DZ095开关电源的应用——POS机的电源设计
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开关电源的应用POS 机的电源设计专业:通信工程 学号:1002592 姓名:周少宏 指导教师: 林强、李伟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- 1 -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)- 2 -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- 3 -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)- 4 -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- 5 -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)- 6 -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)- 8 -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- 9 -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)- 10 -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 。7开关电源应用POS 机的电源设计- 11 -2.2.1 PWM(Pulse width Modulation)调制方法图 2-9 所示为 PWM 调制方法的工作原理及其波形示意图。当输出电压 Vo 和参考电压Vr 之间存在输出误差 Ve 时,该误差信号和三角波或锯齿波信号 Vt 进行比较,得到 PWM控制信号 Vc。其中 Ton 为开关管导通时间,Toff 为开关管截止时间,T 为开关周期。从图可知,当输出电压 Vo 发生变化,导致输出误差 Ve 变化时,PWM 控制信号的脉冲宽度将发生相应的变化,从而开关管的导通时间也发生变化,达到使输出稳定的目的,但其工作频率不变。图 2-9PWM 调制方法原理框图2.2.2PFM(Pulse Frequency Modulation)调制方法图 2-10 所示为 PFM 调制方法的工作原理框图。它基于恒宽变频 CWVF 的调制脉冲去控制功率管的导通,从而实现调节输出电压的目的。PFM 保持控制脉冲的宽度,即 Ton 不变,通过改变脉冲的频率来调节输出电压。由于 PWM 型变换器在低负载下表现出很低的变换效率,而 PFM 调制方法则可有效地克服 PWM 调制方法的这一不足之处。由图可知,通过调频调制器用载波对变换器的输出误差进行调制,然后通过过零比较器得到 PFM 控制信号去控制开关管的通断。显然,由于脉宽不变,所以当频率高时,在特定时间内的开关管导通时间就多一点,反之则少一点,从而可以达到稳定输出的目的。福州大学本科生毕业设计(论文)- 12 -图 2-10PFM 调制方法原理框图2.2.3PSM(Pulse Skip Modulation)调制方法图 2-11 所示为 PSM 调制方法的工作原理及波形示意图。 PSM (Pulse Skip Modulation)的工作原理为:控制器对输出电压进行检测,如果在一个时钟周期内输出电压 Vo 低于额定值 Vref,则让这个时钟周期内的脉冲信号通过控制器去控制开关管工作,否则跨过这个时钟周期的脉冲信号不用,使开关不工作,这样就可以达到使输出电压稳定的目的。开关电源应用POS 机的电源设计- 13 -图 2-11PSM 调制方法的工作原理及波形示意图2.2.4三种不同调制方法比较PWM 调制原理简单,电路易于实现,而且 PWM 脉冲控制信号的谐波都集中在其基波的整数倍处,只要知道了 PWM 的基波频率后,后续滤波器容易设计。但 PWM 调制方法具有线性调整率较差、轻负载时效率低等缺点。PFM 具有在负载较轻时效率很高,工作频率高,频率特性好,电压调整率高,适合于电压或者电流控制方式。但其负载调整范围窄,而且由于 PWM 脉冲控制信号的谐波存在边频效应,高次谐波分量离散,所以使其后续滤波器较难实现,成本较高。PSM 调制方法的效率很高,而且几乎与负载无关,当负载变换时,效率是一个恒定值。