開關(guān)電源應(yīng)用——POS機(jī)的電源設(shè)計(jì)
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開關(guān)電源的應(yīng)用—— POS機(jī)的電源設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯,,班級：02級通信工程2班
姓名：周少宏
導(dǎo)師：林強(qiáng)、李偉,開關(guān)電源的應(yīng)用——POS機(jī)的電源設(shè)計(jì),第1章 緒論
第2章 開關(guān)電源的電路原理與設(shè)計(jì)
第3章 POS的電源設(shè)計(jì)
第4章 整機(jī)電路解析與測試
第5章 結(jié)論,,第1章 緒論（P1）
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作是通過分析并設(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。
開關(guān)電源是由傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源發(fā)展而來的，它以其功耗小、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代線性穩(wěn)壓電源而得到廣泛應(yīng)用。,1.1開關(guān)電源的基本構(gòu)成（P2）,,開關(guān)電源原理框圖如圖1.1.2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 。,,1.2線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源比較（P2）,在線性穩(wěn)壓電源中，電壓調(diào)整管是工作在線性放大狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，調(diào)整管的功耗太大，使轉(zhuǎn)換效率低，一般只有35%~60%，而且還要安裝很大的散熱片。另外，由于工作頻率低，所以它需要龐大而笨重的工頻變換器，所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大。
P1,,在開關(guān)電源中，電壓調(diào)整管是工作于開關(guān)狀態(tài)，它的導(dǎo)通和關(guān)斷時間受控制電路輸出的控制脈沖決定。
因?yàn)殡妷赫{(diào)整管是工作于開關(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。 P1,,所以，線性穩(wěn)壓電源只適合用于對效率和溫度要求不高的小功率電源電路和那些對電氣噪聲很敏感而需要“靜音”電源（即不產(chǎn)生噪聲干擾）的儀器設(shè)備，如音頻和視頻放大器等。
而在便攜式產(chǎn)品、航空和自動化產(chǎn)品、儀器儀表等產(chǎn)品中，笨重而低效的線性穩(wěn)壓電源已經(jīng)漸漸被開關(guān)電源取代。,第2章 開關(guān)電源的電路原理與設(shè)計(jì)（P5）,2.1 開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（P5）
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，主要有降壓型（Buck變換器）、升壓型（Boost變換器）、反轉(zhuǎn)型（Buck-Boost變換器）、單端反激式變換電路、單端正激式變換電路、推挽式變換電路、半橋式變換電路、全橋式變換電路等。,2.2 開關(guān)電源調(diào)制方法（P9）
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。,2.3 開關(guān)電源控制方式（P12）
開關(guān)電源控制方式大致可以分為電壓控制方式和電流控制方式兩種。
電流控制型開關(guān)變換器是在傳統(tǒng)的電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加了一個內(nèi)環(huán)——電流反饋環(huán)，使其成為一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而克服了只有單反饋環(huán)的電壓控制型的缺點(diǎn)，具體工作過程后述。,所以，要設(shè)計(jì)一個具體的開關(guān)電源，必須先根據(jù)使用的條件及要求達(dá)到的性能指標(biāo)選擇好合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法和控制方式，從而才能開始設(shè)計(jì)實(shí)際電路。,第3章 POS機(jī)的電源設(shè)計(jì)（P15）,根據(jù)第2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、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)。
1.為什么選擇單端反激式？（P6）
因?yàn)閱味朔醇な诫娐方Y(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。,2.為什么選擇電流控制型？（P13）
因?yàn)橄啾入妷嚎刂菩蛠碚f，電流控制型：
?。?）對輸入電壓變化響應(yīng)快，抗干擾性能強(qiáng)。
（2）具有過流保護(hù)。
?。?）回路穩(wěn)定性好、負(fù)載響應(yīng)快。
?。?）簡化了反饋電路的設(shè)計(jì)。,3.為什么選擇脈寬調(diào)制方法？ （P9）
