下面以“开关稳压电源”为例说明《电源技术》课程项目教学的实施过程。项目名称：开关稳压电源设计。项目描述：设计并制作如图1所示的开关稳压电源。
在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：（1）输出电压U0可调范围：30V～36V。（2）最大输出电流I0max：1A。（3）U2从18V变到21V时，电压调整率：Su≤2%。（4）I0从0变到1A时，负载调整率SL≤5%（U2=18V）。（5）输出噪声纹波电压峰-峰值U0PP≤1V（U2=20V，U0=36V，I0=1A）。（6）DC-DC变换器的效率n>70%（U2=20V，U0=36V，I0=1A）。（7）具有过流保护功能，动作电流I0（th）=1.3+0.2A。教学目标：要求学生掌握PWM控制模式、DC/DC升压电路的工作原理、电源技术的主要指标，掌握画原理图和PCB图，制版、焊版、调试等职业技能能力。项目课时：24学时。学生分组：学生分组在项目教学法中是一件很重要的工作，组员的搭配、工作的分工等直接影响学生学习的效果。根据学生的学习能力、动手能力、性别等采用互补方式进行搭配。每组一般为3～4人，每组设一名组长，全面负责项目的实施，并针对各个成员的能力不同进行内部分工，同时协调各成员的工作，从而培养学生的团队协作能力。
2.项目的实施过程。（1）项目设计。根据项目设计要求，结合电源技术内容，教师引导学生进行任务分析，共同得出开关稳压电源电路框图，如图2所示。电路主要由以下几个部分组成：DC/DC主电路、驱动电路、控制电路、滤波电路、保护电路等组成。
主电路DC/DC模块：根据项目设计要求，主电路采用BOOST型DC/DC升压方式，如图3所示，其使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率，也容易使开关管损坏。
驱动电路：根据项目设计要求，需要宽范围调节BOOST升压适合本项目的DC/DC拓扑结构，利用UC3824芯片作为核心，该芯片抗电压波动能力强，并可使负载调整率得到明显改善，采用可调电平与可调三角波比较的方式产生PWM波作为驱动信号，模块元件较多，但调节范围宽，可移植性好，扩展能力强，而且其频响特性好稳定裕度大，过流限制特性好，具有过流保护和欠压锁定功能，对系统的控制更为方便。控制电路：本项目采用硬件反馈的方式实现电压控制。输出电压的采样信号通过电位器改变采样回路的上下电阻比值来调整，采样信号与基准信号在误差放大器中比较，产生直流电平改善输出PWM波的占空比从而达到稳定输出电压的作用。该电路简单，容易实现项目要求，便于学生理解吸收。滤波电路：对于高职高专学生来说，滤波电路的设计要求太高，这里不做要求，只是根据经验采用电容滤波。保护电路：出于保证不减小电源输出功率的目的，在加负载的条件下将原边电流以电压的形式准确地反映在一个LM393比较器上，当开关电源的输出电流超过规定值时，感应电压通过迟滞比较器与预置的基准电压比较后翻转，同时使uc3842内部电路进行脉宽调整，场效应管接收到uc3842动作后就自动断开负载，起到保护作用。提高电路工作效率设计：在DC/DC变换电路中，主要消耗功率的元件有主回路的开关管、快恢复二极管、储能电感等部件。目前对电源的工作效率要求越来越高，根据本项目要求主要采用以下两种措施：①采用低内阻的高效率MOSFET作为主回路的开关元件，本项目中采用了IRF640。②采用高速低正相压降的快恢复二极管降低其功耗，本项目中采用了FR157。（2）电路工作原理。在学生实施项目过程中，难免有些学生会因为对电路工作原理没有完全掌握，在设计或者调试过程出现重大问题，导致项目失败。因此，在学生设计好方案以后，可结合参考电路对整个项目的设计方案工作原理进行一次讲解。项目主要工作原理：本项目采用UC3842作为控制核心固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，通过对输出电压不断地采样，反馈输出变化，调整负载电阻R1、R2的比例来改变占空比使输出稳定，并具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。项目加入输入过压、输入过流、输出过流等保护电路，以保证系统稳定可靠地工作。（3）项目的评估。对于项目教学法来说，一个项目的评估是一个至关重要的步骤。本项目最后采用的是学生自评、小组互评和教师评估三种结合模式。在学生自评过程中，学生能进一步回顾整个项目设计实施过程，总结经验、加深知识和技能的掌握。在学生互评过程中，学生能通过对别人的项目设计实施过程了解，对比自己在整个过程的优缺点，取长补短。在教师评估过程中，能全面了解在该项目实施过程中存在的问题，并得以解决，为今后进一步学习打下基础。
三、教学总结