PSM 变换器具有轻负载效率高、响应速度快的特点,是小功率变换器的一种理想的调制方法。但是其输出纹波大,输入电压调整能力差。2.3开关电源控制方式选择合适的控制方式极其重要。对于一个电源电路,如果控制方式选择不正确,会使电源工作不稳定而浪费宝贵的时间。设计者要知道各种控制方式之间细微的差别。总体上说,正激式拓扑常用电压型控制器,升压式拓扑通常用电流型控制器。但这不是一成不变的规则,因为每一种控制方式都可以用到各种拓扑中去,只是得到的结果不一样而已 。82.3.1电压控制方式图 2-12 所示为电压控制方式开关电源原理框图。电压型 PWM 控制的基本原理是:电源输出取样电压 Vf 与参考电压 Vr 比较放大,得到误差信号 Ve,Ve 又和锯齿波信号 Vt一起送入 PWM 比较器比较后,PWM 比较器输出一系列脉冲,这些脉冲的宽度随误差信号Ve 的变化而变化,而这些脉冲宽度控制开关管的导通时间,从而决定了输出能量的大小。当输出电压下降时,脉冲宽度增大,增加导通时间,使输出电压升高;反之,输出脉冲宽度变窄,减少导通时间,使输出电压下降,从而达到使输出电压稳定的目的。这种电压控制开关电源只需要一个反馈信号,用于实现整个电路的负反馈而维持输出稳定。在整个控制电路中只有一个反馈环路,是一种单环控制系统。电压控制型开关电源是一个二阶系统,它有两个状态变量,即输出滤波电容器上的电压和输出滤波电感中的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统,只有对控制回路进行精心设计,在满足一定条件下,闭环系统才能稳定工作。我们都知道,开关电源的电流都要通过电感,对于电压信号有 的相位延迟。而对于整个稳压电源系统来说,实际上09是通过初级的励磁电流 Ip 改变高频变压器中的磁通,以适应输入电压和负载的变化而保持输出电压稳定的要求。这种采样输出电压的方法来实现控制,在调节过程中存在一定福州大学本科生毕业设计(论文)- 14 -滞后,结果必然是响应速度慢、稳定性差,甚至在大信号变动时容易产生振荡。图 2-12电压控制方式原理框图2.3.2电流控制方式针对上述电压型控制方式的缺点,最近十几年发展起来了电流型控制技术。电流控制型开关变换器正是在传统的电压控制型的基础上,增加了一个内环电流反馈环,使其成为一个双环控制系统,让电感上的电流不再是一个独立变量,从而使开关变换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶系统。图 2-13 所示为电流型控制方式的原理框图。电流信号 Vs 跟误差放大器的输出电平 Ve 进行比较,输出脉冲与 OSC 信号(时钟信号)加到脉宽调制锁存电路得到开关管控制信号 Vc 来控制开关管的导通时间。当电源回路中的电流脉冲逐渐增大,电流在采样电阻 Rs 上的幅度达到 Ve 电平时,脉宽比较器状态翻转,开关管截止。线路就是这样逐个地检测比较电流信号与误差信号来调整控制信号的脉宽,以达到稳定输出电压的目的。图 2-13电流控制方式原理框图开关电源应用POS 机的电源设计- 15 -可见,无论是理论分析还是电路测试,都证明电流控制型比电压型控制型有许多优点:(1)对输入电压变化响应快,抗干扰性能强。电源输入电压发生变化,必然会引起变压器初级电流上升的斜率发生变化,如电压升高,则电流增长变快,反之则变慢。但是只要电流信号达到了预定的幅度,电流控制回路就动作,使得控制脉冲宽度发生改变,保证输出电压的稳定。在电压型控制电路中,检测电路对输入电压的变化没有直接反应,要到输出电压发生变化后,一般要在 5-10 个周期后才能响应输入电压的变化。(2)具有过流保护和可并联性。在电流控制型 DC/DC 变换器中,由于内环采用了直接的电流峰值控制技术,它可以及时、准确地检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流,自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或限制参考电流,就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流,从而在输出过载或短路时保护了开关管和变压器,也可以有效地克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损坏功率开关管的缺陷。