开关电源应用——POS机的电源设计

开关电源应用POS 机的电源设计- 1 -开关电源的应用POS 机的电源设计专业： 学号： 姓名： 指导教师： 中文摘要本文主要是通过分析并设计一款用于 POS 机的高效率、低功耗的开关电源适配器来介绍开关电源的优点，让更多人了解开关电源为什么能够逐渐取代线性稳压电源而得到广泛应用。该电源电路采用脉宽调制型（PWM） 、电流控制模式、单端反激式工作原理，设计电路中还考虑了各种保护电路。该电源有效输入电压范围为 100V240V，输出电压为 6.8V,误差范围在 2内，输出功率为34W,效率高达 75以上，是一款高效率、低成本、微型化的小功率开关电源。在开关电源轻型化、高效化的发展历程中，集成电路技术起了决定性的作用。近 20 年来，集成开关电源是沿着两个方向不断发展的：一个方向是，对开关电源的核心单元控制电路的集成；另一个方面是，对中、小功率开关电源实现单片集成化，单片开关电源实际上是一种 AC/DC 电源变换器。在介绍具体的设计电路之前，本文先简单介绍了开关电源的发展历史及其工作原理，并与传统的线性稳压电源进行了比较。其次详细地对比介绍了不同的拓扑结构、调制方法、控制方式的不同特点。然后第 3 章详细介绍整个电路的设计思路、电路结构选择、器件选择、参数计算等一系列工作。限于篇幅，对一些辅助的电路，包括各种保护电路，如：过流、过压保护，欠压锁定电路，EMI 滤波电路,补偿网络等等只做了简单的介绍。本文除了完成原理分析和理论设计外，还得到了由本电源电路图（附录1）加工而成的实物电源，并对实物电路进行测试，分析和总结。在经过调试过程中的对电路结构的进一步修改后，电路的各项指标均达到或优于预定指标（各项指标值已附于文章最后） ，验证了作者的理论设计，实现了设计目标，是一次理论结合实践的大胆尝试。关键词：开关电源,脉宽调制,电流控制模式,反激变换器,高效率福州大学本科生毕业设计(论文)- 2 -The application of switching power supplyThe design of power supply for POS computer AbstractBy analyzing and designing a high-efficiency low-power switching power supply used for the POS machine, this paper wants to tell us all about the advantages of the switching power supply, making more and more people to know why the switching power supply is going to replace the linear regulator gradually and becomes more and more popular in the power conversion arena today. The principle of this circuit is a current model control PWM flyback converter, and some protection circuits are also designed in this switching power supply. This circuit has a wide input voltage range of 100Vac to 240Vac to generate a output of 6.8Vdc,34W with error less than 2% and efficiency more than 75%, is a small-scale switching power supply of high-efficiency and low-cost.In the development of small-scale、high-efficient switching power supply, the technology of integrated circuit take a decisive role. Over the past 20 years, the integrated switching power supply is developing in two directions: the first is the integration of the core component-control circuit; the second is integration of the small and medium scale switching power supply in a integrated circuit. In fact, the single-chip switching power supply is a AC/DC power convertor.Before introducing the factual circuit, the author first introduces the development history and basic principle of the switching power supply in contrast to the linear regulator. The different operating principles of different circuit topologies、modulation mode