通过教学实践证明，项目教学法在《电源技术》教学中的应用效果显著。它大量减少了学生学习抽象的理论知识时间，把理论知识通过项目载体变得形象化，做到“学中做、做中学”，明显提高了学生的学习兴趣，培养了学生自学能力、独立思考能力和动手能力，也提高了课堂的教学质量和教学效率。但在此过程中仍然会发现一些问题：
1.根据学生的学习能力不同，项目进度会有所差异，尤其优等生和差生之间。针对这一情况，在此项目的基础上增加自主发挥部分，把项目要求进一步提高。
为了弥补以上不足，本文提出在课程教学中引入SIMetrix仿真工具。借助该仿真软件，学生更容易理解理论知识，还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用，从而激发学习的兴趣并增强实践能力。
一、SIMetrix仿真软件介绍
SIMetrix/SIMPLIS是一款用于优化设计电力电子电路的高级仿真工具，是由美国Transim公司开发的软件包，具有优秀的收敛性能和仿真速度，小信号分析方面独具优势，非常适合于开关电源产品的验证、分析、设计和开发。其内部提供了两种仿真模式——SIMetrix和SIMPLIS，其中SIMetrix包含了一个增强型SPICE仿真器、原理图编辑器和波形显示器，与其它通用仿真软件相比，SIMetrix具有以下特点：[1，2]
特点一：包含丰富的器件模型。模型库不仅包含了理想的电路元件，同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的集成电路控制芯片，在此基础上足以构建完整的开关电源系统。
特点二：先进的测量功能。波形可通过选择检测器然后点击原理图生成，或在原理图上放入固定的检测器生成，可在仿真后甚至仿真时查看波形，非常方便。
特点三：强大的波形处理功能。为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数，选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。
特点四：具有多种分析功能。包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等，每种分析功能下又提供多种扫描模式，如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。
此外，SIMetrix仿真软件的仿真结果与实际非常接近，用户图形界面友好，仿真直观，使用者容易掌握。
二、基于UC3842的反激电路仿真实例分析
反激变换器具有高可靠性、高效率、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点，是小功率开关电源的理想电路拓扑。UC3842是SIMetrix仿真工具模型库自带的集成芯片，其器件少、性能良好、价格低廉。综上所述，以UC3842控制的反激电源为仿真实例，电路简单且具有代表性，满足初学者的基本学习要求，具体的仿真电路如图1所示。
1.仿真电路原理
（1）主电路原理。交流输入电压经D1-D4组成的桥式整流及电解电容C1滤波后变成脉动直流电压。该直流电压由功率开关管Q1以很高的工作频率通断，将直流电变换成高频脉冲施加在变压器TX1的初级绕组上，然后由次级绕组输出。当开关管Q1导通时，变压器初级绕组有电流通过并且线性增加，施加在初级绕组上的电压为上正下负，使次级绕组产生下正上负的感应电动势，二极管D5承受反向偏压截止，次级绕组电流为零，变压器储能，这时负载由电容C2放电提供能量。当开关管Q1关断时，初级绕组的磁通量减小，为了维持电流不变而产生下正上负的感应电动势，次级绕组变成上正下负，D5导通，存储在变压器中的能量给C2充电并向负载供电。辅助绕组工作过程与次级绕组相同，一方面经过D6整流、C3滤波后为UC3842供电，另一方面经D7整流、C4滤波后为其提供反馈信号。由于反激变换器不可以空载，所以辅助绕组接假负载R3。最后，在次级绕组和辅助绕组对应输出稳定的12V和15V直流电压。
（2）控制电路原理。[3]交流输入经过整流滤波得到直流电压，通过电阻R1降压后给电容C3充电，当Vp端电压达到启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由Vout端输出推动开关管Q1工作。芯片启动后，工作电压由辅助绕组提供。同时，辅助绕组的输出经过R8和R9分压反馈到Vfb端。当电源电压或负载变化引起输出电压变低时，Vfb端的反馈电压减小，UC3842输出的PWM波的占空比增加，开关管Q1的导通时间变长，输出电压升高；反之，当输出电压升高时，占空比减小，Q1的导通时间变短，输出电压降低，从而使输出电压保持恒定，实现稳压。电阻R4用于电流检测，将初级绕组的电流转换为电压信号送入UC3842的Sense端，形成电流反馈。当由于某种原因产生过流时，开关管Q1的漏极电流将大大增加，电阻R4两端的电压上升，Sense端的电压也上升，当该端的电压超过正常值达到1V时，Vout端无输出，Q1截止，从而保护电路。Ref端和Osc端外接定时电阻R6和定时电容C6，确定工作频率。Vfb端与Comp端之间接R7和C7补偿电路，用于改善增益和频率特性。R5和C5构成RC滤波电路，削弱电流检测信号中的尖峰脉冲干扰，保证电源正常工作。
