教学用二维运动平台控制系统设计
论文设计的开关电源为教学用二维运动平台控制系统提供电源。论文介绍了单片开关电源的发展历史和趋势，介绍了TOPSwitch芯片的典型应用方法。
论文介绍了反激式变换器的工作原理和PWM控制原理，对每部分电路的设计都给出了详细的计算方法。设计出一种四路输出开关稳压电源，该电源使用了美国电源集成公司最近推出的第六代单片开关电源集成芯片—TOPSwitch-JX系类作为控制器，简化了开关电源的控制电路，还能实现自动重启，过热保护等功能。论文详细介绍了高频变压器的设计步骤，对该电源的滤波、整流、反馈、钳位电路等分别作了细致的研究工作。
论文最后对所做的工作进行了总结，并结合自己实际制作过程中遇到的问题，提出一些建议供大家借鉴。 M000198
关键词：单片开关电源 反激式变换器 TOPSwitch-JX 高频变压器
In this paper,the design of switching mode power supply provides power for the teaching platform with a two-dimensional motion control system.This paper introduced the development history and trends of switching mode power supply, describes a typical application method using TOPSwitch-JX chip.This paper introduces the working principle and the principle of the PWM control of the flyback converter,the design of each part of the circuit are given detailed calculation methods.Designed a four-output switching mode power supply,the power supply integrated using the U.S. Power Integrations company recently launched the sixth generation chip switching power supply integrated chip TOPSwitch-JX Series as controller,simplified the switching power supply control circuit,with auto-restart, overheat protection .Etc. This papers detailing the high-frequency transformer design steps,the power supply filtering,rectification,feedback,clamping circuits were made meticulous research.
Finally,the article made a summary, combined with actual problems encountered in the production process,put forward some suggestions for your reference.
Key Words: Single-chip switching mode power supply; Flyback converter; TOPSwitch-JX; High frequency transformer
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第一章 绪论 1
1.1开关电源发展简介 1
1.1.1开关电源发展历史 1
1.1.2开关电源发展趋势 1
1.2教学用二维运动平台电源的设计要求 2
第二章 单片开关电源的工作原理 3
2.1 PWM原理 3
2.2反激式变换器 4
2.2.1反激式变换器的基本原理 4
2.2.2反激式变换器的工作模式 5
2.3 TOPSwitch的工作原理 7
2.3.1 TOPSwitch-JX器件介绍 7
2.3.2 TOPSwitch-JX封装和引脚功能描述 8
2.3.3 TOPSwitch-JX的典型应用电路及工作原理 9
第三章 多路输出开关电源电路设计 12
3.1电路结构及基本参数计算 12
3.2选择TOPSwitch芯片 13
3.3抗浪涌及滤波电路设计 14
3.4输入整流滤波电路设计 15
3.5漏极钳位保护电路设计 16
3.6反馈控制电路设计 18
3.7反激式高频变压器设计 18
3.7.1计算初级绕组电感量 18
3.7.2选择磁心 19
3.7.3计算绕组匝数 20
3.7.4计算导线直径 21
3.7.5计算气隙宽度 22
3.8输出整流滤波电路设计 23
3.9原理图和元器件布局布线 25
3.10实物制作与调试 27
参考文献 30
致谢 32
第一章 绪论
1.1开关电源发展简介
1.1.1开关电源发展历史
日常生活中我们随处可见各种各样的电子设备，比如手机、电脑、数码相机等，这些电子设备并不是由220V市电直接供电的，实际上还需要电源将交流电变换成直流电才能供这些设备使用。所以有了电源电子设备才能正常工作，这是最基本的前提。
电源技术是融合了多个学科知识的综合性学科。许多高新技术都与市电的电压、电流、频率、相位和波形等参数的变换和控制有关。电力电子技术的高速发展，催生了很多用电设备，而它们都需要稳定可靠的电源供电才能正常工作，一些精密仪器的电源质量甚至会影响它的可靠性。开关电源是基于脉冲宽度调制原理（PWM）维持稳定输出电压的一种电源，它一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和功率开关管构成。开关电源近年来应用非常广泛，它的器件工作在高频开关状态下，因此具有效率高、体积小、质量轻等优点，在中、小功率电源里应用非常广泛。
