【经验】基于PWM控制芯片的反激式AC-DC开关电源模块设计详解

开关电源以其体积小、变换效率高、重量轻、功耗低等优点，广泛地应用于计算机、通讯设备、家用电器、控制装置等电子设备中。本文芯谷科技将介绍利用PWM控制芯片设计一款反激式AC-DC开关电源模块。芯片内部集成了欠压锁定（UVLO)、过压（OVP)、钳位(CLAMP)、过流（OLP)、过温（OTP）等完善的保护功能。在轻载或空载状态下，芯片进入间隙工作模式(Burst mode) ,这样可减小外围器件MOSFET 的开关损耗和高频变压器的磁芯损耗，提高电源的转换效率，降低系统的待机功耗。为了减少系统的EMI辐射干扰，设计了频率抖动电路，通过微调芯片的工作频率来改变信号的频谱分布，降低电磁干扰的峰值,改善系统的EMI性能。

电源有如人体的心脏，是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标以及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源输出纹波电压很小，稳压性能好，但它必须要使用笨重的工频变压器与电网隔离，并且调整管的功耗比较大，导致电源的体积和重量大、效率低。开关电源(Switching Power Supply）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，其本身消耗的能量很低，转换效率可达到80%~90%，比普通线性稳压电源提高接近一倍。

开关电源是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究及开发高效率、高密度、高可靠、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。60年代出现过品闸管（或称可控硅）相位控制式开关电源。70年代后期随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。

目前，开关频率已从20KHz左右提高到几百KHz至几兆Hz。

随着电力电子技术的高速发展，电力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80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，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、电子检测设备电源、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。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

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，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 

1.开关电源的基本组成

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

开关电源的电路组成方框图如下:

1.1开关电源的控制方式

无工频变压器开关电源的控制方式，大致有以下三种: PWM、PFM以及混合调制。

1.2脉冲宽度调制方式

它简称为脉宽调制(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节输出占空比。由于开关周期是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。但其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能做宽范围调节;另外输出端一般要接假负载（亦称预负载），以防止空载时输出电压升高。

目前，集成开关电源大多采用PWM方式。

1.3脉冲频率调制方式

它简称为脉频调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM)。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节输出占空比。

在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器（如压控振荡器vcO）改变频率。

其稳定原理是:当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。PFM开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端无需接假负载。

tp表示脉冲宽度，T代表周期。从上述两图来判断，我们可以很容易看出两者的区别。但它们也有共同之处：

a)均采用时间比率控制(TRC)的稳压原理，无论是改变tp还是T，最终调节的都是脉冲

占空比。尽管采用的方式不同，但控制目标一致，可谓殊途同归。

b)当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法，

使输出电压保持稳定。

1.4混合调制方式

是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。由于 tp和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。

2.开关电源芯片总体设计方案

2.1反激式离线开关电源设计原理说明

本芯片是用于开关电源的外置高压MOSFET电流模式PWM控制器产品。该电路待机功耗低，启动电流低。在待机模式下，电路进入间歇工作模式，从而有效地降低电路的待机功耗。

电路开关频率为65KHz，同时带抖动的振荡频率，可以获得较低的EMI。内置4ms软启动电路，可以减小在上电过程中变压器的应力，防止变压器饱和。电路内部集成了各种异常状态保护功能，包括欠压锁定，过压保护，过流保护等功能。在电路发生保护以后，电路不断自动重启，直到系统正常为止。

2.2芯片内部框图

2.3管脚定义

2.4管脚描述

3.反激式（5V/1A）开关电源设计

3.1 线路图

3.2 PCB应用图

3.3 BOM表

3.4 变压器raozhiguige

3.5测试参数

3.6测试结果

3.7MOSEFET功率开关管输出波形图

高性能绿色PWM控制芯片正是顺应上述趋势，使用本芯片可以构建利用较少的外围元器件，在宽电压输入范围内灵活设计合理的反激式开关电源。

随着便携式电子设备越来越流行，便于携带的充电器、适配器等相关产品也会越来越受广大消费者青睐，未来开关电源方案势必会向小型化、低成本、高性能、易携带、高可靠性的方向发展。