2.仿真电路参数设计
本仿真电路的主要技术指标：输入电压Vin：220（1±10%）VAC；输出电压Vo：12V，输出电流Io：2.5A；辅助绕组的输出电压VF：15V，开关频率fs：100kHz；效率η：80%。对应图1的仿真电路，完成所有元件参数的计算和电路的设计。
（1）主电路设计和参数计算。根据文献[4]和[5]，已知交流输入电压的范围，可以计算出经过整流滤波电路输出的直流电压范围是238V～342V，然后计算最大占空比为0.37，由此可得高频变压器的次级绕组和初级绕组的变比为0.09。又根据辅助绕组与次级绕组的电压、变比的关系，可计算得辅助绕组与初级绕组的变比为0.11。由前面的计算值结合电源的功率、效率参数，分别得到初级绕组电流峰值为0.67A，电感值为1.3mH。开关管Q1工作于最大输入电压342V的同时还承受了高频变压器的反向电动势，一般为135V，因此Q1的最大漏极电压约500V，最大漏极电流由上可知为0.67A。由文献[5]和[6]可计算，输入整流桥二极管D1-D4的额定电压应大于427V，额定电流有效值应大于0.76A，输出整流二极管D5的最大反向峰值电压为42.8V，同理可得D6、D7的最大反向峰值电压为53.5V。根据文献[7]，输入滤波电容C1的经验值可用输出功率值瓦特数乘以1uF计算，约等30uF。输出滤波电容C2经计算应大于185uF，为了使滤波效果更好，在此取470uF，同理，C3和C4分别取1uF、10uF。假负载R3的功率按额定功率的5%来设计，其值为150Ω。
（2）控制电路设计和参数计算。[7，8]已知开关频率100kHz，通过UC3842的工作频率计算公式：f=1.72/（RT×CT），可选取定时电阻R6=15kΩ，并计算定时电容C6=1nF。电流检测电阻R4=1/Ipk，其中Ipk为初级绕组电流的峰值，由上可知是0.67A，因此R4=1.5Ω。反馈电路的分压电阻R8和R9可通过公式VF×R8/（R8+R9）=2.5V确定，选取R8=20kΩ，R9=4kΩ。UC3842的启动电流在lmA左右，考虑到启动时间及R1上消耗的功率，实际设计中R1取30kΩ。R5和C5取典型值，分别为1kΩ、470pF。R7和C7的值以电源的闭环传递函数经过补偿后，截止频率位于工作频率的1/5处并且相位裕量约60°为宜，在此分别取15kΩ、1nF。
3.仿真电路搭建步骤
根据以上计算结果，仿真模型的搭建过程及各种参数设置如下：
（1）点击Place＼Passives，选择理想变压器（IdealTransformers）和电路全部的电阻（Resistor[BoxShape]）、电容（Capacitor）。变压器的初、次级绕组数分别选择1和2，定义次级绕组、辅助绕组与初级绕组的比值分别为0.09和0.11，设置初级绕组的电感值为1.3mH，其他参数采用默认值。电阻、电容值可根据前面的计算结果设置。
（2）点击Place＼FromModellibrary，在NMOS中，为功率开关管Q1选择高频特性较好的MOS管IRF840，其电压、电流定额为500V/8A。在Diode中，为输入整流桥二极管D1-D4选择快恢复二极管BY233-600，其电压、电流定额为600V/10A；为输出整流二极管D5选择快恢复二极管mur110，其电压、电流定额为100V/1A；为D6和D7选择快速开关二极管D1N4148，其电压、电流定额为75V/150mA。在PSUControllers中，选择UC3842。
（3）点击Place＼Source，选择多功能电源（UniversalSource），设置波形为正弦波，频率50Hz，峰峰值为622V，其他参数采用默认值。
（4）点击Simulator＼ChooseAnalysis，选择暂态分析（Transient）仿真模式，设置停止时间为20ms，其他参数采用默认值。
三、仿真结果分析
在额定交流输入220V/50Hz、满载的情况下，得到仿真波形如图2所示。6个波形自上而下分别为PWM控制信号、初级绕组电压、直流输出电压、开关管电压、初级绕组电流和次级绕组电流。由波形可知，PWM控制信号的频率约95kHz，占空比为0.32，初级绕组电压范围为-145V～297V，开关管承受最大电压445V，直流输出电压12V，纹波电压约25mV，初、次级绕组电流峰值分别为747mA和8.2A。另外从初、次级绕组电流的关系可知，电源工作在不连续模式。结果表明，本仿真电路参数设计合理，器件选择满足要求，仿真结果与理论基本一致。
四、结论
