【正文】 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。這種電壓控制開關(guān)電源只需要一個(gè)反饋信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的負(fù)反饋 而維持輸出穩(wěn) 定。 電壓控制型開關(guān)電源是一個(gè)二階系統(tǒng)，它有兩個(gè)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。我 們 都 知道，開關(guān)電源的電流都要通過電感，對(duì)于電壓信號(hào)有 090 的 相位延遲。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。電流控制型開關(guān)變換器正是在傳統(tǒng)的電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)內(nèi)環(huán) —— 電流反饋環(huán)，使其成為一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓 電感上的電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開關(guān)變換器的二階模型去掉了電感電流而成為一階系統(tǒng)。電流信號(hào) Vs 跟誤差放大器的輸出電平 Ve 進(jìn)行比較 ， 輸出脈沖與 OSC 信號(hào) （時(shí)鐘信號(hào)） 加到脈寬調(diào)制鎖存電路 得到開 關(guān) 管控制信號(hào) Vc 來控制開關(guān) 管 的 導(dǎo)通 時(shí)間。線路就是這樣逐個(gè)地檢測(cè) 比較 電流 信號(hào)與誤差信號(hào)來調(diào)整控制信號(hào)的脈寬 ， 以達(dá)到穩(wěn)定 輸出 電壓 的目的。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。在電壓型控制電路中，檢測(cè)電路對(duì)輸 入電壓的變化沒有直接反應(yīng)，要到輸出電壓發(fā)生 變化后，一般要在 510 個(gè)周期后才能響應(yīng)輸入電壓的變化。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(shù)，它可以及時(shí)、準(zhǔn)確地 檢測(cè)輸出或變壓器以及開關(guān)管中的瞬態(tài)電流，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測(cè)電路。同時(shí)，由于有了這個(gè)逐個(gè)電流脈沖限制的電流環(huán)，當(dāng)多臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)電源都有獨(dú)立的電流負(fù)反饋，并聯(lián)輸出電壓有一個(gè)總的電壓負(fù)反饋控制電路，使各個(gè)電流反饋系統(tǒng)有相 同的電流參考值，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)開關(guān)電源之間并聯(lián)均流。 (3)變壓器的磁通平衡 。 (4)回路穩(wěn)定性好、負(fù)載響應(yīng)快 。這是因?yàn)殡姼兄?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。這些問題絕大部分可以采取適當(dāng)措施后得到滿意地解決，這就為電流型開關(guān)電源的普及和發(fā)展創(chuàng)造了條件。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。 (6)電壓調(diào)整率顯著減小。 (7)簡(jiǎn)化了反饋電路的設(shè)計(jì)。在電流 控制方式 中，濾波電感的小信號(hào)阻抗幾乎為零，這樣就只能產(chǎn)生最大 090 相移，增益隨頻率升高而下降的速度也減小為實(shí)際 LC 濾波電路的一半。 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)前兩章對(duì)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(jiǎn)單、緊湊 、 工作可靠、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)。 輸入電路設(shè)計(jì) 本開關(guān)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。當(dāng)某些大容量的電氣設(shè)備接通或斷開時(shí)間，由于電網(wǎng)中存在電感，將在電網(wǎng)產(chǎn)生 “ 浪涌電壓 ” ，從而引發(fā)浪涌電流。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。輸入電容充電結(jié)束的必要時(shí)間 ? 由 R C1時(shí)間常數(shù)決定。 沖擊電流抑制電路有多種實(shí)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(guān)元件方式和晶閘管方式， 本次設(shè)計(jì)電路采用功率熱敏電阻方式。接通時(shí)電流 Iop=5 Iac=5 =， 輸入電壓峰值為Upp＝ 2 240=340V， 必需接入的電阻 R1 為 R1＝ ＝ 45? （以上） （ 31） R1 需要選用能承受瞬時(shí)功率為1RP的熱敏電阻 ， 其中 WP R 2 5 6 945 )3 4 0(R1( U p p ) 221 ??? （ 32） 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計(jì) 21 根據(jù)以上計(jì)算，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)需要，選擇熱敏電阻 NTC5D9 作為 R1，見附 錄 1所示。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。 