and control model have been particularly analyzed after it. And then a series of tasks, such as design theory、topologies selection、components selection and parameter calculation have been expounded in chapter3. Limited by the paper and time, some assistant circuits are simply introduced, for example, over current、voltage protection circuit,under voltage locked circuit,EMI filter,compensation network and so on.Besides the principle analysis and theoretic design,the author obtains the real switching power supply processed according to the theoretic design circuit chart in the appendix1, then the author tests the power supply and analyzes the test result. Because of the improvements of the real circuit during the test, the test result indicates that each target of the real power supply has achieved or better than the expectation(the test results enclosed in the end of the paper), verifies the theoretic design and achieves the design task. The whole progress is an energetic attempt of theory combined with practice.Key words: Switching power supply, PWM, Current control model, High-efficiency开关电源应用POS 机的电源设计- 3 -目录第一章 绪论 11.1 开关电源的发展及方向 11.1.1 线性稳压电源 11.1.2 开关电源 21.2 线性稳压电源与开关电源比较 21.3 开关电源的分类 31.4 开关电源的优越性 31.5 单片开关电源的发展 4第二章 开关电源的电路原理与设计 62.1 开关电源的电路拓扑结构 62.1.1 电感、电容、二极管型 62.1.2 变压器耦合式直流变换电路 72.2 开关电源调制方法 102.2.1 PWM(Pulse width Modulation)调制方法 112.2.2 PFM(Pulse Frequency Modulation)调制方法 112.2.3 PSM(Pulse Skip Modulation)调制方法 122.2.4 三种不同调制方法比较 132.3 开关电源控制方式 132.3.1 电压控制方式 132.3.2 电流控制方式 14第三章 POS 机的开源设计 163.1 概述 163.2 输入电路设计 163.2.1 冲击电流抑制电路设计 163.2.2 输入滤波电路设计 173.2.3 输入整流电路的设计 183.3 变换电路设计 193.3.1 变压器设计 203.3.2 辅助电源的设计 233.3.3 开关管的选择 233.4 控制电路的设计 263.4.1 UC3842 构成的电流控制型脉宽调制电路 263.4.2 由 TL431 构成的输出电压检测电路 293.5 输出电路设计 313.5.1 电路结构设计 323.5.2 参数计算 323.6 保护电路的设计 32第四章 整机电路解析 344.1 整机电路结构解析 344.1.1 输入电路解析 344.1.2 变换电路解析 344.1.3 脉宽调制电路解析 35福州大学本科生毕业设计(论文)- 4 -4.1.4 输出电压检测电路解析 354.1.5 输出电路解析 354.1.6 过压保护电路解析 364.2 整机电路工作过程解析 36第五章 整机电路测试与结果分析总结 375.1 整机电路测试 375.1.1 输出负载不变，输入电压变化时 375.1.2 输入电压不变，输出负载变化时 415.2 测试结果分析 435.3 测试总结 44结论 45谢辞 46参考文献 47附录 1 POS 机的开关电源原理图（6.8V，34W） 48附录 2 性能测试表 49开关电源应用POS 机的电源设计- 5 -第一章绪论目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视机及家用电器中的电源已经渐渐地被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有 3560。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达 7095，稳压器体积小，重量轻，调整管功率损耗小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十千赫，滤波电感、电容可用较小数值的元件。