通过以上简单的仿真实例分析可知，SIMetrix仿真开关电源方便、简单、快捷且仿真模型和与电源实物非常接近。教师在课堂讲授的过程中演示仿真，可使讲解变得生动、形象、直观。与实验相比，仿真不受时间、空间、物质条件限制的同时也更安全，教师应鼓励学生在课后使用，不仅加深对原理知识的掌握，锻炼了实践动手能力，还可以提高他们学习的兴趣和积极性，培养创造能力。因此，SIMetrix仿真软件对该课程教学具有很好的应用价值。
参考文献：
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[3]陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京：电子工业出版社，2012.
[4]李定宣，丁增敏.开关稳定电源设计与应用[M].第二版.北京：中国电力出版社，2011.
[5]程何小，何卫彬.基于TOP224YN的反激式开关电源设计[J].声学与电子工程，2011，（2）：37-39，45.
1引言
随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司POWERIntegrationInc开发的TOPSwitch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用TOPSwitch的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。
2TOP249Y引脚功能和内部结构
2．1TOP249Y的管脚功能
TOP249Y采用TO－220－7C封装形式，其外形如图1所示。它有六个管脚，依次为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。各管脚的具体功能如下：
控制端C：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流IC的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。
线路检测端L：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA。若L端与输入端接入的电阻R1为1MΩ，则欠压保护值为50VDC，过压保护值为225VDC。
极限电流设定端X：外部电流设定调整端。若在X端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。
源极S：连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。
开关频率选择端F：当F端接到源极时，其开关频率为132kHz，而当F端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即66kHz。
漏极D：连接内部MOSFET的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。
2．2TOP249Y的内部结构
TOP249Y的内部工作原理框图如图2所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器（PWM）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。
3基于TOP249Y的开关电源设计
笔者利用TOP249Y设计了一种新型多路输出开关电源，其三路输出分别为5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，电路原理如图3所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流110V～240V，输出总功率为180W。由此可见，选择TOP249Y能够满足要求。
3．1控制电路设计
该电路将X与S端短接可将TOP249Y的极限电流设置为内部最大值；而将F端与S端短接可将TOP249Y设为全频工作方式，开关频率为132kHz。
图2
在线路检测端L与直流输入Ui端连接一2MΩ的电阻R1可进行线路检测，由于TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA，因此其欠压保护工作电压为100V，过压保护工作电压为450V，即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出了该电压范围，TOP249Y将自动关闭。
3．2稳压反馈电路设计
