浙江海洋学院本科生毕业论文

一种BUCK型开关电源的研究与设计

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(浙江海洋学院 机电工程学院，浙江 舟山 316000)

摘 要

虽然开关电源起步比较晚，但是在近几十年电力电子技术飞速发展的推动下，使得开关电源的到了飞速的发展。由以前几十千HZ的频率到现在的几百千HZ，由以前得低效率到现在的高效率（最高可以达到95%），开关电源的功率也在不断的加大。这些变化使得开关电源在邮电通讯、仪表仪器、工业设备、医疗器械、家用电器等等领域应用十分广泛。

论文在研究开关电源发展现状及趋势的基础上，参考TOP221P在开关电源中的应用，分析了三种基本的拓扑结构芯片的工作原理，说明了高频变压器的设计方法。最终提出了基于TOP221P以及PC817A的BUCK型开关电源的设计。

关键词：开关电源；TOP221P；拓扑结构；变压器

I

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Abstract

Although switching power supply started quite late, but in recent decades, power electronic technology rapid development, makes the retreat move of switch power supply to rapid development. By previously dozens of thousands of hundreds of thousands HZ to now HZ, by previously gets lower efficiency to the present high efficiency (up to 95%), switching power supply power is also in constant increase. These changes make switching power supply in telecommunications, instrument, industrial equipment, medical equipment, household appliances etc widely used.

Based on the research on modern power supply technology, the reference in the application of switch power supply TOP221P . Analysis of these three basic topological structure and working principle of the chip. Explains the design method of the high frequency transformer. And then the paper puts forward the TOP221P and the BUCK PC817A based on the type of switch power design.

Keywords: switch power;TOP221P; Topological structure; transformer

II

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目录

一、 绪论 ........................................................... 1

1.1、开关电源的研究背景与意义 ................................... 1 1.2开关电源的发展趋势 ........................................... 1 二、开关电源的基本拓扑结构 .......................................... 4

2.1 BUCK开关型调整器 ............................................ 4 2.1.1 BUCK调整器的基本工作方式 .................................. 5 2.1.2 BUCK调整器的主要电流波形 .................................. 6 2.2 BOOST开关调整器拓扑 ......................................... 6 2.2.1 BOOST开关调整器的基本原理 .............................. 6 2.2.2 BOOST调整器的不连续工作模式 ............................ 7 2.2.3 BOOST调整器的连续工作模式 .............................. 8 2.3 BUCK-BOOST型拓扑结构 ....................................... 10 2.3.1 BUCK-BOOST型拓扑结构的工作过程分析 .................... 10 2.3.2电流连续相关的各种工作模式 ............................. 10 2.3.3 电压增益比 ............................................ 11

三、开关电源中的高频变压器设计 ..................................... 12

3.1 设计概述 ................................................... 12 3.2 磁芯的几何尺寸确定 ......................................... 12 3.3 变压器初级绕组匝数及电感量的独立设计 ....................... 13 3.4 开关电源变压器简略设计的步骤 ............................... 14 四、基于TOP221P以及PC817A的开关电源设计 .......................... 16

4.1 TOPSwitch器件简介 .......................................... 16 4.1.1 封装形式 .............................................. 16 4.1.2 性能特点 .............................................. 17 4.1.3 TOPSwitch-Ⅱ的工作原理 ................................ 17 4.2电源设计 .................................................... 18 结论 ............................................................... 21 致谢 ............................................................... 22 [参考文献] ......................................................... 23

III

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一、 绪论

1.1、开关电源的研究背景与意义

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通与关断的时间比率，从而维持输出电压稳定的一种电源。它从上个世纪90年代以来相继进入了各种电子及电器设备领域。计电子检测设备、控制设备以及计算机等电源都已广泛的使用了开关电源。正是因为其高效节能所带来的巨大经济效益，使得开关电源引起了社会各界的重视并得到了迅速的发展。

其实，就源头而言，开关电源已经有着40多年的发展历史。但由于技术的限制，早期的开关电源并没有受到人们的青睐。过低的效率以及过高的成本，一直是压在开关电源发展上的两座大山。

自70年代开始，各种分立元件“各自为政”，多种开关电源也应运而生，可无一例外的，均受限效率太低、开关频率太低、电路复杂度过高以及相对昂贵的成本。

真正的发展应当是70年代以后。自1947年的第一只晶体管的出现和1958年的第一块集成电路的发明到现在的半个世纪里，依据摩尔定律，集成电路得到了迅猛的发展。随着集成电路设计与制造技术的进步，实现了将驱动、保护、控制、检测电路封装在一个模块内，从而减小了外部的焊接、连线，大大提高了系统的稳定性。也正是因为集成化、模块化的发展为实现电源的小体积、高可靠性带来了可能，各种开关电源的专用芯片也大量问世。开关电源更是逐渐被应用于通信、计算机等各个领域之中。

之后，随着微电子技术的不断更新进步，集成度更高，功能更强大的大规模集成电路相继问世，使集成电路技术有了明显的提高，同时又一次为开关电源的发展提供了广阔的空间。更使得诸如便携式通信产品之类曾经的奢侈品日益走进了人们的生活，显而易见的便是手机、笔记本电脑的普及。另一方面，高新技术对系统的稳定性及成本提出了更高的要求，所以SOC（系统单片集成）的概念被提出，即要求系统的功能可以再制作芯片上的功能块完成。同时，如果减小电源体积、提高电源频率以及体积减小、频率提高以后的后续问题，也成为了开关电源进一步发展路上必须要克服的问题。

便携式电子设备大多采用单电池供电，但电池放电的特性曲线不平坦，负载上得到的电压岁电池使用时间下降，这也影响了整个系统的系能。在便携式通信及计算机产品电路设计中，为平衡功耗、速度以及噪声等特性，通常采用电压供电技术。为了获得稳定的输出电压，便在电池和负载之间介入一个或多个电压调整器。随着电子产品在电子领域所占份额的增长，电源集成电路产业正在以惊人的速度发展，目前已成为IC产业中最热门的研究和生产方向之一。

就在几年前，国内电源市场还处于被国外品牌占据的情况，然而随着国内的技术进步以及生产规模的扩大，进口中小功率模块电源已快速被国产产品所替代。在此前提下，开关电源的研究更显得意义重大。

1.2开关电源的发展趋势

随着电子设备的飞跃发展，电子系统的心脏——电源也得到了迅速的发展，对其的要求也越来越高。如今电子产品的故障中，大约有60%都是由电源引起的。毫不夸张的说，电源的性能优劣直接关系着电子设备能否能安全有效的工作。就目前而言，移动信息设备（如手机、

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