開關(guān)電源應(yīng)用——POS機(jī)的電源設(shè)計(jì)

開關(guān)電源應(yīng)用——POS機(jī)的電源設(shè)計(jì),開關(guān)電源,應(yīng)用,利用,運(yùn)用,pos,電源,設(shè)計(jì) 開關(guān)電源的應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)專業(yè)：通信工程 學(xué)號：1002592 姓名：周少宏 指導(dǎo)教師： 林強(qiáng)、李偉中文摘要本文主要是通過分析并設(shè)計(jì)一款用于 POS 機(jī)的高效率、低功耗的開關(guān)電源適配器來介紹開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)，讓更多人了解開關(guān)電源為什么能夠逐漸取代線性穩(wěn)壓電源而得到廣泛應(yīng)用。該電源電路采用脈寬調(diào)制型（PWM） 、電流控制模式、單端反激式工作原理，設(shè)計(jì)電路中還考慮了各種保護(hù)電路。該電源有效輸入電壓范圍為 100V～240V，輸出電壓為 6.8V,誤差范圍在 2％內(nèi)，輸出功率為34W,效率高達(dá) 75％以上，是一款高效率、低成本、微型化的小功率開關(guān)電源。在開關(guān)電源輕型化、高效化的發(fā)展歷程中，集成電路技術(shù)起了決定性的作用。近 20 年來，集成開關(guān)電源是沿著兩個(gè)方向不斷發(fā)展的：一個(gè)方向是，對開關(guān)電源的核心單元——控制電路的集成；另一個(gè)方面是，對中、小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化，單片開關(guān)電源實(shí)際上是一種 AC/DC 電源變換器。在介紹具體的設(shè)計(jì)電路之前，本文先簡單介紹了開關(guān)電源的發(fā)展歷史及其工作原理，并與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行了比較。其次詳細(xì)地對比介紹了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法、控制方式的不同特點(diǎn)。然后第 3 章詳細(xì)介紹整個(gè)電路的設(shè)計(jì)思路、電路結(jié)構(gòu)選擇、器件選擇、參數(shù)計(jì)算等一系列工作。限于篇幅，對一些輔助的電路，包括各種保護(hù)電路，如：過流、過壓保護(hù)，欠壓鎖定電路，EMI 濾波電路,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等等只做了簡單的介紹。本文除了完成原理分析和理論設(shè)計(jì)外，還得到了由本電源電路圖（附錄1）加工而成的實(shí)物電源，并對實(shí)物電路進(jìn)行測試，分析和總結(jié)。在經(jīng)過調(diào)試過程中的對電路結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步修改后，電路的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于預(yù)定指標(biāo)（各項(xiàng)指標(biāo)值已附于文章最后） ，驗(yàn)證了作者的理論設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，是一次理論結(jié)合實(shí)踐的大膽嘗試。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源,脈寬調(diào)制,電流控制模式,反激變換器,高效率The application of switching power supply——The design of power supply for POS computer AbstractBy analyzing and designing a high-efficiency low-power switching power supply used for the POS machine, this paper wants to tell us all about the advantages of the switching power supply, making more and more people to know why the switching power supply is going to replace the linear regulator gradually and becomes more and more popular in the power conversion arena today. The principle of this circuit is a current model control PWM flyback converter, and some protection circuits are also designed in this switching power supply. This circuit has a wide input voltage range of 100Vac to 240Vac to generate a output of 6.8Vdc,34W with error less than 2% and efficiency more than 75%, is a small-scale switching power supply of high-efficiency and low-cost.In the development of small-scale、high-efficient switching power supply, the technology of integrated circuit take a decisive role. Over the past 20 years, the integrated switching power supply is developing in two directions: the first is the integration of the core component--control circuit; the second is integration of the small and medium scale switching power supply in a integrated circuit. In fact, the single-chip switching power supply is a AC/DC power convertor.Before introducing the factual circuit, the author first introduces the development history and basic principle of the switching power supply in contrast to the linear regulator. The different operating principles of different circuit topologies、modulation mode and control model have been particularly analyzed after it. And then a series of tasks, such as design theory、topologies selection、components selection and parameter calculation have been expounded in chapter3. Limited by the paper and time, some assistant circuits are simply introduced, for example, over current、voltage protection circuit,under voltage locked circuit,EMI filter,compensation network and so on.Besides the principle analysis and theoretic design,the author obtains the real switching power supply processed according to the theoretic design circuit chart in the appendix1, then the author tests the power supply and analyzes the test result. Because of the improvements of the real circuit during the test, the test result indicates that each target of the real power supply has achieved or better than the expectation(the test results enclosed in the end of the paper), verifies the theoretic design and achieves the design task. The whole progress is an energetic attempt of theory combined with practice.Key words: Switching power supply, PWM, Current control model, High-efficiency開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 1 -第一章　緒論目前空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、電視機(jī)及家用電器中的電源已經(jīng)漸漸地被開關(guān)電源取代?，F(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器，調(diào)整管總是工作于放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，這種穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是承受過載和短路的能力差，效率低，一般只有 35％～60％。