【正文】 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。 在這種變換電 路中，變壓器的初級(jí)線圈 L1 中在整個(gè)周期中都有電流，磁芯利用更充分。 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。電路中二極管 D的導(dǎo)通與截止由次級(jí)線圈 Ns 上電壓極性決定，而該電壓極性則由變壓器初、次級(jí)線圈的同名端接法決定，如圖中小圓點(diǎn)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 。電感 L是電路中的一個(gè)重要的儲(chǔ)能元件，當(dāng) S 閉合時(shí)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來，當(dāng) S斷開時(shí)又將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜怼? 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 第 二 章 開關(guān)電源的電路原理與設(shè)計(jì) 本章主要是對(duì)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(jiǎn)單地介紹。 MC33370 系列可廣泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無(wú)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。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 。 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(shì)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。 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。 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 7 表 12 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(jiǎn)單 復(fù)雜 穩(wěn)定度 高（ ％～ ％） 普通（ ％～ 3％） 紋波（ pp） 小（ ～ 10mV） 大（ 10～ 200mV） 暫態(tài)反應(yīng)速度 快（ 50μ s～ 1ms） 普通（ 500μ s～ 10ms） 輸入電壓范圍 輸入電壓范圍大時(shí)，效率降低，無(wú)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(wú) 有 開關(guān) 電源的分類 開關(guān) 電源有多種分類。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 圖 11 線性穩(wěn)壓電路原理圖 開關(guān) 電源 開關(guān)電源 原理框圖如圖 12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。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(wú)人值守 ]2[ ?，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％。 36 第五章 整機(jī)電路測(cè)試與結(jié)果分析總結(jié) 35 過壓保護(hù)電路解析 34 變換電路解析 32 參數(shù)計(jì)算 23 控制電路的設(shè)計(jì) 18 變換電路設(shè)計(jì) 16 輸入電路設(shè)計(jì) 在經(jīng)過 調(diào)試過程中的對(duì)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。該電源有效輸入電壓范圍為 100V～ 240V，輸出電壓為 ,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。 在介紹具體的設(shè)計(jì)電路之前， 本文 先簡(jiǎn)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。 2 開關(guān)電源的分類 4 第二章 開關(guān)電源的電路 原理與設(shè)計(jì) 13 開關(guān)電源控制方式 20 輔助電源的設(shè)計(jì) 35 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 輸出電壓檢測(cè)電路解析 37 輸入電壓不變，輸出負(fù)載變化時(shí) 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。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 11 所示 。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。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。 （ 3） 體積小、重量輕。 第一個(gè)是對(duì) 電 源的核心單元 —— 控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。 1994 年，美國(guó)電源集成公司 (Power Integrations， 簡(jiǎn)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。 荷蘭飛利浦（ Philips） 公司于 2020 年研制成功 TEA15 TEA1520 系 列單片開關(guān)電 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 9 源，它屬于反激式開關(guān)電源，其中， TEA1524 的最大輸出功率為 50W。 降壓型（ Buck 變換器） 其電路結(jié)構(gòu) 構(gòu)圖 如圖 21 所示。當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)，電感 L中流過很大的電流 Ii，將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存于電感 L中。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[ 。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?jī)?chǔ)存于濾波電感 L 中。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)。這種電路的輸出功率目前可以做到近 1000W。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(hào)和三角波或鋸齒波信號(hào) Vt 進(jìn)行比較，得到 PWM 控制信號(hào) Vc。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。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 。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(hào) Ve， Ve 又和鋸齒波信號(hào) 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(hào) 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。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(hào)變動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生振蕩。電源輸入電壓發(fā)生 變化，必然會(huì) 引起變壓器初級(jí)電流上升的斜率發(fā)生 變化，如電壓升高，則電流增長(zhǎng)變快，反之 則變慢。 (3)變壓器的磁通平衡 。磁通量失衡會(huì) 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。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 第 三 章 POS 機(jī) 的開源設(shè)計(jì) 概述 本文主要是為 POS 機(jī)設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路。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。由于在冷啟動(dòng)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。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 。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 圖 32 輸入濾波回路原理圖 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。 橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級(jí)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。因?yàn)楫?dāng)輸入電壓為 240V 時(shí)，峰值為 2 240=340V，所以要求 C的耐壓值應(yīng)該在 340V 以上，這里選取 400V， 68 f? 的電解電容，如附 錄 1中所示 的 C2 就是原理圖中的 C]9[ 。這時(shí)，與次級(jí)繞組之間沒有耦合，因此，導(dǎo)通期間能量不能傳到次級(jí)線圈。 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(huì)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 。由能量守恒，我們有下式： ???????? outdcppin PUDIIP m i nm a x21 )(2 1 （ 37） 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： Psdcp If UDL ???? minmax （ 38） 其中 ，Δ Ip=Ip2Ip1=2Ip1。 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 27 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?。?1W～ 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(cè)電路供電。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。 對(duì)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。 圖 35 輔助電源電路原理圖 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(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵 雙極型晶體管。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。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。 （ 2） 計(jì)算 未知參數(shù) 在反激變換器中， 初級(jí) 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： 2 )( maxdcm osf UVU ?? （ 34） 反激電壓和輸出電壓的關(guān)系由原、副邊的匝比確定。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)。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 。 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 23 對(duì)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%。 在 輸入信號(hào) 的負(fù)半周， D D3 截止， D D4