【正文】 控制方式 選擇不正確，會(huì)使電源工作不穩(wěn)定而浪費(fèi)寶貴 的時(shí)間。 但是其輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力差。 PSM 調(diào)制 方法的效率很高，而 且?guī)缀跖c負(fù)載無(wú)關(guān)，當(dāng)負(fù)載變換時(shí)，效率是一個(gè)恒定值。 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。 圖 211 PSM 調(diào)制方法 的工作 原理 及波形示意 圖 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 17 三種不同調(diào)制方法比較 PWM 調(diào)制原理簡(jiǎn)單，電路易于實(shí)現(xiàn)，而且 PWM 脈沖控制信號(hào)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) 。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 圖 210 PFM 調(diào)制方法原理框圖 PSM(Pulse Skip Modulation)調(diào)制方法 圖 211所示 為 PSM調(diào)制方法的工作原理 及波形示意 圖。 由圖可知，通過調(diào)頻調(diào)制器用載波對(duì)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(hào)去控制開關(guān)管的通斷。 PFM 保持控制脈沖的寬度， 即 Ton 不變，通過改變脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖 29 PWM 調(diào)制方法原理框圖 PFM(Pulse Frequency Modulation)調(diào)制方法 圖 210 所示 為 PFM 調(diào)制方法的工作原理 框 圖。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。 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 15 PWM(Pulse width Modulation)調(diào)制方法 圖 29 所示 為 PWM 調(diào)制方法的工作原理 及其波形示意 圖。 圖 28 全橋式變換器原理框圖 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。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，可達(dá) 1000～ 2020W，它對(duì)開關(guān)器件的耐壓要求也 不高 。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 圖 27 半橋式變換器原理框圖 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 28 所示。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。 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。 圖 26 推挽變換器原理 框 圖 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 27所示。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。 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 13 圖 25 單端正激變換器原理 框 圖 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 26所示。 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。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(chǔ)的一部分能量，在 S斷開時(shí)通過 L3 返回給電源。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)。 圖 24 單端反激變換器原理 框 圖 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 25所示。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。與此同時(shí)，整流二極管 D 截止，負(fù)載 RL 中無(wú)電 流 ， IL=0； 而當(dāng)開關(guān) S斷開時(shí)， D導(dǎo)通，初級(jí)線圈電感 中儲(chǔ)存的能量通過次級(jí)線圈 Ns 釋放給負(fù)載。 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，它福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 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(jí)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）。 圖 23 BuckBoost 變換器 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)。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)，負(fù)載上的電壓 Uo為輸入電壓 Ui與電感 L 上自感應(yīng)電壓的代數(shù)和，故 UoUi，故將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為升壓型變換電路。因?yàn)?S 閉合時(shí)其兩端電 壓為零，故二極管 D不導(dǎo)通，負(fù)載中的電流 IL 為零。 圖 21 Buck 變換器 升壓型（ Boost 變換器） 其電路結(jié)構(gòu) 框圖 如圖 22 所示。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(lái)，當(dāng) S斷開時(shí)又將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?lái)。當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)，儲(chǔ)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。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。 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(chǎng)合，它又可以分為 3 種基本形式 ]6[ 。 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。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。該公司還開發(fā)出 TEA150 TEA150 TEA1562 TEA156 TEA156 TEA156 TEA156 TEA1569 等型號(hào)的單片開關(guān)電源，最大輸出功率可達(dá) 125W。此外，利用這種芯片還能制作高壓步進(jìn)電源。 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。 美國(guó)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）。 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 TOPSwitchII 系列 ，第三代和第四代產(chǎn)品是在 2020 年 1 月和 11 月相繼推出的 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX系列的單片開關(guān)電源。 但從本質(zhì)上講， 它們都 屬于 DC/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 。 第二個(gè)方向是對(duì)中小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單集成化。 1977 年國(guó)外首先研制成功脈寬調(diào) 制 (PWM)控制器集成電路，如美國(guó)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。 單片開關(guān)電源的發(fā)展 近 20多年來(lái)，集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。 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。 開關(guān)電源 一般都具有自動(dòng)保護(hù)電路。 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福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。 因此，開關(guān) 電源能適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大的地區(qū)。 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。功耗小使得電子設(shè)備內(nèi)溫升也低，周圍元件不會(huì)因長(zhǎng)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。 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。 近幾年來(lái)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。 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） ?。?～ 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。 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。 檢測(cè)電路通過對(duì)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。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(cè)電路檢測(cè)到的誤差電壓控制。 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。 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 。 在線性穩(wěn)壓電