由于調(diào)整管上損耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器。開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可高達(dá) 70％～95％，穩(wěn)壓器體積小，重量輕，調(diào)整管功率損耗小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)頻率工作在幾十千赫，濾波電感、電容可用較小數(shù)值的元件。允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。但是，由于調(diào)整元件的控制電路比較復(fù)雜，輸出的紋波電壓較高，瞬態(tài)響應(yīng)較差。所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定限制 。]1[1.1　開關(guān)電源的發(fā)展及方向開關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源、相控電源到開關(guān)電源的發(fā)展歷程，由于開關(guān)電源具有功率轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，從而取代了相控電源，成為通信電源的主體，并向著高頻小型化、高效率、高可靠性的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，為通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供了外部條件，使其發(fā)展逐步實(shí)現(xiàn)少人值守，直至無人值守 。]2[1.1.1　線性穩(wěn)壓電源每一種電子產(chǎn)品，除非它本身自帶有電池供電，否則都需要將外部 220V（或 110V）交流市電轉(zhuǎn)換成某一特定大小的直流電來為其供電，即 AC/DC 變換器。一直以來在 AC/DC變換器中線性穩(wěn)壓電源被廣泛使用，其中的一個(gè)主要原因是由于它的電路結(jié)構(gòu)簡單，用到的器件少，價(jià)格便宜。電路通常由變壓器、全波整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖 1-1 所示。在線性穩(wěn)壓電源中，電壓調(diào)整部分的晶體管等電子器件是工作于放大狀態(tài)，其作用相當(dāng)于一個(gè)阻值大小受誤差電壓控制的可變電阻。所以，負(fù)載電流是持續(xù)不斷地流過電壓調(diào)整管的，其上的功率損耗使得線性穩(wěn)壓電源只有 35％～60％的轉(zhuǎn)換效率。因此線性穩(wěn)壓電源需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器。另外，由于線性穩(wěn)壓電源中變壓器是工頻變壓器，其工作頻率低，所以體積大，重量大，而且由于頻率低，線路中所使用到的濾波電容和電感體積也很大所以，線性穩(wěn)壓電源的主要問題就是：功耗大、效率低、體積大、重量大，所以在便捷式電子產(chǎn)品，如筆記本電腦，儀器儀表中不適合使用線性穩(wěn)壓電源 。]3[福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 2 -圖 1-1　線性穩(wěn)壓電路原理圖1.1.2　開關(guān)電源開關(guān)電源原理框圖如圖 1-2 所示，由基本輸入電路、變換電路、控制電路、保護(hù)回路和輸出電路等構(gòu)成。它與線性穩(wěn)壓電源的主要區(qū)別在于電壓調(diào)整管控制電路部分。在開關(guān)電源中，電壓調(diào)整管部分的電子器件是工作于開關(guān)狀態(tài)，它的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間受檢測電路檢測到的誤差電壓控制。這一部分是開關(guān)穩(wěn)壓電路的核心，一般由脈沖產(chǎn)生電路、脈沖寬度（或頻率）調(diào)制電路、電子開關(guān)電路及脈沖整流濾波電路等幾部分組成。檢測電路通過對輸出直流電壓的取樣并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大，可以得到一個(gè)反映輸出電壓變化的誤差控制電壓送到控制電路?？刂齐娐犯鶕?jù)誤差電壓大小調(diào)整輸出脈沖的寬度（或頻率）來控制電壓調(diào)整管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，最終使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定，這就是開關(guān)電源電路穩(wěn)定輸出電壓的基本原理。由于其電壓調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài)，功耗小，而且變壓器工作頻率高，體積小，電路發(fā)熱低，使用到的散熱片也小，使得開關(guān)電源效率高，可達(dá) 70％～95％，而且體積小、重量輕，特別適合便攜式電子產(chǎn)品使用。圖 1-2　開關(guān)電源的基本構(gòu)成1.2　線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源比較經(jīng)過上面簡單的介紹，我們可以得出線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的各種性能比較如下表 1-2 所示。開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 3 -表 1-2　線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的比較類　　型 線性穩(wěn)壓電源 開關(guān)電源效率 低（35％～60％） 高（70％～95％）尺寸 大 小重量 重 輕電路結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜穩(wěn)定度 高（0.001％～0.1％） 普通（0.1％～3％）紋波（p-p） ?。?.1～10mV） 大（10～200mV）暫態(tài)反應(yīng)速度 快（50μs～1ms） 普通（500μs～10ms）輸入電壓范圍 輸入電壓范圍大時(shí)，效率降低，無直流輸入自由度輸入電壓范圍很寬，亦可直流輸入，100V/200V 共用亦可成本 低 普通EMI 干擾 無 有1.3　開關(guān)電源的分類開關(guān)電源有多種分類。按電源啟動方式可分為自激式開關(guān)電源和他激式開關(guān)電源；按儲能電感（脈沖變壓器）與負(fù)載連接方式可分為串聯(lián)型開關(guān)電源和并聯(lián)型開關(guān)電源；按控制開關(guān)管的導(dǎo)通方式可分為調(diào)寬型開關(guān)電源和調(diào)頻型開關(guān)電源。近幾年來在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)上不斷改進(jìn)和完善，出現(xiàn)了幾種類型開關(guān)電源的組合，如自激并聯(lián)調(diào)頻式開關(guān)電源、自激串聯(lián)調(diào)頻式開關(guān)電源、自激并聯(lián)調(diào)寬式開關(guān)電源、自激串聯(lián)調(diào)寬式開關(guān)電源、他激串聯(lián)調(diào)寬式開關(guān)電源及他激調(diào)頻式開關(guān)電源等。同時(shí)，還出現(xiàn)了主、副多個(gè)開關(guān)電源、PWM（從取樣誤差放大到脈寬調(diào)制器電路）諧振式開關(guān)電源、多環(huán)路控制自激式開關(guān)電源及多開關(guān)管的橋式變換器開關(guān)電源等。1.4　開關(guān)電源的優(yōu)越性開關(guān)電源的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在： （1）功耗小。由于開關(guān)管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。功耗小使得電子設(shè)備內(nèi)溫升也低，周圍元件不會因長期工作在高溫環(huán)境下而損壞，這有利于提高整個(gè)電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。（2）穩(wěn)壓范圍寬。當(dāng)開關(guān)電源輸入的交流電壓在 150～250V 范圍內(nèi)變化時(shí)，都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的偏差在 2%以下。而且在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，始終能保持穩(wěn)壓電路的高效率。因此，開關(guān)電源能適用于電網(wǎng)電壓波動比較大的地區(qū)。（3）體積小、重量輕。開關(guān)電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過高頻變福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 4 -壓器獲得各種不同直流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。（4）安全可靠。開關(guān)電源一般都具有自動保護(hù)電路。當(dāng)穩(wěn)壓電路、高壓電路、負(fù)載等出現(xiàn)故障或短路時(shí)，能自動切斷電源，其保護(hù)功能靈敏、可靠 。]2[開關(guān)電源和線性電源是現(xiàn)代電子電源發(fā)展的兩個(gè)主要方面，開關(guān)電源以功耗小、效率高、體積小、重量輕的優(yōu)勢幾乎席卷了整個(gè)電子界，而線性電源則以其固有的穩(wěn)定性仍占有一席之地。為了順應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)備對多種電壓和電流的需求，在滿足體積小、重量輕、效率高、抗干擾能力強(qiáng)的同時(shí)，還應(yīng)有更好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性 。]