允许的环境温度也可以大大提高。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应较差。所以开关电源的应用也受到一定限制 。11.1开关电源的发展及方向开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守 。21.1.1线性稳压电源每一种电子产品，除非它本身自带有电池供电，否则都需要将外部 220V（或 110V）交流市电转换成某一特定大小的直流电来为其供电，即 AC/DC 变换器。一直以来在 AC/DC变换器中线性稳压电源被广泛使用，其中的一个主要原因是由于它的电路结构简单，用到的器件少，价格便宜。电路通常由变压器、全波整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图 1-1 所示。在线性稳压电源中，电压调整部分的晶体管等电子器件是工作于放大状态，其作用相当于一个阻值大小受误差电压控制的可变电阻。所以，负载电流是持续不断地流过电压调整管的，其上的功率损耗使得线性稳压电源只有 3560的转换效率。因此线性稳压电源需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。另外，由于线性稳压电源中变压器是工频变压器，其工作频率低，所以体积大，重量大，而且由于频率低，线路中所使用到的滤波电容和电感体积也很大所以，线性稳压电源的主要问题就是：功耗大、效率低、体积大、重量大，所以在便捷式电子产品，如笔记本电脑，仪器仪表中不适合使用线性稳压电源 。3福州大学本科生毕业设计(论文)- 6 -图 1-1线性稳压电路原理图1.1.2开关电源开关电源原理框图如图 1-2 所示，由基本输入电路、变换电路、控制电路、保护回路和输出电路等构成。它与线性稳压电源的主要区别在于电压调整管控制电路部分。在开关电源中，电压调整管部分的电子器件是工作于开关状态，它的导通和关断时间受检测电路检测到的误差电压控制。这一部分是开关稳压电路的核心，一般由脉冲产生电路、脉冲宽度（或频率）调制电路、电子开关电路及脉冲整流滤波电路等几部分组成。检测电路通过对输出直流电压的取样并与基准电压进行比较放大，可以得到一个反映输出电压变化的误差控制电压送到控制电路。控制电路根据误差电压大小调整输出脉冲的宽度（或频率）来控制电压调整管的导通与关断时间，最终使输出电压达到稳定，这就是开关电源电路稳定输出电压的基本原理。由于其电压调整管工作于开关状态，功耗小，而且变压器工作频率高，体积小，电路发热低，使用到的散热片也小，使得开关电源效率高，可达 7095，而且体积小、重量轻，特别适合便携式电子产品使用。图 1-2开关电源的基本构成1.2线性稳压电源与开关电源比较经过上面简单的介绍，我们可以得出线性稳压电源与开关电源的各种性能比较如下表 1-2 所示。开关电源应用POS 机的电源设计- 7 -表 1-2线性稳压电源与开关电源的比较类型 线性稳压电源 开关电源效率 低（3560） 高（7095）尺寸 大 小重量 重 轻电路结构 简单 复杂稳定度 高（0.0010.1） 普通（0.13）纹波（p-p） 小（0.110mV） 大（10200mV）暂态反应速度 快（50s1ms） 普通（500s10ms）输入电压范围 输入电压范围大时，效率降低，无直流输入自由度输入电压范围很宽，亦可直流输入，100V/200V 共用亦可成本 低 普通EMI 干扰 无 有1.3开关电源的分类开关电源有多种分类。按电源启动方式可分为自激式开关电源和他激式开关电源；按储能电感（脉冲变压器）与负载连接方式可分为串联型开关电源和并联型开关电源；按控制开关管的导通方式可分为调宽型开关电源和调频型开关电源。近几年来在开关电源的设计上不断改进和完善，出现了几种类型开关电源的组合，如自激并联调频式开关电源、自激串联调频式开关电源、自激并联调宽式开关电源、自激串联调宽式开关电源、他激串联调宽式开关电源及他激调频式开关电源等。同时，还出现了主、副多个开关电源、PWM（从取样误差放大到脉宽调制器电路）谐振式开关电源、多环路控制自激式开关电源及多开关管的桥式变换器开关电源等。1.4开关电源的优越性开关电源的优越性主要表现在： （1）功耗小。由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。（2）稳压范围宽。当开关电源输入的交流电压在 150250V 范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的偏差在 2%以下。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率。因此，开关电源能适用于电网电压波动比较大的地区。（3）体积小、重量轻。开关电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变福州大学本科生毕业设计(论文)- 8 -压器获得各种不同直流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。（4）安全可靠。开关电源一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护功能灵敏、可靠 。2开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，而线性电源则以其固有的稳定性仍占有一席之地。