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)。,3.1 輸入電路設(shè)計(jì)
3.1.1 沖擊電流抑制電路設(shè)計(jì)(P15),浪涌電流是指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時間象“浪”一樣的高電壓引起的大電流。
由于在冷啟動時，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，對系統(tǒng)的電流限制作用會較小。
具體參數(shù)計(jì)算見論文P15。,,,,3.1.2 輸入濾波電路設(shè)計(jì)(P16),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是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。為了減小漏電流，C2、C3宜選用陶瓷電容器。
具體參數(shù)選擇見論文P16。,3.1.3 輸入整流電路的設(shè)計(jì)（P17）,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。
在輸入電壓正半周，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，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，在負(fù)載RL上得到另一半波整流電壓。這樣就在負(fù)載RL上得到一個全波整流的電壓波形。
具體元件參數(shù)選擇與計(jì)算見論文P17。,3.2 變換電路的設(shè)計(jì)（P18）
設(shè)計(jì)一個開關(guān)電源，最核心的工作就是設(shè)計(jì)它的變換電路。
我們選擇單端反激式變換器 ，原因就是電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠、成本低 ，適合小功率電源。
其結(jié)構(gòu)框圖如下所示：,,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，Np中有電流流過，儲存能量，與此同時，二極管D1截止，負(fù)載中沒有電流（注意：這只是理論分析時的情況，實(shí)際上電源一接通負(fù)載即刻有電流）。當(dāng)開關(guān)管Q截止時，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。這個電流將會持續(xù)到下次開關(guān)管截止時，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，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組成一個低通濾波器,濾除噪聲干擾，輸出低紋波電壓。
具體參數(shù)計(jì)算見論文P19~23。,整個設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就是變換電路中變壓器的參數(shù)計(jì)算與繞制，實(shí)際上變壓器設(shè)計(jì)要求更多的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工藝技巧，理論求得的參數(shù)就是一個參考值，實(shí)際參數(shù)是要經(jīng)調(diào)試后才能確定。
具體參數(shù)計(jì)算見論文P19~23。,3.3 控制電路的設(shè)計(jì)
3.3.1 由UC3842構(gòu)成的電流控制型脈寬調(diào) 制電路（P24）,（1）啟動過程：首先由電源通過啟動電阻 R1 提供電流給電容 C2充電，當(dāng) C2 電壓達(dá)到 UC3842的啟動電壓門檻值 16V時，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由6端輸出驅(qū)動開關(guān)管工作，輸出信號為高低電壓脈沖。開關(guān)管一導(dǎo)通，變壓器開始工作，之后由反饋線圈（即輔助電源）向UC3842提供正常工作的電壓13V。,（2）穩(wěn)壓過程：經(jīng)推導(dǎo)可知（詳見論文P26），輸出電壓Uo與Ton成正比,與匝比N及Toff成反比。所以,當(dāng)電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓降低時,反饋線圈的輸出電壓則會變低,從而使2端電壓變低,則脈寬調(diào)制器會相應(yīng)的增大輸出PWM波形的占空比,使大功率晶體管導(dǎo)通的時間變長；反之,當(dāng)電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓升高時,則脈寬調(diào)制器會相應(yīng)的減小PWM輸出脈沖波形的占空比,使大功率晶體管導(dǎo)通的時間變短,從而維持輸出電壓穩(wěn)定。,,3.3.2 由TL431構(gòu)成的輸出電壓檢測電路（P27）,由圖可知，R1和R2是輸出取樣電阻，兩者對輸出的分壓通過TL431的REF端（端1）來控制從陰極到陽極的分流。這個電流又是直接驅(qū)動光耦的發(fā)光部分的。所以，當(dāng)輸出電壓Vo變大時，Vref端電壓升高，電流變大，導(dǎo)致流過TL431的電流變大，于是光耦的發(fā)光增強(qiáng)，感光端得到的反饋電壓也就增大，這個反饋電壓送到UC3842的端2（電壓反饋輸入端），將使輸出控制脈沖寬度變小，開關(guān)管導(dǎo)通時間降低，從而使輸出電壓下降；,反之，當(dāng)輸出電壓Vo變小時，Vref端電壓變小，電流變小，導(dǎo)致流過TL431的電流變小，于是光耦的發(fā)光減弱，感光端得到的反饋電壓也就減小，于是UC3842輸出控制脈沖寬度變大，增加開關(guān)管導(dǎo)通時間來提高輸出電壓，從而維持輸出電壓穩(wěn)定。而這一整個過程從檢測到輸出電壓變化到控制輸出脈沖變化直到使輸出維持穩(wěn)定是在極短的時間里面就完成的。