4[1.5　單片開關(guān)電源的發(fā)展近 20 多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)是對電源的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977 年國外首先研制成功脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成電路，如美國摩托羅拉(Motorola)公司、Silicon General 公司、Unitrode 公司等相繼推出一批 PWM 芯片，典型產(chǎn)品有 MC3520， SG3524， UC3842。在其基礎(chǔ)上，國外又研制出開關(guān)頻率達(dá) 1 MHz 的高速 PWM，PFM(脈沖頻率調(diào)制)芯片，典型產(chǎn)品如 UC1825， UC1864 等。第二個(gè)方向是對中小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單集成化。80 年代初，意－法半導(dǎo)體有限公司 (SGS-Thomson，簡稱 ST)率先推出 L4960 系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于 90 年代又推出了 L4970A 系列產(chǎn)品，包括 L4970A～L4977A，該公司于 1998 年還研制出 L4978 型單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。其共同特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護(hù)電路等集成在一塊芯片中，但使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適用于制作低壓連續(xù)可調(diào)式輸出 (5.1～40V)、大中功率 (400W 以下)、大電流 (1.5～10A)、高效率 (可超過 90%)的開關(guān)電源。但從本質(zhì)上講，它們都屬于 DC/DC 電源變換器。1994 年，美國電源集成公司(Power Integrations，簡稱 PI 公司)在世界上首先研制成功三端隔離、脈寬調(diào)制型反激式單片開關(guān)電源，它屬于 AC/DC 電源變換器。其第一代產(chǎn)品為 1994 年問世的 TOPSwitch 系列，第二代產(chǎn)品則是 1997 年問世的 TOPSwitch-II 系列，第三代和第四代產(chǎn)品是在 2000 年 1 月和 11 月相繼推出的 TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX 系列的單片開關(guān)電源。該公司還于 1998 年、2001 年分別開發(fā)出高效率、低功率、低價(jià)格的 TinySwitch 系列、TinySwitch-II 系列微型單片開關(guān)電源。美國摩托羅拉(Motorola)公司于 1999 年推出 MC33370 系列五端單片開關(guān)電源，也稱為高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（High Voltage Power Switching Regulator） 。MC33370 包括MC33369～ MC33374 等 6 種規(guī)格、 17 種型號。MC33370 系列可廣泛用于辦公自動化設(shè)備、儀器儀表、無線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成高壓隔離式 AC/DC 電源變換器。在作特殊應(yīng)用時(shí)，還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復(fù)二極管、濾波電容，改用穩(wěn)壓管或雙極型晶體管、MOS 管進(jìn)行串聯(lián)調(diào)整。此外，利用這種芯片還能制作高壓步進(jìn)電源。開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 5 -荷蘭飛利浦（Philips）公司于 2000 年研制成功 TEA1510、 TEA1520 系列單片開關(guān)電 源，它屬于反激式開關(guān)電源，其中，TEA1524 的最大輸出功率為 50W。該公司還開發(fā)出 TEA1501、 TEA1504、 TEA1562 TEA1563、 TEA1564、 TEA1565、 TEA1566、 TEA1569 等型號的單片開關(guān)電源，最大輸出功率可達(dá) 125W。美國安森美（Onsemi）半導(dǎo)體公司在 1998 年～2001 年期間，也相繼開發(fā)出NCP1000、NCP1050 系列單片開關(guān)電源。其最大輸出功率為 40W，可廣泛用于家用電器的輔助電源、便攜式電池充電器、調(diào)制解調(diào)器、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的備用電源。此外，該公司最近還研制成功 NCP1200 型單片開關(guān)電源以及 NCP1650 型功率因數(shù)校正器專用集成電路 。]5[福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 6 -第二章　開關(guān)電源的電路原理與設(shè)計(jì)本章主要是對開關(guān)電源電路中常見的不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法、控制方式的工作原理及電路結(jié)構(gòu)作了簡單地介紹。2.1　開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是對變換電路來說的，即輸入電壓到輸出電壓變換電路的結(jié)構(gòu)類型 。]6[2.1.1　電感、電容、二極管型這是一種應(yīng)用較多的電路形式，適合于負(fù)載電流較大的場合，它又可以分為 3 種基本形式 。]6[2.1.1.1　降壓型（Buck 變換器）其電路結(jié)構(gòu)構(gòu)圖如圖 2-1 所示。當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)，Ui 產(chǎn)生的電流 Ii 經(jīng)過電感 L 流入負(fù)載及電容 C。此時(shí)二極管 D 截止。當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)，儲存于電感 L 中的釋能產(chǎn)生一個(gè)電流 IL，使 C 和負(fù)載 RL 中的電流不至于中斷。與此同時(shí)，二極管 D 因電感 L 產(chǎn)生的自感應(yīng)電壓（極性左負(fù)右正）而導(dǎo)通，為電感中的電流 IL 提供通路，使之續(xù)流，故將二極管 D稱為續(xù)流二極管。電感 L 是電路中的一個(gè)重要的儲能元件，當(dāng) S 閉合時(shí)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，?dāng) S 斷開時(shí)又將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。在開關(guān) S 閉合時(shí)，輸入電壓 Ui 等于電感 L 上自感應(yīng)電壓（極性左正右負(fù)）與負(fù)載上的電壓 Uo 之和，故 UoUi，故將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為升壓型變換電路。圖 2-2　Boost 變換器2.1.1.3　反轉(zhuǎn)型（Buck-Boost 變換器）其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-3 所示。當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)，流過電感 L 中的電流 Ii 增加，L兩端的自感應(yīng)電壓上正下負(fù)，此時(shí)二極管 D 截止。當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)，流過 L 的電流開始減小，L 兩端的自感應(yīng)電壓的極性為上負(fù)下正，二極管 D 變?yōu)閷?dǎo)通，負(fù)載電流 IL 自下而上流過負(fù)載，負(fù)載上的電壓 Uo 極性（下正上負(fù)）與輸入電壓相反，大小根據(jù)開關(guān)通斷時(shí)間的不同可能大于 Ui，也可能小于 Ui，故將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為反轉(zhuǎn)型變換電路，或者稱為升降壓型變換電路。圖 2-3　Buck-Boost 變換器2.1.2　變壓器耦合式直流變換電路這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與上面提到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，具有輸出電壓可任意選擇（升壓、降壓或多路輸出） ，以及可以實(shí)現(xiàn)與市電電網(wǎng)隔離兩大特點(diǎn)，因此是應(yīng)用最廣泛的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種變換電路大致可以分為單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式及全橋式 5類，下面逐一進(jìn)行介紹 。]6[2.1.2.1　單端反激式變換電路單端反激式變換電路，是指它的電路形式與功率放大電路中的單端甲類放大相似，福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 8 -它們的變壓器鐵芯（或磁芯）僅工作于磁滯回線的一側(cè)，并且初級線圈只有一個(gè)接地端（稱為冷端）和一個(gè)非接地端（稱為熱端） 。其基本原理框圖如圖 2-4 所示，當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)，初級線圈 Np 中有電流 Ii 通過，儲存能量。