为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电流的需求，在满足体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强的同时，还应有更好的可靠性和经济性 。41.5单片开关电源的发展近 20 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个是对电源的核心单元控制电路实现集成化。1977 年国外首先研制成功脉宽调制(PWM)控制器集成电路，如美国摩托罗拉(Motorola)公司、Silicon General 公司、Unitrode 公司等相继推出一批 PWM 芯片，典型产品有 MC3520， SG3524， UC3842。在其基础上，国外又研制出开关频率达 1 MHz 的高速 PWM，PFM(脉冲频率调制)芯片，典型产品如 UC1825， UC1864 等。第二个方向是对中小功率开关电源实现单集成化。80 年代初，意法半导体有限公司 (SGS-Thomson，简称 ST)率先推出 L4960 系列单片开关式稳压器。该公司于 90 年代又推出了 L4970A 系列产品，包括 L4970AL4977A，该公司于 1998 年还研制出 L4978 型单片开关式稳压器。其共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一块芯片中，但使用时需配工频变压器与电网隔离，适用于制作低压连续可调式输出 (5.140V)、大中功率 (400W 以下)、大电流 (1.510A)、高效率 (可超过 90%)的开关电源。但从本质上讲，它们都属于 DC/DC 电源变换器。1994 年，美国电源集成公司(Power Integrations，简称 PI 公司)在世界上首先研制成功三端隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，它属于 AC/DC 电源变换器。其第一代产品为 1994 年问世的 TOPSwitch 系列，第二代产品则是 1997 年问世的 TOPSwitch-II 系列，第三代和第四代产品是在 2000 年 1 月和 11 月相继推出的 TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX 系列的单片开关电源。该公司还于 1998 年、2001 年分别开发出高效率、低功率、低价格的 TinySwitch 系列、TinySwitch-II 系列微型单片开关电源。美国摩托罗拉(Motorola)公司于 1999 年推出 MC33370 系列五端单片开关电源，也称为高压功率开关调节器（High Voltage Power Switching Regulator） 。MC33370 包括MC33369 MC33374 等 6 种规格、 17 种型号。MC33370 系列可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成高压隔离式 AC/DC 电源变换器。在作特殊应用时，还可去掉高频变压器的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容，改用稳压管或双极型晶体管、MOS 管进行串联调整。此外，利用这种芯片还能制作高压步进电源。开关电源应用POS 机的电源设计- 9 -荷兰飞利浦（Philips）公司于 2000 年研制成功 TEA1510、 TEA1520 系列单片开关电 源，它属于反激式开关电源，其中，TEA1524 的最大输出功率为 50W。该公司还开发出 TEA1501、 TEA1504、 TEA1562 TEA1563、 TEA1564、 TEA1565、 TEA1566、 TEA1569 等型号的单片开关电源，最大输出功率可达 125W。美国安森美（Onsemi）半导体公司在 1998 年2001 年期间，也相继开发出NCP1000、NCP1050 系列单片开关电源。其最大输出功率为 40W，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器、消费类电子产品的备用电源。此外，该公司最近还研制成功 NCP1200 型单片开关电源以及 NCP1650 型功率因数校正器专用集成电路 。5福州大学本科生毕业设计(论文)- 10 -第二章开关电源的电路原理与设计本章主要是对开关电源电路中常见的不同电路拓扑结构、调制方法、控制方式的工作原理及电路结构作了简单地介绍。2.1开关电源的电路拓扑结构开关电源的电路拓扑结构主要是对变换电路来说的，即输入电压到输出电压变换电路的结构类型 。62.1.1电感、电容、二极管型这是一种应用较多的电路形式，适合于负载电流较大的场合，它又可以分为 3 种基本形式 。62.1.1.1降压型（Buck 变换器）其电路结构构图如图 2-1 所示。当开关 S 闭合时，Ui 产生的电流 Ii 经过电感 L 流入负载及电容 C。此时二极管 D 截止。当开关 S 断开时，储存于电感 L 中的释能产生一个电流 IL，使 C 和负载 RL 中的电流不至于中断。与此同时，二极管 D 因电感 L 产生的自感应电压（极性左负右正）而导通，为电感中的电流 IL 提供通路，使之续流，故将二极管 D称为续流二极管。电感 L 是电路中的一个重要的储能元件，当 S 闭合时将电能转变为磁能储存起来，当 S 断开时又将磁能转变为电能释放出来。在开关 S 闭合时，输入电压 Ui 等于电感 L 上自感应电压（极性左正右负）与负载上的电压 Uo 之和，故 UoUi，故将这种拓扑结构称为升压型变换电路。图 2-2Boost 变换器2.1.1.3反转型（Buck-Boost 变换器）其电路结构框图如图 2-3 所示。