但是 ，由于 NTC 熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會(huì)產(chǎn)生功率損耗，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 圖 31 沖擊電流抑制電路原理圖 輸入濾波電路設(shè)計(jì) 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(guān)電源產(chǎn)生的噪聲反饋到輸入電源。 如圖 32所示為輸入濾波回路原理圖 。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 。 C C3 跨接在輸出端，能有效抑制共模干擾。 （ 2）電感的選擇： 電感 的 選 擇 原則 —— 從以下幾個(gè)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(dǎo)率。磁芯材料一般是鐵氧體 ； 電感量的估算 —— 考慮阻抗和頻率 ， 共模扼流圈取 值大約在 1～ 15mH 之間。 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。 工作原理： 四只整流二極管接成電橋形式，故稱橋式整流。 在 輸入信號(hào) 的負(fù)半周， D D3 截止， D D4 導(dǎo)通，電流 信號(hào)源正端（下端） 經(jīng) D2→ RL → D4 回到 信號(hào)源負(fù)端（ 上端 ） ，在負(fù)載 RL 上得到另一半波整流電壓。 目前，小功率橋式整流電路的四只整流二極管，被接成橋路后封裝成一個(gè)整流器件，稱 硅橋 或 橋堆 ，使用方便 。 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。 C 的紋波電 流 對(duì)電源壽命有很大影響，應(yīng)特別注意。 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%。輸入濾波電容的大小可以從下式得到： )(2( m i n ))(ppr ip p leininavinVVf PC???? （ 33） 其中， inf —— 離線式電源輸入交流電壓最小額定頻率； (min)inV —— 交流輸入整流電壓的最小峰值； )(ppri leV ? —— 輸入電容上要得到的電壓紋波峰峰值 。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[ 。所以，本文設(shè)計(jì)的 POS 機(jī) 電源電路就采用單端反激式變換電路，變換電路部分如圖 34所示 ]10[ 。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 。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 電路中輸入端的 C、 R 和 D組成 RCD 漏感電流 尖峰吸收電路 。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。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 。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)。 圖 34 單端反激變換電路圖 變壓器設(shè)計(jì) 單端反激式變壓器設(shè)計(jì)的方法較多，對(duì)于反激式 變換電路 設(shè)計(jì)來說最難的也就是變壓器的設(shè)計(jì)和調(diào)整， 一般須視具體工作狀態(tài)而定。 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 。變壓器參數(shù)的選取應(yīng)結(jié)合整個(gè)電路設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用情況，在最初的設(shè)計(jì)中，為取得比較適中的性能，可考慮使電路工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)。 （ 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。 另外，反激電源的最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)，根據(jù)在穩(wěn)態(tài)下，變壓器的磁平衡，可以有下式： ）－（ m a xm a xm i n 1 DUDU fdc ??? （ 36） 設(shè)在最大占空比時(shí)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊電流為 Ip1，當(dāng)開關(guān)管截止 時(shí)，原邊電流上升到 Ip2。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。 根據(jù)求得的 AwAe 值選擇合適的磁芯， 一般盡量選擇窗口長(zhǎng)寬之比 較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感。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。 至此，單端反激開關(guān)電源變壓器的主要參數(shù)設(shè)計(jì)完成。 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。 這類輔助電源并一定要穩(wěn)壓輸出，因?yàn)樨?fù)載通?？梢猿惺芟鄬?duì)較大的輸入電源波動(dòng)（最大可達(dá) 15％）。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。 由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構(gòu)成 輔助電源。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。而當(dāng)主電路不工作，輔助電路也隨之關(guān)閉。 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。這是因?yàn)?MOSFET具有更快的開關(guān)速度，電源開關(guān)頻率可以做得更高，可以從 50kHz 提高到 200KHz 甚至400kHz。 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