與此同時(shí)，整流二極管 D 截止，負(fù)載RL 中無電流，IL=0；而當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)，D 導(dǎo)通，初級線圈電感中儲存的能量通過次級線圈 Ns 釋放給負(fù)載。開關(guān) S 和二極管 D 總是交替導(dǎo)通或截止，故稱之為反激式。電路中二極管 D 的導(dǎo)通與截止由次級線圈 Ns 上電壓極性決定，而該電壓極性則由變壓器初、次級線圈的同名端接法決定，如圖中小圓點(diǎn)所示。這種單端反激式變換器電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠、成本低，輸出功率一般為幾瓦到一百多瓦，廣泛用于電子計(jì)算機(jī)和彩色電視機(jī)電源電路中。圖 2-4　單端反激變換器原理框圖2.1.2.2　單端正激式變換電路單端正激式變換電路與單端反激式電路相似，但工作方式完全不同，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 2-5 所示。當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)，整流二極管 D1 也導(dǎo)通，電流流過負(fù)載 RL 及濾波電容 C，同時(shí)將能量儲存于濾波電感 L 中。當(dāng) S 斷開時(shí)，續(xù)流二極管 D2 導(dǎo)通，L 中的能量向負(fù)載釋放，保證負(fù)載中電流連續(xù)。必須指出，在這種單端正激式變換電路中，由于 S和 D1 是同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)截止的，故在 S 斷開時(shí)，L1 兩端會感應(yīng)出極高的感應(yīng)電壓，使作為 S 使用的器件承受極高的反向工作電壓，因此在脈沖變壓器中增加了鉗位線圈 L3，它與初級線圈 L1 具有相同的匝數(shù)。這樣在 S 斷開時(shí)，D3 即導(dǎo)通（這一點(diǎn)靠線圈的同名端接法保證） ，使 L 在 S 閉合時(shí)存儲的一部分能量，在 S 斷開時(shí)通過 L3 返回給電源。鉗位線圈有兩個(gè)作用，一是將 S 兩端的自感應(yīng)電壓限制在 2Ui 以下，二是使變壓器的磁通復(fù)位。單端正激式變換電路是在 S 閉合時(shí)通過變壓器向負(fù)載傳輸能量，它的輸出功率比單端反激式大一些，但它的變壓器結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，磁芯仍工作在磁滯回線的一側(cè)，也屬于單端式，所以應(yīng)用不及其他形式普遍。與單端反激式相比，單端正激式開關(guān)電流小、輸出紋波小、更容易適應(yīng)高頻化。開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 9 -圖 2-5　單端正激變換器原理框圖2.1.2.3　推挽式變換電路推挽式變換電路的工作方式與變壓器耦合推挽功率放大電路相似，開關(guān) S1 和 S2 輪流導(dǎo)通，其原理框圖如圖 2-6 所示。它屬于雙端式變換電路，變壓器磁芯工作于磁滯回線的兩側(cè)。作為開關(guān)的電子器件要承受 2Ui 的峰值電壓，這種電路輸出功率較大，可達(dá)500W 以上。二極管 D1 和 D2 構(gòu)成全波整流電路，電感 L 和電容 C 為濾波電路。圖 2-6　推挽變換器原理框圖2.1.2.4　半橋式變換電路半橋式變換電路的工作方式類似于功率放大器的 OCL 形式，其原理框圖如圖 2-7 所示。圖中電容 C1 和 C2 將 Ui 分成相等的兩半，開關(guān) S1 和 S2 輪流導(dǎo)通。在這種變換電路中，變壓器的初級線圈 L1 中在整個(gè)周期中都有電流，磁芯利用更充分。作為功率開關(guān)的器件所承受的最高反向工作電壓不會超過 Ui，輸入電容 C1 和 C2 的耐壓也小于 Ui。但由于 L1 上電壓的幅值為 Ui 的一半，與推挽式變換電路相比，欲輸出相同的功率，則開關(guān)器件需要提供兩倍的電流。這種電路的輸出功率目前可以做到近1000W。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 10 -圖 2-7　半橋式變換器原理框圖2.1.2.5　全橋式變換電路全橋式變換電路的工作方式類似于功率放大電路中的 BTL（橋式推挽電路） ，其原理框圖如圖 2-8 所示。S1 和 S2 同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)截止；S3 和 S4 同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)截止。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，可達(dá) 1000～2000W，它對開關(guān)器件的耐壓要求也不高。其缺點(diǎn)是驅(qū)動電路較復(fù)雜，原因是目前 PNP 型或 P 溝道半導(dǎo)體器件的耐壓不能滿足要求，故S1～S4 均選用同類型的器件，故需要四組彼此絕緣的驅(qū)動電路。圖 2-8　全橋式變換器原理框圖2.2　開關(guān)電源調(diào)制方法開關(guān)電源電路的調(diào)制方式主要有：PWM， PFM， PSM 三種調(diào)制方式。脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式，其開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖寬度來改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對電能的控制，稱之為“定頻調(diào)寬” ；脈沖頻率調(diào)制 (PFM)方式，其脈沖寬度恒定，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率改變通斷比，從而實(shí)現(xiàn)對電能的控制，稱之為 “定寬調(diào)頻” ；脈沖跨周調(diào)制 (PSM)方式，其脈沖寬度和頻率都恒定，選擇性地跳過某些工作周期來調(diào)節(jié)電能輸出 。]7[開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 11 -2.2.1 PWM(Pulse width Modulation)調(diào)制方法圖 2-9 所示為 PWM 調(diào)制方法的工作原理及其波形示意圖。當(dāng)輸出電壓 Vo 和參考電壓Vr 之間存在輸出誤差 Ve 時(shí)，該誤差信號和三角波或鋸齒波信號 Vt 進(jìn)行比較，得到 PWM控制信號 Vc。其中 Ton 為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，Toff 為開關(guān)管截止時(shí)間，T 為開關(guān)周期。從圖可知，當(dāng)輸出電壓 Vo 發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出誤差 Ve 變化時(shí)，PWM 控制信號的脈沖寬度將發(fā)生相應(yīng)的變化，從而開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間也發(fā)生變化，達(dá)到使輸出穩(wěn)定的目的，但其工作頻率不變。圖 2-9　PWM 調(diào)制方法原理框圖2.2.2　PFM(Pulse Frequency Modulation)調(diào)制方法圖 2-10 所示為 PFM 調(diào)制方法的工作原理框圖。它基于恒寬變頻 CWVF 的調(diào)制脈沖去控制功率管的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。PFM 保持控制脈沖的寬度，即 Ton 不變，通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。由于 PWM 型變換器在低負(fù)載下表現(xiàn)出很低的變換效率，而 PFM 調(diào)制方法則可有效地克服 PWM 調(diào)制方法的這一不足之處。由圖可知，通過調(diào)頻調(diào)制器用載波對變換器的輸出誤差進(jìn)行調(diào)制，然后通過過零比較器得到 PFM 控制信號去控制開關(guān)管的通斷。顯然，由于脈寬不變，所以當(dāng)頻率高時(shí)，在特定時(shí)間內(nèi)的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間就多一點(diǎn)，反之則少一點(diǎn)，從而可以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 12 -圖 2-10　PFM 調(diào)制方法原理框圖2.2.3　PSM(Pulse Skip Modulation)調(diào)制方法圖 2-11 所示為 PSM 調(diào)制方法的工作原理及波形示意圖。 PSM (Pulse Skip Modulation)的工作原理為：控制器對輸出電壓進(jìn)行檢測，如果在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出電壓 Vo 低于額定值 Vref，則讓這個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的脈沖信號通過控制器去控制開關(guān)管工作，否則跨過這個(gè)時(shí)鐘周期的脈沖信號不用，使開關(guān)不工作，這樣就可以達(dá)到使輸出電壓穩(wěn)定的目的。開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 13 -圖 2-11　PSM 調(diào)制方法的工作原理及波形示意圖2.2.4　三種不同調(diào)制方法比較PWM 調(diào)制原理簡單，電路易于實(shí)現(xiàn)，而且 PWM 脈沖控制信號的諧波都集中在其基波的整數(shù)倍處，只要知道了 PWM 的基波頻率后，后續(xù)濾波器容易設(shè)計(jì)。但 PWM 調(diào)制方法具有線性調(diào)整率較差、輕負(fù)載時(shí)效率低等缺點(diǎn)。PFM 具有在負(fù)載較輕時(shí)效率很高，工作頻率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高，適合于電壓或者電流控制方式。