同时,由于有了这个逐个电流脉冲限制的电流环,当多台开关电源并联运行时,每台电源都有独立的电流负反馈,并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路,使各个电流反馈系统有相同的电流参考值,这样就可以实现多台开关电源之间并联均流。这在当今电源规格要求繁多、电子设备整机可靠性要求提高的形势下,为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。(3)变压器的磁通平衡。在半桥、全桥和推挽变换器中,电压型控制不能完全克服偏磁现象,电流控制型可以自动解决磁通不平衡的问题,这是因为它的内部电流环使得即使电流脉冲宽度不同,幅值也肯定相同。(4)回路稳定性好、负载响应快。电流控制型可以看作是一个受输出电压控制的电流源,而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为电感中电流脉冲的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的,因而电感的延迟作用就没有了。电流控制型和电压控制型的开关电源相比有许多优点,但其本身也有缺点,如电感峰值电流与平均电流有误差,直流开环负载调整率较差。这些问题绝大部分可以采取适当措施后得到满意地解决,这就为电流型开关电源的普及和发展创造了条件。(5)根本消除了 Push-Pull 开关电源存在的磁通量失衡问题。磁通量失衡会减弱电感的承压能力,导致功率管电流不断增大并最终烧毁。电流控制方式在每个周期都限定功率管峰值电流,能彻底杜绝磁通量失衡。(6)电压调整率显著减小。当输入电压波动时,图 2-13 中的电流检测电阻 Rs 会立即检测到峰值电流的变化,快速调整占空比,使输出电压稳定。(7)简化了反馈电路的设计。在电压控制方式中,LC 滤波电路在频率达到共鸣频率后,相移会接近最大值 ,输入到输出的增益会随着频率的升高而迅速2/LCf018减小,这就增加了开关电源反馈电路设计的复杂程度。在电流控制方式中,滤波电感的福州大学本科生毕业设计(论文)- 16 -小信号阻抗几乎为零,这样就只能产生最大 相移,增益随频率升高而下降的速度也减09小为实际 LC 滤波电路的一半。因此反馈电路的设计可以大幅度简化。开关电源应用POS 机的电源设计- 17 -第三章POS 机的开源设计3.1概述本文主要是为 POS 机设计开关电源电路。该电源提供单组 6.8V,34W 的稳定输出。根据前两章对开关电源不同的电路拓扑结构、调制方法、控制方式的比较,结合实际设计电路的性能要求及条件,为使电源结构简单、紧凑、工作可靠、减少成本,本文采用单端反激式电流控制型脉宽调制方式的原理电路模型来实现。本章将对整个开关电源的输入电路、变换电路、控制电路、输出电路及保护电路设计进行详细介绍。3.2输入电路设计本开关电源的输入电路包括冲击电流抑制电路、输入滤波电路、输入整流电路三部分。3.2.1冲击电流抑制电路设计浪涌电流(又称冲击电流)是指电网中出现的短时间像“浪”一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或断开时间,由于电网中存在电感,将在电网产生“浪涌电压” ,从而引发浪涌电流。为了对输入保险丝、整流器进行保护,同时要减少对其他电子设备造成恶劣的影响,需要接入冲击电流抑制回路,把冲击电流抑制在允许范围内。根据各厂家要求不同,一般是抑制在交流输入电流 Iac 的 5 倍以下。冲击电流抑制回路实例如图 3-1 所示。输入电容充电结束的必要时间 由 R1、C1 时间常数决定。单相时, 为(35)R1C1,三相时为(23)R1C1 较适宜。冲击电流抑制电路有多种实现方式,如串联电阻方式、功率热敏电阻方式、双向晶闸管开关元件方式和晶闸管方式,本次设计电路采用功率热敏电阻方式。输入电流Iac=1.5A(最大) ,最大输入电压为 240V。接通时电流 Iop=5Iac=51.5=7.5A,输入电压峰值为 Upp 240=340V,必需接入的电阻 R1 为2R1 45 (以上)(3-1)5.7340R1 需要选用能承受瞬时功率为 的热敏电阻,其中1RP(3-2)WR25694)30(Up)21福州大学本科生毕业设计(论文)- 18 -根据以上计算,结合实际设计需要,选择热敏电阻 NTC5D-9 作为 R1,见附录 1 所示。其实,抑制浪涌电流的最简单方法就是在系统 AC 线路输入端串联一只NTC(Negative Temperature Coefficient,实为负温度系数之意 )热敏电阻。