1.1.2开关电源发展趋势
开关电源正在向高频化方向发展，以美国功率集成公司（Power Integrations，简称PI）推出的TOPSwitch-JX系列单片集成芯片为例，它的工作频率可达132，高频化使得开关电源变压器的体积大大缩小，使开关电源进入了更广泛的应用领域。
单片集成化是开关电源另一个发展方向，将控制电路，保护电路尽可能集成在一块芯片里，这样大大简化了外围电路，提高了可靠性，降低了成本。但是受到集成芯片散热等因素制约，目前单片开关电源只适合在中、小功率领域应用，不过相信这一制约会随科技发展得到很好解决。尽管单片开关电源简化了外围电路设计，但是设计一个效率高，工作稳定，性价比高的开关电源并不是一件容易的事。开关电源涉及到模拟电路，数字电路，元器件选择，电磁干扰，热力学等多方面知识，需要丰富的专业知识积累。进入21世纪，随着计算机仿真技术的发展，在计算机辅助下设计开关电源变的非常方便。用于开关电源计算机辅助设计的软件很多，比如美国Power Integrations公司为开发者提供的PI Expert，荷兰Philips公司的STARplug，意-法半导体公司的VIPer等等，都能帮助用户快速设计出高效率，低成本，符合电磁兼容性的开关电源。
1.2教学用二维运动平台电源的设计要求
教学用二维运动平台由微型二维机械平台、机床电气部分、单片机步进电机伺服驱动板卡等部分组成。X驱动器和Y驱动器是微型机床生产厂家提供的，分别是X轴运动和Y轴运动步进电机的驱动器。该组驱动器的型号为SH-20403，可以采用10～40V直流供电，容量0.03KVA(即额定功率30W)。本论文设计的开关电源就是为二维运动平台的步进电机驱动器和外围控制电路提供电源。
因为要使用2个驱动器，额定总功率60W，设计这2个驱动器共用开关电源的一路输出，考虑一方面要保证功率有一定裕量，另一方面目前市场上常规电子元器件的耐压能力高于耐流能力，故设计为驱动器供电的这路电源为36V，2A。36V属于安全电压，驱动器生产厂商介绍说在较高输入电压下有利于提高步进电机的高速力矩，但同时也会加大驱动器的损耗和温升，故此路输出精度范围要求不高，但最大不能超过40V。本设计的另外2路输出为5V，1A和±15V,1A,分别为单片机和运算放大器提供工作电源，并且由于是为数字电路供电，对电源要求较高，因此±15V使用LM7815和LM7915进一步稳压，而由于LM7815和LM7915正常工作需要2.5V以上的压差，过高则又加重发热损耗，所以设计开关电源此路输出±17.8V,后级稳压后得到±15V。 查看完整请+Q:351916072获取
论文介绍了反激式变换器的工作原理和PWM控制原理，对每部分电路的设计都给出了详细的计算方法。设计出一种四路输出开关稳压电源，该电源使用了美国电源集成公司最近推出的第六代单片开关电源集成芯片—TOPSwitch-JX系类作为控制器，简化了开关电源的控制电路，还能实现自动重启，过热保护等功能。论文详细介绍了高频变压器的设计步骤，对该电源的滤波、整流、反馈、钳位电路等分别作了细致的研究工作。
论文最后对所做的工作进行了总结，并结合自己实际制作过程中遇到的问题，提出一些建议供大家借鉴。 M000198
关键词：单片开关电源 反激式变换器 TOPSwitch-JX 高频变压器
In this paper,the design of switching mode power supply provides power for the teaching platform with a two-dimensional motion control system.This paper introduced the development history and trends of switching mode power supply, describes a typical application method using TOPSwitch-JX chip.This paper introduces the working principle and the principle of the PWM control of the flyback converter,the design of each part of the circuit are given detailed calculation methods.Designed a four-output switching mode power supply,the power supply integrated using the U.S. Power Integrations company recently launched the sixth generation chip switching power supply integrated chip TOPSwitch-JX Series as controller,simplified the switching power supply control circuit,with auto-restart, overheat protection .Etc. This papers detailing the high-frequency transformer design steps,the power supply filtering,rectification,feedback,clamping circuits were made meticulous research.
Finally,the article made a summary, combined with actual problems encountered in the production process,put forward some suggestions for your reference.