但其負(fù)載調(diào)整范圍窄，而且由于 PWM 脈沖控制信號的諧波存在邊頻效應(yīng)，高次諧波分量離散，所以使其后續(xù)濾波器較難實(shí)現(xiàn)，成本較高。PSM 調(diào)制方法的效率很高，而且?guī)缀跖c負(fù)載無關(guān)，當(dāng)負(fù)載變換時(shí)，效率是一個(gè)恒定值。PSM 變換器具有輕負(fù)載效率高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，是小功率變換器的一種理想的調(diào)制方法。但是其輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力差。2.3　開關(guān)電源控制方式選擇合適的控制方式極其重要。對于一個(gè)電源電路，如果控制方式選擇不正確，會使電源工作不穩(wěn)定而浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。設(shè)計(jì)者要知道各種控制方式之間細(xì)微的差別?？傮w上說，正激式拓?fù)涑Ｓ秒妷盒涂刂破?，升壓式拓?fù)渫ǔＳ秒娏餍涂刂破?。但這不是一成不變的規(guī)則，因?yàn)槊恳环N控制方式都可以用到各種拓?fù)渲腥?，只是得到的結(jié)果不一樣而已 。]8[2.3.1　電壓控制方式圖 2-12 所示為電壓控制方式開關(guān)電源原理框圖。電壓型 PWM 控制的基本原理是：電源輸出取樣電壓 Vf 與參考電壓 Vr 比較放大，得到誤差信號 Ve，Ve 又和鋸齒波信號 Vt一起送入 PWM 比較器比較后，PWM 比較器輸出一系列脈沖，這些脈沖的寬度隨誤差信號Ve 的變化而變化，而這些脈沖寬度控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而決定了輸出能量的大小。當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，脈沖寬度增大，增加導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓升高；反之，輸出脈沖寬度變窄，減少導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓下降，從而達(dá)到使輸出電壓穩(wěn)定的目的。這種電壓控制開關(guān)電源只需要一個(gè)反饋信號，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的負(fù)反饋而維持輸出穩(wěn)定。在整個(gè)控制電路中只有一個(gè)反饋環(huán)路，是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。電壓控制型開關(guān)電源是一個(gè)二階系統(tǒng)，它有兩個(gè)狀態(tài)變量，即輸出濾波電容器上的電壓和輸出濾波電感中的電流。二階系統(tǒng)是一個(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對控制回路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在滿足一定條件下，閉環(huán)系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。我們都知道，開關(guān)電源的電流都要通過電感，對于電壓信號有 的相位延遲。而對于整個(gè)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)來說，實(shí)際上09是通過初級的勵(lì)磁電流 Ip 改變高頻變壓器中的磁通，以適應(yīng)輸入電壓和負(fù)載的變化而保持輸出電壓穩(wěn)定的要求。這種采樣輸出電壓的方法來實(shí)現(xiàn)控制，在調(diào)節(jié)過程中存在一定福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 14 -滯后，結(jié)果必然是響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差，甚至在大信號變動時(shí)容易產(chǎn)生振蕩。圖 2-12　電壓控制方式原理框圖2.3.2　電流控制方式針對上述電壓型控制方式的缺點(diǎn)，最近十幾年發(fā)展起來了電流型控制技術(shù)。電流控制型開關(guān)變換器正是在傳統(tǒng)的電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)內(nèi)環(huán)——電流反饋環(huán)，使其成為一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感上的電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開關(guān)變換器的二階模型去掉了電感電流而成為一階系統(tǒng)。圖 2-13 所示為電流型控制方式的原理框圖。電流信號 Vs 跟誤差放大器的輸出電平 Ve 進(jìn)行比較，輸出脈沖與 OSC 信號（時(shí)鐘信號）加到脈寬調(diào)制鎖存電路得到開關(guān)管控制信號 Vc 來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)電源回路中的電流脈沖逐漸增大，電流在采樣電阻 Rs 上的幅度達(dá)到 Ve 電平時(shí)，脈寬比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，開關(guān)管截止。線路就是這樣逐個(gè)地檢測比較電流信號與誤差信號來調(diào)整控制信號的脈寬，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖 2-13　電流控制方式原理框圖開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 15 -可見，無論是理論分析還是電路測試，都證明電流控制型比電壓型控制型有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)對輸入電壓變化響應(yīng)快，抗干擾性能強(qiáng)。電源輸入電壓發(fā)生變化，必然會引起變壓器初級電流上升的斜率發(fā)生變化，如電壓升高，則電流增長變快，反之則變慢。但是只要電流信號達(dá)到了預(yù)定的幅度，電流控制回路就動作，使得控制脈沖寬度發(fā)生改變，保證輸出電壓的穩(wěn)定。在電壓型控制電路中，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接反應(yīng)，要到輸出電壓發(fā)生變化后，一般要在 5-10 個(gè)周期后才能響應(yīng)輸入電壓的變化。(2)具有過流保護(hù)和可并聯(lián)性。在電流控制型 DC/DC 變換器中，由于內(nèi)環(huán)采用了直接的電流峰值控制技術(shù)，它可以及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測輸出或變壓器以及開關(guān)管中的瞬態(tài)電流，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測電路。只要給定或限制參考電流，就可以準(zhǔn)確地限制流過開關(guān)管和變壓器中的最大電流，從而在輸出過載或短路時(shí)保護(hù)了開關(guān)管和變壓器，也可以有效地克服因輸入電壓的浪涌產(chǎn)生很大的尖峰電流而損壞功率開關(guān)管的缺陷。同時(shí)，由于有了這個(gè)逐個(gè)電流脈沖限制的電流環(huán)，當(dāng)多臺開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺電源都有獨(dú)立的電流負(fù)反饋，并聯(lián)輸出電壓有一個(gè)總的電壓負(fù)反饋控制電路，使各個(gè)電流反饋系統(tǒng)有相同的電流參考值，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多臺開關(guān)電源之間并聯(lián)均流。這在當(dāng)今電源規(guī)格要求繁多、電子設(shè)備整機(jī)可靠性要求提高的形勢下，為模塊化電源系統(tǒng)和電源冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了捷徑。(3)變壓器的磁通平衡。在半橋、全橋和推挽變換器中，電壓型控制不能完全克服偏磁現(xiàn)象，電流控制型可以自動解決磁通不平衡的問題，這是因?yàn)樗膬?nèi)部電流環(huán)使得即使電流脈沖寬度不同，幅值也肯定相同。(4)回路穩(wěn)定性好、負(fù)載響應(yīng)快。電流控制型可以看作是一個(gè)受輸出電壓控制的電流源，而電流源的電流大小就反映了電源輸出電壓的大小。這是因?yàn)殡姼兄须娏髅}沖的幅值是與直流輸出電流的平均值成比例的，因而電感的延遲作用就沒有了。電流控制型和電壓控制型的開關(guān)電源相比有許多優(yōu)點(diǎn)，但其本身也有缺點(diǎn)，如電感峰值電流與平均電流有誤差，直流開環(huán)負(fù)載調(diào)整率較差。這些問題絕大部分可以采取適當(dāng)措施后得到滿意地解決，這就為電流型開關(guān)電源的普及和發(fā)展創(chuàng)造了條件。(5)根本消除了 Push-Pull 開關(guān)電源存在的磁通量失衡問題。磁通量失衡會減弱電感的承壓能力，導(dǎo)致功率管電流不斷增大并最終燒毀。電流控制方式在每個(gè)周期都限定功率管峰值電流，能徹底杜絕磁通量失衡。(6)電壓調(diào)整率顯著減小。當(dāng)輸入電壓波動時(shí)，圖 2-13 中的電流檢測電阻 Rs 會立即檢測到峰值電流的變化，快速調(diào)整占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。(7)簡化了反饋電路的設(shè)計(jì)。在電壓控制方式中，LC 濾波電路在頻率達(dá)到共鳴頻率后，相移會接近最大值 ，輸入到輸出的增益會隨著頻率的升高而迅速?2/LCf?018減小，這就增加了開關(guān)電源反饋電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。