由于在冷启动时,NTC 热敏电阻呈现高阻抗,因而将使涌入电流得到限制。而当电流的热效应使NTC 热敏元件的温度升高,NTC 阻值急剧下降时,对系统的电流限制作用会较小。但是,由于 NTC 热敏电阻在热态下的阻抗并不是零,故会产生功率损耗,从而影响系统的运行效率。还有一个问题是 NTC 热敏电阻在热态下重新启动时,对浪涌电流起不到限制作用。图 3-1冲击电流抑制电路原理图3.2.2输入滤波电路设计输入滤波电路有两种作用:其一,是防止输入电源噪声窜入电路中;其二,是抑制开关电源产生的噪声反馈到输入电源。根据噪声规制一般是两种作用的回路结构。如图3-2 所示为输入滤波回路原理图。该电路是一种复合式 EMI 滤波器,R1 和 C1 构成第一级滤波,C1 主要用来滤除差模干扰,选用高频特性较好的薄膜电容。电阻 R 给电容提供放电回路,避免因电容上的电荷积累影响滤波器的工作特性,断电后还能使电源的进线端不带电,保证使用的安全性。共模电感 L1、L2 和电容 C2、C3 进行第二级滤波。C2、C3 跨接在输出端,能有效抑制共模干扰。 具体的参数选择:(1)电容的选择:C1 采用高频特性较好的薄膜电容器,容量大约在0.01uF0.47uF,R1 理论上越小越好,大约在 100k10M;为了减少漏电流,C2、C3 选用瓷介电容,容量大约在 2200pF0.1uF;C1C3 的耐压值均为 630VDC 或 250VAC。(2)电感的选择:电感的选择原则从以下几个方面考虑:第一,磁芯材料的频率范围要宽,要保证最高频率在 1GHz,即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。第二,磁导率高,但是在实际中很难满足这一要求,所以,磁导率往往是分段考虑的。磁开关电源应用POS 机的电源设计- 19 -芯材料一般是铁氧体;电感量的估算考虑阻抗和频率,共模扼流圈取值大约在115mH 之间。 在实际的输入滤波电路设计中,往往是根据实际的滤波效果和电路结构安排来选择电路结构和参数,本文设计中在允许情况下去掉了 C2 和 C3,仅用共模电感 L1 和 L2 来滤除共模干扰。 图 3-2输入滤波回路原理图3.2.3输入整流电路的设计整流电路有电容输入型与扼流圈输入型两种,开关电源一般采用电容输入型的整流电路,整流方式一般采用全波整流。所以,本文设计的整流回路就是典型的电容输入型桥式全波整流电路,其原理图如图 3-3 所示。工作原理:四只整流二极管接成电桥形式,故称桥式整流。在输入电压正半周,D1、D3 导通,D2、D4 截止,电流由信号源正端(上端)经 D1 RL D3 回到信号源负端(下端) ,在负载 RL 上得到一半波整流电压。在输入信号的负半周,D1、D3 截止,D2、D4 导通,电流信号源正端(下端)经 D2RL D4 回到信号源负端(上端) ,在负载 RL 上得到另一半波整流电压。这样就在负载 RL 上得到一个与全波整流相同的电压波形,其电流的计算与全波整流相同,即 UL= 0.9Ui,IL = 0.9Ui/RL,流过每个二极管的平均电流 =IL/2= 0.45Ui/RL,每个二极管所承受的最高反向电压为 Ui。目前,小功DI 2率桥式整流电路的四只整流二极管,被接成桥路后封装成一个整流器件,称硅桥或桥堆,使用方便。如附录 1 使用的 KBP206G 就是一种集成的整流桥。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点,但多用了两只二极管。(1)具体选择整流桥时,应考虑的主要参数是:正向平均电流 ,浪涌电流 ,DIFSMI直流击穿电压 ,预期的耗散功率 ,即每个二极管要满足:RVDP1.414RV)(maxpin1.5DICI5FSMD福州大学本科生毕业设计(论文)- 20 -(2)输入滤波电容由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定,而且流经电容的纹波电流应在电容允许值范围内。C 的纹波电流对电源寿命有很大影响,应特别注意。输入滤波电容的选择主要考虑三个方面:能满足期望电压纹波的电容值;电容的额定电压;电容的额定纹波电流。对于交流离线变换器,纹波电压一般设计为输入交流电压峰值的 5%8%。对于DC/DC 变换器纹波电压峰峰值设计为 0.1V0.5V。