【正文】 對于電路設計者來說， MOSFET 的制造材料和固態(tài)物理結構并不太重要，更主要的是直流伏安特性、極間電容、溫度特性和開關速度。 圖 35 輔助電源電路原理圖 開關管的選擇 從原理上說，能夠用來當成開關管的器件有 很多種，例如雙極型晶體管，快速晶閘管，可關斷晶閘管，場效應晶體管和絕緣柵 雙極型晶體管。特點是輔助電源與主變換器二者的工作狀態(tài)互相制約。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。 開關電源應用 —— POS 機的電源設計 27 輔助電源的設計 輔助電源拓撲電路一般來說輸出功率很小（ 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、檢測電路供電。有時求 出 的匝數(shù)不是整數(shù)，這時應該調(diào)整某些參數(shù)，使原、副邊的匝數(shù)合適。由能量守恒，我們有下式： ???????? outdcppin PUDIIP m i nm a x21 )(2 1 （ 37） 本設計電路工作于電流連續(xù)模式， 一般連續(xù)模式設計 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。 （ 2） 計算 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管的耐壓，同時還要留有一定的余 量 (此處假設為 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系由原、副邊的匝比確定。 同樣輸出功率時，工作于電流斷續(xù)模式具 有較大的峰值電流，此時開關晶體管、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時易引起振蕩和噪聲 。參數(shù)計算較麻煩，因此，實際設計中采用試探方法確定元件參數(shù)。這時，與次級繞組之間沒有耦合，因此，導通期間能量不能傳到次級線圈。當 開關管 Q 截止 時 ， Np 通過續(xù)流二極管 D1向 Ns 釋放能量 ，從而提供負載工作 。因為當輸入電壓為 240V 時，峰值為 2 240=340V，所以要求 C的耐壓值應該在 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[ 。 開關電源應用 —— POS 機的電源設計 23 對于交流離線變換器，紋波電壓一般設計為輸入交流電壓峰值的 5%～ 8%。 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，但多用了兩只二極管。 在 輸入信號 的負半周， D D3 截止， D D4 導通，電流 信號源正端（下端） 經(jīng) D2→ RL → D4 回到 信號源負端（ 上端 ） ，在負載 RL 上得到另一半波整流電壓。 福州大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 22 圖 32 輸入濾波回路原理圖 輸入整流電路的設計 整流電路有電容輸入型與扼流圈輸入型兩種， 開關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。 （ 2）電感的選擇： 電感 的 選 擇 原則 —— 從以下幾個方面考慮：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)定的磁導率。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線端不帶電，保證使用的安全性 。 圖 31 沖擊電流抑制電路原理圖 輸入濾波電路設計 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，是抑制開關電源產(chǎn)生的噪聲反饋到輸入電源。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。 沖擊電流抑制電路有多種實現(xiàn)方式，如串聯(lián)電阻方式、功率熱敏電阻方式、雙向晶閘管開關元件方式和晶閘管方式， 本次設計電路采用功率熱敏電阻方式。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。 輸入電路設計 本開關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。 福州大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 20 第 三 章 POS 機 的開源設計 概述 本文主要是為 POS 機設計開關電源電路。 (7)簡化了反饋電路的設計。磁通量失衡會 減弱電感的承壓能力，導致功率管電流不斷增大并最終燒毀。這是因為電感中 電流脈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。 (3)變壓器的磁通平衡 。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，它可以及時、準確地 檢測輸出或變壓器以及開關管中的瞬態(tài)電流，自然形成了逐個電流脈沖檢測電路。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。電流信號 Vs 跟誤差放大器的輸出電平 Ve 進行比較 ， 輸出脈沖與 OSC 信號 （時鐘信號） 加到脈寬調(diào)制鎖存電路 得到開 關 管控制信號 Vc 來控制開關 管 的 導通 時間。這種采樣輸出電壓的方法來實現(xiàn)控制，在調(diào)節(jié)過程中存在一定滯后，結果必然是響應速度慢、穩(wěn)定性差，甚至在大信號變動時容易產(chǎn)生振蕩。 