在電流控制方式中，濾波電感的福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 16 -小信號阻抗幾乎為零，這樣就只能產(chǎn)生最大 相移，增益隨頻率升高而下降的速度也減09小為實(shí)際 LC 濾波電路的一半。因此反饋電路的設(shè)計(jì)可以大幅度簡化。開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 17 -第三章　POS 機(jī)的開源設(shè)計(jì)3.1　概述本文主要是為 POS 機(jī)設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路。該電源提供單組 6.8V，34W 的穩(wěn)定輸出。根據(jù)前兩章對開關(guān)電源不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法、控制方式的比較，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)電路的性能要求及條件，為使電源結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠、減少成本，本文采用單端反激式電流控制型脈寬調(diào)制方式的原理電路模型來實(shí)現(xiàn)。本章將對整個(gè)開關(guān)電源的輸入電路、變換電路、控制電路、輸出電路及保護(hù)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.2　輸入電路設(shè)計(jì)本開關(guān)電源的輸入電路包括沖擊電流抑制電路、輸入濾波電路、輸入整流電路三部分。3.2.1　沖擊電流抑制電路設(shè)計(jì)浪涌電流（又稱沖擊電流）是指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時(shí)間像“浪”一樣的高電壓引起的大電流。當(dāng)某些大容量的電氣設(shè)備接通或斷開時(shí)間，由于電網(wǎng)中存在電感，將在電網(wǎng)產(chǎn)生“浪涌電壓” ，從而引發(fā)浪涌電流。為了對輸入保險(xiǎn)絲、整流器進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)要減少對其他電子設(shè)備造成惡劣的影響，需要接入沖擊電流抑制回路，把沖擊電流抑制在允許范圍內(nèi)。根據(jù)各廠家要求不同，一般是抑制在交流輸入電流 Iac 的 5 倍以下。沖擊電流抑制回路實(shí)例如圖 3-1 所示。輸入電容充電結(jié)束的必要時(shí)間 由 R1、C1 時(shí)?間常數(shù)決定。單相時(shí)， 為（3～5）R1×C1，三相時(shí)為（2～3）R1×C1 較適宜。?沖擊電流抑制電路有多種實(shí)現(xiàn)方式，如串聯(lián)電阻方式、功率熱敏電阻方式、雙向晶閘管開關(guān)元件方式和晶閘管方式，本次設(shè)計(jì)電路采用功率熱敏電阻方式。輸入電流Iac=1.5A（最大） ，最大輸入電壓為 240V。接通時(shí)電流 Iop=5×Iac=5×1.5=7.5A，輸入電壓峰值為 Upp＝ ×240=340V，必需接入的電阻 R1 為2R1＝ ＝45 （以上）　　　　　　　　　?。?-1）5.7340?R1 需要選用能承受瞬時(shí)功率為 的熱敏電阻，其中1RP（3-2）WR25694)30((Up)21??福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 18 -根據(jù)以上計(jì)算，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)需要，選擇熱敏電阻 NTC5D-9 作為 R1，見附錄 1 所示。其實(shí)，抑制浪涌電流的最簡單方法就是在系統(tǒng) AC 線路輸入端串聯(lián)一只NTC（Negative Temperature Coefficient，實(shí)為負(fù)溫度系數(shù)之意 ）熱敏電阻。由于在冷啟動時(shí)，NTC 熱敏電阻呈現(xiàn)高阻抗，因而將使涌入電流得到限制。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使NTC 熱敏元件的溫度升高，NTC 阻值急劇下降時(shí)，對系統(tǒng)的電流限制作用會較小。但是，由于 NTC 熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會產(chǎn)生功率損耗，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。還有一個(gè)問題是 NTC 熱敏電阻在熱態(tài)下重新啟動時(shí)，對浪涌電流起不到限制作用。圖 3-1　沖擊電流抑制電路原理圖3.2.2　輸入濾波電路設(shè)計(jì)輸入濾波電路有兩種作用：其一，是防止輸入電源噪聲竄入電路中；其二，是抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲反饋到輸入電源。根據(jù)噪聲規(guī)制一般是兩種作用的回路結(jié)構(gòu)。如圖3-2 所示為輸入濾波回路原理圖。該電路是一種復(fù)合式 EMI 濾波器，R1 和 C1 構(gòu)成第一級濾波，C1 主要用來濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜電容。電阻 R 給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累影響濾波器的工作特性，斷電后還能使電源的進(jìn)線端不帶電，保證使用的安全性。共模電感 L1、L2 和電容 C2、C3 進(jìn)行第二級濾波。C2、C3 跨接在輸出端，能有效抑制共模干擾。 具體的參數(shù)選擇：（1）電容的選擇：C1 采用高頻特性較好的薄膜電容器，容量大約在0.01uF～0.47uF，R1 理論上越小越好，大約在 100k～10M；為了減少漏電流，C2、C3 選用瓷介電容，容量大約在 2200pF～0.1uF；C1～C3 的耐壓值均為 630VDC 或 250VAC。（2）電感的選擇：電感的選擇原則——從以下幾個(gè)方面考慮：第一，磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證最高頻率在 1GHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。第二，磁導(dǎo)率高，但是在實(shí)際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 19 -芯材料一般是鐵氧體；電感量的估算——考慮阻抗和頻率，共模扼流圈取值大約在1～15mH 之間。 在實(shí)際的輸入濾波電路設(shè)計(jì)中，往往是根據(jù)實(shí)際的濾波效果和電路結(jié)構(gòu)安排來選擇電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，本文設(shè)計(jì)中在允許情況下去掉了 C2 和 C3，僅用共模電感 L1 和 L2 來濾除共模干擾。 圖 3-2　輸入濾波回路原理圖3.2.3　輸入整流電路的設(shè)計(jì)整流電路有電容輸入型與扼流圈輸入型兩種，開關(guān)電源一般采用電容輸入型的整流電路，整流方式一般采用全波整流。所以，本文設(shè)計(jì)的整流回路就是典型的電容輸入型橋式全波整流電路，其原理圖如圖 3-3 所示。工作原理：四只整流二極管接成電橋形式，故稱橋式整流。在輸入電壓正半周，D1、D3 導(dǎo)通，D2、D4 截止，電流由信號源正端（上端）經(jīng) D1→ RL →D3 回到信號源負(fù)端（下端） ，在負(fù)載 RL 上得到一半波整流電壓。在輸入信號的負(fù)半周，D1、D3 截止，D2、D4 導(dǎo)通，電流信號源正端（下端）經(jīng) D2→RL →D4 回到信號源負(fù)端（上端） ，在負(fù)載 RL 上得到另一半波整流電壓。這樣就在負(fù)載 RL 上得到一個(gè)與全波整流相同的電壓波形，其電流的計(jì)算與全波整流相同，即 UL= 0.9Ui，IL = 0.9Ui/RL，流過每個(gè)二極管的平均電流 =IL/2= 0.45Ui/RL，每個(gè)二極管所承受的最高反向電壓為 Ui。目前，小功DI 2率橋式整流電路的四只整流二極管，被接成橋路后封裝成一個(gè)整流器件，稱"硅橋"或"橋堆"，使用方便。如附錄 1 使用的 KBP206G 就是一種集成的整流橋。橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點(diǎn)，但多用了兩只二極管。（1）具體選擇整流橋時(shí)，應(yīng)考慮的主要參數(shù)是：正向平均電流 ，浪涌電流 ，DIFSMI直流擊穿電壓 ，預(yù)期的耗散功率 ，即每個(gè)二極管要滿足：RVDP≥1.414RV)(maxpin?≥1.5DICI≥5FSMD福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 20 -（2）輸入濾波電容由輸出保持時(shí)間以及直流輸入電壓要求的紋波大小決定，而且流經(jīng)電容的紋波電流應(yīng)在電容允許值范圍內(nèi)。C 的紋波電流對電源壽命有很大影響，應(yīng)特別注意。輸入濾波電容的選擇主要考慮三個(gè)方面：能滿足期望電壓紋波的電容值；電容的額定電壓；電容的額定紋波電流。對于交流離線變換器，紋波電壓一般設(shè)計(jì)為輸入交流電壓峰值的 5%～8%。對于DC/DC 變換器紋波電壓峰峰值設(shè)計(jì)為 0.1V～0.5V。輸入濾波電容的大小可以從下式得到：（3-3）)(2(min)(3.0prileinavVfPC???其中， ——離線式電源輸入交流電壓最小額定頻率；inf——交流輸入整流電壓的最小峰值；(m)V——輸入電容上要得到的電壓紋波峰峰值。prile?根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，C 的電容值 C=2×PL 左右，其中，PL 為電源輸出功率，單位為 W，C的單位為 ，所以這里 C 的取值 C＝2×34=68 。因?yàn)楫?dāng)輸入電壓為 240V 時(shí)，峰值為f?f?×240=340V，所以要求 C 的耐壓值應(yīng)該在 340V 以上，這里選取 400V，68 的電解電2 f?