输入滤波电容的大小可以从下式得到:(3-3))(2(min)(3.0prileinavVfPC其中, 离线式电源输入交流电压最小额定频率;inf交流输入整流电压的最小峰值;(m)V输入电容上要得到的电压纹波峰峰值。prile根据设计经验,C 的电容值 C=2PL 左右,其中,PL 为电源输出功率,单位为 W,C的单位为 ,所以这里 C 的取值 C234=68 。因为当输入电压为 240V 时,峰值为ff240=340V,所以要求 C 的耐压值应该在 340V 以上,这里选取 400V,68 的电解电2 f容,如附录 1 中所示的 C2 就是原理图中的 C 。9图 3-3输入整流电路原理图3.3变换电路设计通过第 2 章中对各种不同变换器比较,我们知道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,适合于低功率输出的开关电源。所以,本文设计的 POS 机电源电路就采用单端反激式变换电路,变换电路部分如开关电源应用POS 机的电源设计- 21 -图 3-4 所示 。10其中变压器 T1 起隔离和传递储存能量的作用,即当开关管 Q 导通时,Np 中有电流流过,储存能量,与此同时,二极管 D1 截止,负载中没有电流。当开关管 Q 截止时,Np 通过续流二极管 D1 向 Ns 释放能量,从而提供负载工作。这个电流将会持续到下次开关管截止时(若到下次开关管截止前电流已下降到零则电路工作于电流断续模式,否则工作于电流连续模式),从而保证负载电流持续不断。电路中输入端的 C、R 和 D 组成 RCD 漏感电流尖峰吸收电路。因为开关导通期间是在变压器漏感中蓄积能量的。这时,与次级绕组之间没有耦合,因此,导通期间能量不能传到次级线圈。开关管截止瞬间发生的作为初级绕组的电压加到开关管的漏源极,这种电压与初级绕组的阻抗成比例,非常大,就有可能损坏开关管。为此,接入此吸收回路,此电压经二极管整流,电容平滑后消耗在电阻中,一般把此电压抑制到 50V 左右。同样地,输出端接的 R1、C1 也是构成尖峰吸收回路,但它还有一个作用就是其中的电阻 R1起阻尼作用,防止电容 C1 和次级线圈中的寄生电容及电感 Ls 一起产生的振荡,从而增加了电路的稳定性。参数计算较麻烦,因此,实际设计中采用试探方法确定元件参数。在输出端接有由 L1、C2 和 C3 组成一个低通滤波器,滤除噪声干扰,输出低纹波电压。图 3-4单端反激变换电路图3.3.1变压器设计 单端反激式变压器设计的方法较多,对于反激式变换电路设计来说最难的也就是变压器的设计和调整,一般须视具体工作状态而定。反激变换器可工作于电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM)。同样输出功率时,工作于电流断续模式具有较大的峰值电流,此时开关晶体管、整流二极管、变压器和电容上的损耗会增加,所以一般效率较低;工作于电流连续模式下,效率较高,但输出二极管反向恢复时易引起振荡和噪声。另外,工作于电流断续模式时,由于变压器电感量福州大学本科生毕业设计(论文)- 22 -较小,体积可以做得小一些;而工作于电流连续模式,变压器体积一般会较大。变压器参数的选取应结合整个电路设计和实际应用情况,在最初的设计中,为取得比较适中的性能,可考虑使电路工作于电流临界连续状态。反激式变压器的设计可分为以下几个步骤:(1)确定已知参数 这里的已知参数包括:输入电压 Uin、输出电压 Uout、输出的功率 Pout、效率、开关频率 fs(或周期 T)、线路主开关管的耐压 Vmos。 (2)计算未知参数 在反激变换器中,初级反射电压即反激电压 Uf 与最大输入电压峰值 Udcmax 之和不能高过主开关管的耐压,同时还要留有一定的余量(此处假设为 50%的余量),则反激电压由下式确定: (3-4)2)(maxdcosfUV反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后,就可以确定原、副边的匝数比了: (3-5)sfspUN其中,UsUoVd16.8V0.65V7.45V(Us 为次级线圈电压,Vd1 为输出整流二极管导通电压)。另外,反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态,根据在稳态下,变压器的磁平衡,可以有下式: (3-6)( maxmaxin1DUfdc设在最大占空比时,当开关管导通时,原边电流为 Ip1,当开关管截止时,原边电流上升到 Ip2。