反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用“光耦＋TL431”，它可以将输出电压变化控制在±1％以内，反馈电压由5V／12A输出端取样。电压反馈信号U0通过电阻分压器R9、R11获得取样电压后，将与TL431中的2．5V基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光耦改变TOP249Y的控制端电流IC，再通过改变占空比来调节输出电压U0使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经D2、C2整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。R4、C4构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时，也能保持稳定，调节电阻R6可改变输出电压的大小。
3．3高频变压器设计
由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。
高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂，为减轻设计者的工作量，美国功率公司为TOPSwitch开关电源的高频变压器设计制作了一套EXCEL电子表格，设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器。
3．4次级输出电路设计
输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ESR等效串联阻抗的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级LCC滤波环节。
3．5保护电路设计
本电源除了电源控制电路TOP249Y本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外，其控制电路也应有一定的保护措施。用D3、R12、Q1可构成一个5．5V的过压检测保护电路。这样，当5V输出电压超过5．5V时，D3击穿使Q1导通，从而使光耦电流增大，进而增大了控制电路TOP249Y的控制端电流IC，最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值。
图3
为防止在开关周期内，TOP249Y关断时漏感产生的尖峰电压使TOP249Y损坏，电路中设计了由箝压齐纳管VR1、阻断二极管D1、电容C5、电阻R2、R3组成的缓冲保护网络。该网络在正常工作时，VR1上的损耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承担；而在启动或过载时，VR1即会限制内部MOSFET的漏极电压，以使其总是处于700V以下。
4电源性能测试及结果分析
根据以上设计方法，笔者对采用TOP249Y设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。实测结果表明，该电源工作在满载状态时，电源工作的最大占空比约为0．4，电源的效率约为90％，纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。
关键词：电源电路；555定时器；延时控制
中图分类号：TM131文献标识码：A
在多媒体教学设备中，投影仪将教学内容清晰直观地呈现给学生，是多媒体教学系统的核心，随着使用人数与频率的增多，一些不规范的操作大大减少了投影仪的使用寿命，尤其是投影仪灯泡的使用寿命。因为投影仪内部为大功率灯泡，长时间工作导致内部温度高，正常情况下，投影仪内部有保护电路，关闭投影仪不切断电源时，其内部的散热风扇会继续运转，其温度降低到一定值时，投影仪才能正式关机。如果投影仪内的风扇因断电而停转，灯泡无法及时将余热散尽，导致灯泡内部发光部分元件的物理强度降低，加剧液晶片和电路的老化，严重的直接导致灯泡爆裂。因此，对投影仪断电保护技术的设计具有一定意义。
1.现状分析与总体设计
目前在多媒体教学系统中的投影仪中除爱普生和松下机型当中，有几款有延时降温保护外，其他机型几乎没有，一般都是依靠中控设备来实现对投影机延时供电，来对投影仪降温冷却，以此达到自动保护投影仪的目的。当有些多媒体教学系统中未配置中控设备时，那投影仪关闭后只能人为等待4分钟左右再切断电源，实际情况是大多数老师在上完课后，认为等4分钟左右的时间太麻烦而直接关闭电源，最后导致灯泡损坏、甚至烧坏液晶板，使投影仪的使用寿命大大降低。大多数高等院校，其多媒体教学系统都在100左右，此错误操作定会带来很大的经济损失（灯泡价格在2500左右），同时又将严重影响教学。因此，设备的使用和维护，如何延长设备的使用寿命，这一工作就显得非常重要。
电路要解决的技术问题是提供一种操作简单、能够在切断电源的情况下，可以延时断电的电源控制电路，需要由电源电路、开关电路、延时电路、继电器执行电路组成。
2.电源电路设计