容，如附錄 1 中所示的 C2 就是原理圖中的 C 。]9[圖 3-3　輸入整流電路原理圖3.3　變換電路設(shè)計(jì)通過第 2 章中對各種不同變換器比較，我們知道單端反激式變換器電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠、成本低，輸出功率一般為幾瓦到一百多瓦，適合于低功率輸出的開關(guān)電源。所以，本文設(shè)計(jì)的 POS 機(jī)電源電路就采用單端反激式變換電路，變換電路部分如開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 21 -圖 3-4 所示 。]10[其中變壓器 T1 起隔離和傳遞儲存能量的作用，即當(dāng)開關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，Np 中有電流流過，儲存能量，與此同時(shí)，二極管 D1 截止，負(fù)載中沒有電流。當(dāng)開關(guān)管 Q 截止時(shí)，Np 通過續(xù)流二極管 D1 向 Ns 釋放能量，從而提供負(fù)載工作。這個(gè)電流將會持續(xù)到下次開關(guān)管截止時(shí)(若到下次開關(guān)管截止前電流已下降到零則電路工作于電流斷續(xù)模式，否則工作于電流連續(xù)模式)，從而保證負(fù)載電流持續(xù)不斷。電路中輸入端的 C、R 和 D 組成 RCD 漏感電流尖峰吸收電路。因?yàn)殚_關(guān)導(dǎo)通期間是在變壓器漏感中蓄積能量的。這時(shí)，與次級繞組之間沒有耦合，因此，導(dǎo)通期間能量不能傳到次級線圈。開關(guān)管截止瞬間發(fā)生的作為初級繞組的電壓加到開關(guān)管的漏源極，這種電壓與初級繞組的阻抗成比例，非常大，就有可能損壞開關(guān)管。為此，接入此吸收回路，此電壓經(jīng)二極管整流，電容平滑后消耗在電阻中，一般把此電壓抑制到 50V 左右。同樣地，輸出端接的 R1、C1 也是構(gòu)成尖峰吸收回路，但它還有一個(gè)作用就是其中的電阻 R1起阻尼作用，防止電容 C1 和次級線圈中的寄生電容及電感 Ls 一起產(chǎn)生的振蕩，從而增加了電路的穩(wěn)定性。參數(shù)計(jì)算較麻煩，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用試探方法確定元件參數(shù)。在輸出端接有由 L1、C2 和 C3 組成一個(gè)低通濾波器，濾除噪聲干擾，輸出低紋波電壓。圖 3-4　單端反激變換電路圖3.3.1　變壓器設(shè)計(jì) 單端反激式變壓器設(shè)計(jì)的方法較多，對于反激式變換電路設(shè)計(jì)來說最難的也就是變壓器的設(shè)計(jì)和調(diào)整，一般須視具體工作狀態(tài)而定。反激變換器可工作于電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM)。同樣輸出功率時(shí)，工作于電流斷續(xù)模式具有較大的峰值電流，此時(shí)開關(guān)晶體管、整流二極管、變壓器和電容上的損耗會增加，所以一般效率較低；工作于電流連續(xù)模式下，效率較高，但輸出二極管反向恢復(fù)時(shí)易引起振蕩和噪聲。另外，工作于電流斷續(xù)模式時(shí)，由于變壓器電感量福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 22 -較小，體積可以做得小一些；而工作于電流連續(xù)模式，變壓器體積一般會較大。變壓器參數(shù)的選取應(yīng)結(jié)合整個(gè)電路設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用情況，在最初的設(shè)計(jì)中，為取得比較適中的性能，可考慮使電路工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)。反激式變壓器的設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)步驟：（1）確定已知參數(shù) 這里的已知參數(shù)包括：輸入電壓 Uin、輸出電壓 Uout、輸出的功率 Pout、效率η、開關(guān)頻率 fs(或周期 T)、線路主開關(guān)管的耐壓 Vmos。 （2）計(jì)算未知參數(shù) 在反激變換器中，初級反射電壓即反激電壓 Uf 與最大輸入電壓峰值 Udcmax 之和不能高過主開關(guān)管的耐壓，同時(shí)還要留有一定的余量(此處假設(shè)為 50%的余量)，則反激電壓由下式確定： （3-4）2)(maxdcosfUV??反激電壓和輸出電壓的關(guān)系由原、副邊的匝比確定。所以確定了反激電壓之后，就可以確定原、副邊的匝數(shù)比了： （3-5）sfspUN?其中，Us＝Uo＋Vd1＝6.8V＋0.65V＝7.45V（Us 為次級線圈電壓，Vd1 為輸出整流二極管導(dǎo)通電壓）。另外，反激電源的最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)，根據(jù)在穩(wěn)態(tài)下，變壓器的磁平衡，可以有下式： （3-6））－（ maxmaxin1DUfdc??設(shè)在最大占空比時(shí)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊電流為 Ip1，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，原邊電流上升到 Ip2。若 Ip1 為 0，則說明變換器工作于斷續(xù)模式，否則工作于連續(xù)模式。由能量守恒，我們有下式： （3-7）???????outdcpin PUDIPminax21)(本設(shè)計(jì)電路工作于電流連續(xù)模式，一般連續(xù)模式設(shè)計(jì)中，我們令 Ip2=3Ip1 ，這樣就可以求出變換器的原邊電流，由此可以得到原邊電感量： 開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 23 -（3-PsdcpIfUDL???minax8）其中，ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1?？捎?AwAe 法求出所要鐵芯： （3-9）14.2)0(jowpewKBILA???在上式中， Aw 為磁芯窗口面積，單位為 cm ； Ae 為磁芯截面積，單位為 cm ； 2Lp 為原邊電感量，單位為 H；Ip2 為原邊峰值電流，單位為 A； Bw 為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為 T； Ko 為窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，一般為 0.2～0.4； Kj 為電流密度系數(shù)，一般取 395A/cm。根據(jù)求得的 AwAe 值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感。 有了磁芯就可以求出原邊的匝數(shù)，根據(jù)下式： （3-ewppABILN??421010）再根據(jù)原、副邊的匝數(shù)比關(guān)系可以求出副邊的匝數(shù)。有時(shí)求出的匝數(shù)不是整數(shù)，這時(shí)應(yīng)該調(diào)整某些參數(shù)，使原、副邊的匝數(shù)合適。 為了避免磁芯飽和，我們應(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?Lg，計(jì)算如下： （3-11）　　　　　　　　　 pegLANL82104.0????在上式中， Lg 為氣隙長度，單位為 cm；Np 為原邊匝數(shù)； Ae 為磁芯的截面積，單位為 cm ；2Lp 為原邊電感量，單位為 H。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 24 -至此，單端反激開關(guān)電源變壓器的主要參數(shù)設(shè)計(jì)完成。我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)完成后核算窗口面積是否夠大、變壓器的損耗和溫升是否可以接受，同時(shí)，在變壓器的制作中還有一些工藝問題需要注意 。]1[3.3.2　輔助電源的設(shè)計(jì)輔助電源拓?fù)潆娐芬话銇碚f輸出功率很?。?W～3W），輸出電壓為 10～15V，主要是為主功率電路的 PWM 芯片及提供輔助功能的邏輯、檢測電路供電。其中，輔助功能包括過流、過壓的檢測和保護(hù)、遙控信號等。這類輔助電源并一定要穩(wěn)壓輸出，因?yàn)樨?fù)載通常可以承受相對較大的輸入電源波動（最大可達(dá) 15％）。如果使輔助電源穩(wěn)壓輸出（通常只要求波動在正負(fù) 2％以內(nèi)），可提高電路的可靠性，而且主功率電路的運(yùn)行將更具可預(yù)測性。這類電源所用元件數(shù)量必須少且成本要低，并且只能占用主功率電路及其輸出電路所占用空間的一小部分。如圖 3-5 所示為本文所設(shè)計(jì)電路中輔助電源的原理電路。由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構(gòu)成輔助電源。主要用于中小功率電源系統(tǒng)，有利于減小整個(gè)電源的體積，實(shí)現(xiàn)小型化，節(jié)約成本。特點(diǎn)是輔助電源與主變換器二者的工作狀態(tài)互相制約。如果輔助電源不給控制電路供電，主變換器將不工作。而當(dāng)主電路不工作，輔助電路也隨之關(guān)閉。所以在電源的啟動階段需要一些方法給控制電路提供能量，然后過渡到正常的工作狀態(tài) 。]12[圖 3-5　輔助電源電路原理圖3.3.3 開關(guān)管的選擇從原理上說，能夠用來當(dāng)成開關(guān)管的器件有很多種，例如雙極型晶體管，快速晶閘管，可關(guān)斷晶閘管，場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 25 -實(shí)際應(yīng)用中，更多是采用場效應(yīng)晶體管（MOSFET）來構(gòu)成開關(guān)電路。這是因?yàn)镸OSFET 具有更快的開關(guān)速度，電源開關(guān)頻率可以做得更高，可以從 50kHz 提高到 200KHz甚至 400kHz。