整個控制電路的參數(shù)計(jì)算見論文P24~28。,3.4 輸出電路的設(shè)計(jì)（P28）
輸出電路的主要工作就是對次級輸出電壓Us進(jìn)行整流濾波后得到平滑低紋波輸出電壓Uo，所以設(shè)計(jì)輸出電路主要就是設(shè)計(jì)輸出整流濾波網(wǎng)絡(luò)和尖鋒吸收回路。,其中,D1為輸出整流二極管，必須采用大電流、低功耗、超高速的肖特基二極管；R1和C1構(gòu)成D1的尖鋒吸收回路，防止次級感應(yīng)電壓尖鋒損害D1,另外R1還起到阻尼作用，防止電容C1與次級線圈電感Ls及其寄生電容Cs一起產(chǎn)生不必要的振蕩而影響輸出穩(wěn)定性；L1、C2和C3構(gòu)成型濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除回路噪聲及其他干擾信號，使輸出平整，紋波小。
具體參數(shù)計(jì)算見論文P29。,3.5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（P36）
開關(guān)電源的保護(hù)電路主要包括短路保護(hù)、過流保護(hù)和過壓保護(hù)等，在本文設(shè)計(jì)的電路中，由于采用的是UC3842構(gòu)成的控制電路，它具有短路和過流保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載短路或過流時，UC3842將使出脈寬下降直至無輸出脈沖，從而使開關(guān)管不能工作，等電路恢復(fù)正常時它將自動恢復(fù)正常工作。,而過壓保護(hù)則是由穩(wěn)壓管D6（18V）檢測一次側(cè)輔助電源電壓、由穩(wěn)壓管D9（8.2V）、U3檢測二次輸出的電壓，當(dāng)出現(xiàn)過壓時D5和U3導(dǎo)通，同時穩(wěn)壓二極管D6和D9同時擊穿，UC3842端1分流加大，停止輸出脈沖。同時，由于電流迅速加大，使Q2和Q3導(dǎo)通，而Q2和Q3又是接成可控硅回路，故電流瞬間達(dá)到飽和，Q2集電極到地的電壓（也是UC3842電源端）被鉗位在1V以下，使UC3842無法工作，電源停機(jī)。故障排除后需重新上電才能使電路正常工作，從而起到過壓保護(hù)作用。,,第4章 整機(jī)電路解析（P30）
將第3章設(shè)計(jì)的各部分電路結(jié)構(gòu)拼合起來，并在調(diào)試的時候加上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償回路，使電路更加穩(wěn)定可靠，得到如下所示的整機(jī)電路圖。,,整機(jī)電路測試
輸出負(fù)載不變，輸入電壓變化時：
1.輸入電壓為交流220V時，
?、賃C3842的：
端1（電壓反饋輸入端）信號Vfb：,端3（電流檢測輸入端）信號Vs：,端6（控制信號輸出端）信號Vc：,②變壓器：
初級反鋒電壓Uf ：,次級輸出電壓Us：,輸出電壓Vo：,輸入電壓不變，輸出負(fù)載變化時：
具體各點(diǎn)波形都不變，大小發(fā)生變化，
波形從略。,（1）當(dāng)輸出負(fù)載不變（IL=1A），而輸入電壓從最小到最大變化時：
電流檢測信號Vs將發(fā)生變化，因?yàn)檩斎腚妷鹤兓?，電路中電流發(fā)生變化，所以Vs變化，輸入越小，Vs越大，反之，Vs越小。
控制信號Vc大小不變，但占空比也發(fā)生變化。輸入越小，占空比越大，才能使輸出保持不變，滿足能量守恒。,電壓反饋信號Vfb不變，因?yàn)檩敵鲭妷汉拓?fù)載都沒變化，所以電壓反饋信號不會變。
反峰電壓Uf大小不變，因?yàn)槠浯笮∈俏覀冊O(shè)計(jì)變壓器時設(shè)定的，所以不會再變化，但其占空比是變化的，和Vc的變化一樣。
次級電壓Us不變，因?yàn)榇渭夒妷篣s＝Vo＋Vd7＝6.8＋0.6＝7.4（V），但占空比也是和Vc一樣變化。
輸出電壓Vo始終不會變化，即穩(wěn)定在6.8V，誤差在2%以內(nèi)。,（2）當(dāng)輸入電壓不變（Vi=220V），而負(fù)載電壓從空載到滿載變化時：
電流檢測信號Vs隨負(fù)載變大而變大，即滿足能量守恒。
控制信號Vc大小不變，占空比變大，因?yàn)檩敵鲐?fù)載變大，所以占空比要變大，才能滿足能量守恒。
電壓反饋信號Vfb變大，因?yàn)樨?fù)載電流變大了,反饋信號增強(qiáng)，從而控制輸出占空比變大。,反峰電壓Uf大小不變，原因同情況（1），而占空比和Vc一樣變化。
次級電壓Us大小不變，原因同情況（1）,而占空比和Vc一樣變化。
輸出電壓Vo始終不會變化，即穩(wěn)定在6.8V，誤差在2%以內(nèi)。,第5章 結(jié)論
本電源電路主要特點(diǎn)就是，在100V到240V的寬電壓輸入時，能穩(wěn)定提供6.8V，34W的穩(wěn)定輸出，偏差小于2%，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)75%以上，而且具有短路、過壓、過流保護(hù)，工作安全可靠 。
通過分析比較開關(guān)電源與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源的區(qū)別，知道開關(guān)電源以其功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、體積小、重量輕、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。,致謝,
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