若 Ip1 为 0,则说明变换器工作于断续模式,否则工作于连续模式。由能量守恒,我们有下式: (3-7)outdcpin PUDIPminax21)(本设计电路工作于电流连续模式,一般连续模式设计中,我们令 Ip2=3Ip1 ,这样就可以求出变换器的原边电流,由此可以得到原边电感量: 开关电源应用POS 机的电源设计- 23 -(3-PsdcpIfUDLminax8)其中,Ip=Ip2-Ip1=2Ip1。可由 AwAe 法求出所要铁芯: (3-9)14.2)0(jowpewKBILA在上式中, Aw 为磁芯窗口面积,单位为 cm ; Ae 为磁芯截面积,单位为 cm ; 2Lp 为原边电感量,单位为 H;Ip2 为原边峰值电流,单位为 A; Bw 为磁芯工作磁感应强度,单位为 T; Ko 为窗口有效使用系数,根据安规的要求和输出路数决定,一般为 0.20.4; Kj 为电流密度系数,一般取 395A/cm。根据求得的 AwAe 值选择合适的磁芯,一般尽量选择窗口长宽之比较大的磁芯,这样磁芯的窗口有效使用系数较高,同时可以减小漏感。 有了磁芯就可以求出原边的匝数,根据下式: (3-ewppABILN421010)再根据原、副边的匝数比关系可以求出副边的匝数。有时求出的匝数不是整数,这时应该调整某些参数,使原、副边的匝数合适。 为了避免磁芯饱和,我们应该在磁回路中加入一个适当的气隙 Lg,计算如下: (3-11) pegLANL82104.0在上式中, Lg 为气隙长度,单位为 cm;Np 为原边匝数; Ae 为磁芯的截面积,单位为 cm ;2Lp 为原边电感量,单位为 H。福州大学本科生毕业设计(论文)- 24 -至此,单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成。我们应该在设计完成后核算窗口面积是否够大、变压器的损耗和温升是否可以接受,同时,在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意 。13.3.2辅助电源的设计辅助电源拓扑电路一般来说输出功率很小(1W3W),输出电压为 1015V,主要是为主功率电路的 PWM 芯片及提供辅助功能的逻辑、检测电路供电。其中,辅助功能包括过流、过压的检测和保护、遥控信号等。这类辅助电源并一定要稳压输出,因为负载通常可以承受相对较大的输入电源波动(最大可达 15)。如果使辅助电源稳压输出(通常只要求波动在正负 2以内),可提高电路的可靠性,而且主功率电路的运行将更具可预测性。这类电源所用元件数量必须少且成本要低,并且只能占用主功率电路及其输出电路所占用空间的一小部分。如图 3-5 所示为本文所设计电路中辅助电源的原理电路。由主变换器高频变压器输出的一部分构成辅助电源。主要用于中小功率电源系统,有利于减小整个电源的体积,实现小型化,节约成本。特点是辅助电源与主变换器二者的工作状态互相制约。如果辅助电源不给控制电路供电,主变换器将不工作。而当主电路不工作,辅助电路也随之关闭。所以在电源的启动阶段需要一些方法给控制电路提供能量,然后过渡到正常的工作状态 。12图 3-5辅助电源电路原理图3.3.3 开关管的选择从原理上说,能够用来当成开关管的器件有很多种,例如双极型晶体管,快速晶闸管,可关断晶闸管,场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。开关电源应用POS 机的电源设计- 25 -实际应用中,更多是采用场效应晶体管(MOSFET)来构成开关电路。这是因为MOSFET 具有更快的开关速度,电源开关频率可以做得更高,可以从 50kHz 提高到 200KHz甚至 400kHz。同时它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。对于电路设计者来说,MOSFET 的制造材料和固态物理结构并不太重要,更主要的是直流伏安特性、极间电容、温度特性和开关速度。在很大程度上,用 MOSFET 管设计电源比用双极型晶体管更简单。MOSFET 管输入端(栅极)的驱动电路要比双极型晶体管的基极驱动电路简单得多。而且 MOSFET 管没有储存时间,避免了复杂的钳位电路和比例基极驱动电路。另外,双极型晶体管 值在制造过程中可能引起比 MOSFET 管多达 4 倍的问题。 3.3.3.1 MOSFET 的基本工作原理MOSFET 是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件,故因此而得名场效应管。