同時(shí)它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、功耗小、制造工藝簡單和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)。對于電路設(shè)計(jì)者來說，MOSFET 的制造材料和固態(tài)物理結(jié)構(gòu)并不太重要，更主要的是直流伏安特性、極間電容、溫度特性和開關(guān)速度。在很大程度上，用 MOSFET 管設(shè)計(jì)電源比用雙極型晶體管更簡單。MOSFET 管輸入端（柵極）的驅(qū)動電路要比雙極型晶體管的基極驅(qū)動電路簡單得多。而且 MOSFET 管沒有儲存時(shí)間，避免了復(fù)雜的鉗位電路和比例基極驅(qū)動電路。另外，雙極型晶體管 值在制造?過程中可能引起比 MOSFET 管多達(dá) 4 倍的問題。 3.3.3.1 MOSFET 的基本工作原理MOSFET 是利用電場效應(yīng)來控制半導(dǎo)體中電流的一種半導(dǎo)體器件，故因此而得名場效應(yīng)管。MOSFET 是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導(dǎo)電，故又稱為單極型晶體管。MOSFET 的類型若從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的 N 溝道器件和空穴作為載流子的 P 溝道器件。MOS 場效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有 N 溝道、P 溝道之分）及耗盡型（也有 N 溝道、P 溝道）。N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖見圖 3-6 所示，其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極； 電極 G（Gate ） 稱為柵極，相當(dāng)于雙極型三極管的基極；電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于雙極型三極管的發(fā)射極。圖 3-6　N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖（1）N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 結(jié)構(gòu)根據(jù)圖 3-6 所示，N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P 型半導(dǎo)體上生成一層 SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的 N 型區(qū)，從N 型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極 D，一個(gè)是源極 S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極 G。P 型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號 B 表示。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 26 -（2）N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 工作原理① 柵源電壓 的控制作用GSV當(dāng) ＝0 V 時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在 D、S 之間加上電壓不會在GSD、S 間形成電流。當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若 0＜ ＜ 時(shí)，通過柵極和襯底間形成的電容電場作用，GS)(thV將靠近柵極下方的 P 型半導(dǎo)體中的多子空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成導(dǎo)電溝道將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流 。DI進(jìn)一步增加 ，當(dāng) ＞ 時(shí)（ 稱為開啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已GSVS)(thG)(thGSV經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的 P 型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流 。在柵極下方形成的導(dǎo)DI電溝道中的電子，因與 P 型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著 的繼GSV續(xù)增加， 將不斷增加。在 ＝0V 時(shí) ＝0，只有當(dāng) ＞ 后才會出現(xiàn)漏極電流，DIGSVDIGSV)(th這種 MOS 管稱為增強(qiáng)型 MOS 管。對漏極電流的控制關(guān)系可用 ＝f( )| 這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性GSV)(thGSConstDS?曲線，如圖 3-7 所示。圖 3-7　N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率 gm 的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm 的量綱為mA/V，所以 gm 也稱為跨導(dǎo)。在 的情況下，跨導(dǎo)的定義式如下：ConstDSV?）（ 單 位 ： mSVIgGSDm??（3-12）② 漏源電壓 對漏極電流 的控制作用DSVDI當(dāng) ＞ ，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓 對漏極電流 的影響。因GS)(th DSVDI開關(guān)電源應(yīng)用——POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì)- 27 -為：DSV＝ G＋ S＝－ GDV＋ S　　　　　　　　　?。?-13）所以，GDV＝ S－ D　　　　　 　　　　　　　?。?-14）當(dāng) 為 0 或較小時(shí)，相當(dāng) ＜ ，此時(shí) 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜DSV)(thSS線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。當(dāng) 增加到使 ＝ 時(shí)，這相當(dāng)于 增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情SGD)(thSVDSV況，稱為予夾斷，此時(shí)的漏極電流 基本飽和；當(dāng) 增加到 ＜ 時(shí)，此時(shí)予夾DI GDV)(thS斷區(qū)域加長，伸向 S 極， 增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， 基本趨于S DI不變 。]13[3.3.3.2　實(shí)際選擇原則實(shí)際選擇 MOSFET 時(shí)，主要是根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的電源的輸入電壓范圍、輸入電流峰值、工作頻率等因素來選擇管子的漏源極電壓、漏極最大電流、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、跨導(dǎo)、最高工作頻率、導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間和極間電容，從而選擇合適的管子。本次設(shè)計(jì)中，我們令初級反射電壓 Uf＝100V，輸入最高直流電壓Udcmax= ×240=340V，所以理論上 MOSFET 至少要能承受電壓 Vmos=Uf+Udcmax=440V。2而實(shí)際上，工程設(shè)計(jì)時(shí)暫定的 Uf 都必須考慮 50％的余量，即可能會出現(xiàn) 200V 的反峰電壓值，故實(shí)際 MOSFET 管要能承受 Vmos=2×Uf+Udcmax=200V＋340V＝540V，所以我們要選擇 540V 以上耐壓的 MOSFET，而 MOSFET 的最大允許電流應(yīng)為正常工作最大電流（1.5A）的 2～3 倍，故選擇附錄 1 中的 SSS4N60B，它的耐壓值為 600V，最大漏極電流為 4A，它是 Semiconductor 廠商生產(chǎn)的 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET，符合我們的設(shè)計(jì)要求。3.4　控制電路的設(shè)計(jì)整個(gè)控制電路包括兩部分，一部分是由 UC3842 構(gòu)成的電流控制型脈寬調(diào)制電路，用來根據(jù)檢測到的輸出電壓和輸入電壓的變化（表現(xiàn)為電流變化）而實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出脈沖寬度去改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間從而使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。另一部分是由 TL431 構(gòu)成的輸出閉環(huán)反饋回路，用來實(shí)時(shí)地檢測輸出電壓的變化，然后以反饋給 UC3842 。]14[3.4.1　UC3842 構(gòu)成的電流控制型脈寬調(diào)制電路3.4.1.1　UC3842 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)- 28 -UC3842 是美國 Unitrode 公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。UC3842 為 8 腳雙列直插式封裝 ，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-8 所示。主要由