電壓控制型開關電源是一個二階系統(tǒng)，它有兩個狀態(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。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 控制開關管的導通時間，從而 決定了輸出能量的大小。設計者要知道各種控制方式之間細微的差別。PSM 變換器具有輕 負載效率高、響應速度快的特點，是小功率變換器的一種理想的調(diào)制方法 。 但 PWM 調(diào)制方法具有線性調(diào)整率較差、輕負載時效率低等缺點。顯然，由于脈寬不變，所以當頻率高時，在特定時間內(nèi)的開關管 導通時間就多一點，反之則少一點，從而可以達到穩(wěn)定輸出的目的。 它基于恒寬變頻 CWVF 的調(diào)制脈沖去控制功率管的導通，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。當輸出電壓 Vo 和參考電壓Vr之間存在輸出誤差 Ve時，該誤差信號和三角波或鋸齒波信號 Vt 進行比較，得到 PWM 控制信號 Vc。 其缺點是驅(qū)動電路較復雜，原因是目前 PNP 型或 P 溝道半導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。這種電路的輸出功率目前可以做到近 1000W。圖中電容 C1 和 C2 將 Ui 分成相等的兩半，開關 S1 和 S2 輪流導通。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)。鉗位線圈有兩個作用，一是將 S兩端的自感應電壓限制在 2Ui 以下，二是使變壓器的磁通復位。當開關 S閉合時，整流二極管 D1 也導通，電流流過負載 RL 及濾波電容 C，同時將能量儲存于濾波電感 L 中。開關 S 和二極管 D 總是交替導通或截止，故稱之為反激式。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，下面逐一進行介紹 ]6[ 。 圖 22 Boost 變換器 反轉(zhuǎn)型（ BuckBoost 變換器） 其電路結構 框圖 如圖 23 所示。當開關 S 閉合時，電感 L中流過很大的電流 Ii，將電能變?yōu)榇拍軆Υ嬗陔姼?L中。與此同時，二極管 D因電感 L 產(chǎn)生的自感應電壓（極性左負右正）而導通，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。 降壓型（ Buck 變換器） 其電路結構 構圖 如圖 21 所示。此外，該公司最近還研制成功 NCP1200 型單片開關電源以及 NCP1650 型功率因數(shù) 校正器專用集成電路 ]5[ 。 荷蘭飛利浦（ Philips） 公司于 2020 年研制成功 TEA15 TEA1520 系 列單片開關電 開關電源應用 —— POS 機的電源設計 9 源，它屬于反激式開關電源，其中， TEA1524 的最大輸出功率為 50W。 MC33370 包括MC33369～ MC33374 等 6 種規(guī)格、 17 種型號。 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電源 ， 它屬于 AC/DC 電源 變換器。 80 年代初，意－ 法半導體有限公司 (SGSThomson，簡稱 ST)率先推出 L4960 系列單片開關式穩(wěn)壓器。 第一個是對 電 源的核心單元 —— 控制電路實現(xiàn)集成化。當穩(wěn)壓電路、高壓電路、負載等出現(xiàn)故障或短路時，能自動切斷電源，其保護功能靈敏、可靠 ]2[ 。 （ 3） 體積小、重量輕。 （ 2） 穩(wěn)壓范圍寬。同時 ，還出現(xiàn)了主、副多個開關電源、 PWM（從取樣誤差放大到脈寬調(diào)制器電路）諧振式開關電源、多環(huán)路控制自激式開關電源及多開關管的橋式變換器開關電源等。 圖 12 開關電源的基本構成 線性穩(wěn)壓電源與開關 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 電源的各種性能比較 如下表12 所示。這一部分是開關穩(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、電子開關電路及脈沖整流濾波電路等幾部分組成。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[ 。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 。 開關電源的發(fā)展及方向 開關電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源、相控電源到開關電源的發(fā)展歷程，由于開關電源具有功率轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點，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。此外，開關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。 49 開關電源應用 —— POS 機的電源設計 5 第 一 章 緒論 目前空間技術、計算機、通信、雷達、電視機及家用電器中的電源已經(jīng)漸漸地被開關電源取代。 37 輸入電壓不變，輸出負載變化時 36 整機電路工作過程解析 35 福州大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 4 輸出電壓檢測電路解析 29 輸出電路設計 20 輔助電源