Key Words: Single-chip switching mode power supply; Flyback converter; TOPSwitch-JX; High frequency transformer
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第一章 绪论 1
1.1开关电源发展简介 1
1.1.1开关电源发展历史 1
1.1.2开关电源发展趋势 1
1.2教学用二维运动平台电源的设计要求 2
第二章 单片开关电源的工作原理 3
2.1 PWM原理 3
2.2反激式变换器 4
2.2.1反激式变换器的基本原理 4
2.2.2反激式变换器的工作模式 5
2.3 TOPSwitch的工作原理 7
2.3.1 TOPSwitch-JX器件介绍 7
2.3.2 TOPSwitch-JX封装和引脚功能描述 8
2.3.3 TOPSwitch-JX的典型应用电路及工作原理 9
第三章 多路输出开关电源电路设计 12
3.1电路结构及基本参数计算 12
3.2选择TOPSwitch芯片 13
3.3抗浪涌及滤波电路设计 14
3.4输入整流滤波电路设计 15
3.5漏极钳位保护电路设计 16
3.6反馈控制电路设计 18
3.7反激式高频变压器设计 18
3.7.1计算初级绕组电感量 18
3.7.2选择磁心 19
3.7.3计算绕组匝数 20
3.7.4计算导线直径 21
3.7.5计算气隙宽度 22
3.8输出整流滤波电路设计 23
3.9原理图和元器件布局布线 25
3.10实物制作与调试 27
参考文献 30
致谢 32
第一章 绪论
1.1开关电源发展简介
1.1.1开关电源发展历史
日常生活中我们随处可见各种各样的电子设备，比如手机、电脑、数码相机等，这些电子设备并不是由220V市电直接供电的，实际上还需要电源将交流电变换成直流电才能供这些设备使用。所以有了电源电子设备才能正常工作，这是最基本的前提。
电源技术是融合了多个学科知识的综合性学科。许多高新技术都与市电的电压、电流、频率、相位和波形等参数的变换和控制有关。电力电子技术的高速发展，催生了很多用电设备，而它们都需要稳定可靠的电源供电才能正常工作，一些精密仪器的电源质量甚至会影响它的可靠性。开关电源是基于脉冲宽度调制原理（PWM）维持稳定输出电压的一种电源，它一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和功率开关管构成。开关电源近年来应用非常广泛，它的器件工作在高频开关状态下，因此具有效率高、体积小、质量轻等优点，在中、小功率电源里应用非常广泛。
1.1.2开关电源发展趋势
开关电源正在向高频化方向发展，以美国功率集成公司（Power Integrations，简称PI）推出的TOPSwitch-JX系列单片集成芯片为例，它的工作频率可达132，高频化使得开关电源变压器的体积大大缩小，使开关电源进入了更广泛的应用领域。
单片集成化是开关电源另一个发展方向，将控制电路，保护电路尽可能集成在一块芯片里，这样大大简化了外围电路，提高了可靠性，降低了成本。但是受到集成芯片散热等因素制约，目前单片开关电源只适合在中、小功率领域应用，不过相信这一制约会随科技发展得到很好解决。尽管单片开关电源简化了外围电路设计，但是设计一个效率高，工作稳定，性价比高的开关电源并不是一件容易的事。开关电源涉及到模拟电路，数字电路，元器件选择，电磁干扰，热力学等多方面知识，需要丰富的专业知识积累。进入21世纪，随着计算机仿真技术的发展，在计算机辅助下设计开关电源变的非常方便。用于开关电源计算机辅助设计的软件很多，比如美国Power Integrations公司为开发者提供的PI Expert，荷兰Philips公司的STARplug，意-法半导体公司的VIPer等等，都能帮助用户快速设计出高效率，低成本，符合电磁兼容性的开关电源。
1.2教学用二维运动平台电源的设计要求
教学用二维运动平台由微型二维机械平台、机床电气部分、单片机步进电机伺服驱动板卡等部分组成。X驱动器和Y驱动器是微型机床生产厂家提供的，分别是X轴运动和Y轴运动步进电机的驱动器。该组驱动器的型号为SH-20403，可以采用10～40V直流供电，容量0.03KVA(即额定功率30W)。本论文设计的开关电源就是为二维运动平台的步进电机驱动器和外围控制电路提供电源。
因为要使用2个驱动器，额定总功率60W，设计这2个驱动器共用开关电源的一路输出，考虑一方面要保证功率有一定裕量，另一方面目前市场上常规电子元器件的耐压能力高于耐流能力，故设计为驱动器供电的这路电源为36V，2A。36V属于安全电压，驱动器生产厂商介绍说在较高输入电压下有利于提高步进电机的高速力矩，但同时也会加大驱动器的损耗和温升，故此路输出精度范围要求不高，但最大不能超过40V。本设计的另外2路输出为5V，1A和±15V,1A,分别为单片机和运算放大器提供工作电源，并且由于是为数字电路供电，对电源要求较高，因此±15V使用LM7815和LM7915进一步稳压，而由于LM7815和LM7915正常工作需要2.5V以上的压差，过高则又加重发热损耗，所以设计开关电源此路输出±17.8V,后级稳压后得到±15V。 查看完整请+Q:351916072获取
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