【正文】 4 輸出電壓檢測電路解析 36 整機(jī)電路工作過程解析 37 整機(jī)電路測試 37 輸出負(fù)載不變，輸入電壓變化時(shí) 37 輸入電壓不變，輸出負(fù)載變化時(shí) 41 測試結(jié)果分析 43 測試總結(jié) 45 謝辭 47 附錄 1 POS 機(jī)的開關(guān)電源原理圖（ ， 34W） 48 附錄 2 性能測試表 49 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 5 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。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。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。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。 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。 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。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 。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。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[ 。 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。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?？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。 圖 12 開關(guān)電源的基本構(gòu)成 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12 所示。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。同時(shí) ，還出現(xiàn)了主、副多個開關(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。 由于開關(guān)管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。 （ 2） 穩(wěn)壓范圍寬。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。 （ 3） 體積小、重量輕。 （ 4） 安全可靠。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[ 。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[ 。 第一個是對 電 源的核心單元 —— 控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。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 。 80 年代初，意－ 法半導(dǎo)體有限公司 (SGSThomson，簡稱 ST)率先推出 L4960 系列單片開關(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 (～ 40V)、大中功率 (400W 以下 )、大電流 (～ 10A)、高效率 (可超過 90%)的開關(guān)電源 。 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。 該公司 還 于 1998 年 、 2020 年分別開發(fā)出 高效率、低功率、低價(jià)格的 TinySwitch 系列、 TinySwitchII 系列 微型單片開關(guān)電源。 MC33370 包括MC33369～ MC33374 等 6 種規(guī)格、 17 種型號。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。 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。 美國安森美（ Onsemi）半導(dǎo)體公司在 1998 年～ 2020 年期間，也相繼開發(fā)出 NCP1000、NCP1050 系列單片開關(guān)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[ 。 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[ 。 降壓型（ Buck 變換器） 其電路結(jié)構(gòu) 構(gòu)圖 如圖 21 所示。此時(shí)二極管 D 截止。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。 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，即輸出電壓小于輸入電壓，故將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為降壓型變換電路。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Υ嬗陔姼?L中。當(dāng) S 斷開時(shí)，電壓兩端產(chǎn)生的自感應(yīng)電壓的極性為左負(fù)右正，它與輸入開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 11 電壓 Ui 疊加起來使二極管 D導(dǎo)通，電流 IL流過負(fù)載，并給電容充電。 圖 22 Boost 變換器 反轉(zhuǎn)型（ BuckBoost 變換器） 其電路結(jié)構(gòu) 框圖 如圖 23 所示。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。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[ 。 其基本原理框圖 如圖 24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。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。 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。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。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)。鉗位線圈有兩個作用，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。 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。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)。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。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。這種電路的輸出功率目前可以做到近 1000W。 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。 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。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[ 。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。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。 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。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 。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 (Pulse Skip Modulation)的工作原理為 ： 控制器對輸出電壓進(jìn)行檢測，如果在一個時(shí)鐘周期內(nèi)輸出 電壓 Vo 低于額定值 Vref， 則讓這個時(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。 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)。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 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 。 開關(guān)電源控制方式 選擇 合適的 控制方式 極其重要。設(shè)計(jì)者要知道各種控制方式之間細(xì)微的差別。但這不是一成不變的規(guī)則，因?yàn)?每一種控制方式 都可以用到 各種拓?fù)渲腥ィ皇堑玫降慕Y(jié)果不一樣而已 ]8[ 。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