当开关 S 闭合时，流过电感 L 中的电流 Ii 增加，L两端的自感应电压上正下负，此时二极管 D 截止。当开关 S 断开时，流过 L 的电流开始减小，L 两端的自感应电压的极性为上负下正，二极管 D 变为导通，负载电流 IL 自下而上流过负载，负载上的电压 Uo 极性（下正上负）与输入电压相反，大小根据开关通断时间的不同可能大于 Ui，也可能小于 Ui，故将这种拓扑结构称为反转型变换电路，或者称为升降压型变换电路。图 2-3Buck-Boost 变换器2.1.2变压器耦合式直流变换电路这种拓扑结构与上面提到的拓扑结构相比，具有输出电压可任意选择（升压、降压或多路输出） ，以及可以实现与市电电网隔离两大特点，因此是应用最广泛的电路拓扑结构。这种变换电路大致可以分为单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式及全桥式 5类，下面逐一进行介绍 。62.1.2.1单端反激式变换电路单端反激式变换电路，是指它的电路形式与功率放大电路中的单端甲类放大相似，福州大学本科生毕业设计(论文)- 12 -它们的变压器铁芯（或磁芯）仅工作于磁滞回线的一侧，并且初级线圈只有一个接地端（称为冷端）和一个非接地端（称为热端） 。其基本原理框图如图 2-4 所示，当开关 S 闭合时，初级线圈 Np 中有电流 Ii 通过，储存能量。与此同时，整流二极管 D 截止，负载RL 中无电流，IL=0；而当开关 S 断开时，D 导通，初级线圈电感中储存的能量通过次级线圈 Ns 释放给负载。开关 S 和二极管 D 总是交替导通或截止，故称之为反激式。电路中二极管 D 的导通与截止由次级线圈 Ns 上电压极性决定，而该电压极性则由变压器初、次级线圈的同名端接法决定，如图中小圆点所示。这种单端反激式变换器电路结构简单、紧凑、工作可靠、成本低，输出功率一般为几瓦到一百多瓦，广泛用于电子计算机和彩色电视机电源电路中。图 2-4单端反激变换器原理框图2.1.2.2单端正激式变换电路单端正激式变换电路与单端反激式电路相似，但工作方式完全不同，其结构原理框图如图 2-5 所示。当开关 S 闭合时，整流二极管 D1 也导通，电流流过负载 RL 及滤波电容 C，同时将能量储存于滤波电感 L 中。当 S 断开时，续流二极管 D2 导通，L 中的能量向负载释放，保证负载中电流连续。必须指出，在这种单端正激式变换电路中，由于 S和 D1 是同时导通，同时截止的，故在 S 断开时，L1 两端会感应出极高的感应电压，使作为 S 使用的器件承受极高的反向工作电压，因此在脉冲变压器中增加了钳位线圈 L3，它与初级线圈 L1 具有相同的匝数。这样在 S 断开时，D3 即导通（这一点靠线圈的同名端接法保证） ，使 L 在 S 闭合时存储的一部分能量，在 S 断开时通过 L3 返回给电源。钳位线圈有两个作用，一是将 S 两端的自感应电压限制在 2Ui 以下，二是使变压器的磁通复位。单端正激式变换电路是在 S 闭合时通过变压器向负载传输能量，它的输出功率比单端反激式大一些，但它的变压器结构稍微复杂，磁芯仍工作在磁滞回线的一侧，也属于单端式，所以应用不及其他形式普遍。与单端反激式相比，单端正激式开关电流小、输出纹波小、更容易适应高频化。开关电源应用POS 机的电源设计- 13 -图 2-5单端正激变换器原理框图2.1.2.3推挽式变换电路推挽式变换电路的工作方式与变压器耦合推挽功率放大电路相似，开关 S1 和 S2 轮流导通，其原理框图如图 2-6 所示。它属于双端式变换电路，变压器磁芯工作于磁滞回线的两侧。作为开关的电子器件要承受 2Ui 的峰值电压，这种电路输出功率较大，可达500W 以上。二极管 D1 和 D2 构成全波整流电路，电感 L 和电容 C 为滤波电路。图 2-6推挽变换器原理框图2.1.2.4半桥式变换电路半桥式变换电路的工作方式类似于功率放大器的 OCL 形式，其原理框图如图 2-7 所示。图中电容 C1 和 C2 将 Ui 分成相等的两半，开关 S1 和 S2 轮流导通。在这种变换电路中，变压器的初级线圈 L1 中在整个周期中都有电流，磁芯利用更充分。作为功率开关的器件所承受的最高反向工作电压不会超过 Ui，输入电容 C1 和 C2 的耐压也小于 Ui。但由于 L1 上电压的幅值为 Ui 的一半，与推挽式变换电路相比，欲输出相同的功率，则开关器件需要提供两倍的电流。这种电路的输出功率目前可以做到近1000W。福州大学本科生毕业设计(论文)- 14 -图 2-7半桥式变换器原理框图2.1.2.5全桥式变换电路全桥式变换电路的工作方式类似于功率放大电路中的 BTL（桥式推挽电路） ，其原理框图如图 2-8 所示。S1 和 S2 同时导通，同时截止；S3 和 S4 同时导通，同时截止。这种电路的优点是输出功率大，可达 10002000W，它对开关器件的耐压要求也不高。其缺点是驱动电路较复杂，原因是目前 PNP 型或 P 沟道半导体器件的耐压不能满足要求，故S1S4 均选用同类型的器件，故需要四组彼此绝缘的驱动电路。图 2-8全桥式变换器原理框图2.2开关电源调制方法开关电源电路的调制方式主要有：PWM， PFM， PSM 三种调制方式。脉冲宽度调制(PWM)方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽” ；脉冲频率调制 (PFM)方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为 “定宽调频” ；脉冲跨周调制 (PSM)方式，其脉冲宽度和频率都恒定，选择性地跳过某些工作周期来调节电能输出