电源部分采用降压变压器降压，桥式全波整流，7812三端稳压电路稳压输出12V直流供电电压，电源部分原理图如图1所示。
一般7812输入电压Ui大于Uo电压3V～5V，才能保证稳压器工作在线性区。若输入电压太小3V则电路不工作，输入电压太高（最高可达35V）则造成稳压器过热，使用寿命降低，故设计降压变压器选220V降到12V变压器，由桥式整流电路两端输入与输出电压关系Uo=0.9Ui，电容C1上两端电压为Uc1=0.9Ui×1.414≈15.3V，其中Ui=12V。该设计的12V直流电源供电电路三端稳压器工作稳定，使用寿命长。
3.555时基电路功能与设计
555定时器是一种多用途数字与模拟混合集成电路，功能主要由两个比较器决定，两比较器的输出电压控制RS触发器与放电管状态。在电源脚与地脚接入电压后，5脚悬空，则电压比较器C1的同相输入端电压为2/3Vcc，C2的反相输入端电压为1/3Vcc。当触发器输入端TR电压小于1/3Vcc，则比较器C2输出为零，RS触发器置1，输出端3脚为0，放电管截止；当C1比较器输入端电压大于2/3Vcc，同时TR端电压大于1/3Vcc，则C1的输出为0，C2输出为1，RS触发器置1，输出端3脚为低电平，放电管导通。555时基电路主要采用555定时器构成的单稳态触发电路，该部分电路原理图如图2所示。
其工作原理自锁开关S按下并自锁后，2脚和6脚输入电位为0，555电路3脚输出高电平；当自锁开关S再次按下后，自锁弹起，2脚和6脚输入电位由Vi决定，设计中Vi为大于2/3Vcc。
4.系统整体设计
4.1电路组成与作用
该电路要解决的技术问题是提供一种操作简单、能够在切断电源的情况下，可以延时断电的电源控制电路。电路主要由电源电路、时基电路、延时电路、继电器执行电路组成，各电路的作用为：（1）电源电路是将220V交流电转变成12V直流，提供后续电路供电电压；（2）时基电路主要由555集成电路T1构成，利用555集成电路3脚输出电压控制开关三极管Q1、Q2的导通状态；（3）延时电路主要由三极管Q1、Q2，电解电容C6、555集成电路T2组成，其作用S联动开关切断后的延时4分钟后切断投影仪电源；（4）继电器执行电路主要由继电器K与续流二极管组成，其作用是S联动开关切断后，延时指示红色发光二极管LED点亮，表明4分钟后继电器执行电路控制主电源开关K1，切断主电源。
4.2电路设计特征
（1）当自锁开关S1按下后，220V/12V变压器输出12V交流电，经过桥式整流，电容C1、C2滤波后为15V，再经过7812稳压成直流12V输出给555时基电路T1、T2供电。
（2）555电路T1的2脚与6脚相连后与电阻R1、R2、自锁开关S2的一端相连，R1、R2串联分压，555电路T1的2脚与6脚电压取自电阻R2，且R2=3K、R1=1K。
（3）开关三极管Q1、Q2设计为开关状态。
（4）555电路T2的2脚与6脚相连后与电解电容C6正极、自锁开关S3的一端相连。
（5）电解电容C6取值为1000uf/25V，电阻R5为可变电阻，阻值2M，通过开关三极管Q2相连。
设计后的延时断电控制电路原理图如图3所示，电路工作原理如下：
（1）当联动开关S1、S2、S3按下并自锁，J2插座及电路得电，555电路T1的2脚与6脚输入电压为0，小于1/3Vcc，555电路T1的3脚输出高电平，三极管Q1导通导致三极管Q2基极电位为0，三极管Q2截止；同理555电路T2的2脚与6脚输入电压为0，小于1/3Vcc，555电路T2的3脚输出高电平，继电器K1得电，开关K1闭合，延时指示电路LED红灯D1点亮。
（2）当投影仪使用完毕，需要切断电源时，按下联动开关S1、S2、S3，由于电解电容C6两端电压不能突变，其正极仍然是0电位，555电路T2的3脚仍输出高电平，继电器开关仍然吸合，J2插座及电路仍然得电；与此同时555电路T1的2脚与6脚输入电压为9V，大于2/3Vcc（8V），555电路T1的3脚输出低电平，三极管Q1截止，其集电极为高电位，三极管Q2导通，电解电容C6充电，充到电压2/3Vcc（8V）时间约为t=1.1RC，延时时间（3分钟～40分钟），设计中延时时间为5分钟；当C6电压充至大于2/3Vcc（8V）时，555电路T2输出低电平，继电器K失电，开关K1断开，插座J2断电。
结语
电路经过测试，电路运行正常，完全达到预定目标，且该电路具有成本低廉、体积小巧，极大地减少因人为操作不当，导致投影仪快速老化和灯泡爆裂。
参考文献
[1]吴庆州，戴新宇.投影仪专用延时断电插座的制作[J].电子世界，2004（8）：61-62.
[2]王丽卿，刘如春.投影仪强制延时自动断电保护器设计[J].职大学报，2012（4）：69-70.
[3]张振国，张军.投影仪延时保护电路[J].中国教育技术装备，2009（40）：48-49.
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