MOSFET 是一种电压控制器件,只依靠一种载流子参与导电,故又称为单极型晶体管。MOSFET 的类型若从参与导电的载流子来划分,它有电子作为载流子的 N 沟道器件和空穴作为载流子的 P 沟道器件。MOS 场效应三极管分为:增强型(又有 N 沟道、P 沟道之分)及耗尽型(也有 N 沟道、P 沟道)。N 沟道增强型 MOSFET 的结构示意图见图 3-6 所示,其中:电极 D(Drain) 称为漏极,相当双极型三极管的集电极; 电极 G(Gate ) 称为栅极,相当于双极型三极管的基极;电极 S(Source)称为源极,相当于双极型三极管的发射极。图 3-6N 沟道增强型 MOSFET 结构示意图(1)N 沟道增强型 MOSFET 结构根据图 3-6 所示,N 沟道增强型 MOSFET 基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P 型半导体上生成一层 SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的 N 型区,从N 型区引出电极,一个是漏极 D,一个是源极 S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 G。P 型半导体称为衬底,用符号 B 表示。福州大学本科生毕业设计(论文)- 26 -(2)N 沟道增强型 MOSFET 工作原理 栅源电压 的控制作用GSV当 0 V 时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在 D、S 之间加上电压不会在GSD、S 间形成电流。当栅极加有电压时,若 0 时,通过栅极和衬底间形成的电容电场作用,GS)(thV将靠近栅极下方的 P 型半导体中的多子空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层;同时将吸引其中的少子向表层运动,但数量有限,不足以形成导电沟道将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流 。DI进一步增加 ,当 时( 称为开启电压),由于此时的栅极电压已GSVS)(thG)(thGSV经比较强,在靠近栅极下方的 P 型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流 。在栅极下方形成的导DI电沟道中的电子,因与 P 型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着 的继GSV续增加, 将不断增加。在 0V 时 0,只有当 后才会出现漏极电流,DIGSVDIGSV)(th这种 MOS 管称为增强型 MOS 管。对漏极电流的控制关系可用 f( )| 这一曲线描述,称为转移特性GSV)(thGSConstDS曲线,如图 3-7 所示。图 3-7N 沟道增强型 MOSFET 转移特性曲线转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V,所以 gm 也称为跨导。在 的情况下,跨导的定义式如下:ConstDSV)( 单 位 : mSVIgGSDm(3-12) 漏源电压 对漏极电流 的控制作用DSVDI当 ,且固定为某一值时,来分析漏源电压 对漏极电流 的影响。因GS)(th DSVDI开关电源应用POS 机的电源设计- 27 -为:DSV G S GDV S(3-13)所以,GDV S D (3-14)当 为 0 或较小时,相当 ,此时 基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜DSV)(thSS线分布。在紧靠漏极处,沟道达到开启的程度以上,漏源之间有电流通过。当 增加到使 时,这相当于 增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情SGD)(thSVDSV况,称为予夹断,此时的漏极电流 基本饱和;当 增加到 时,此时予夹DI GDV)(thS断区域加长,伸向 S 极, 增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上, 基本趋于S DI不变 。133.3.3.2实际选择原则实际选择 MOSFET 时,主要是根据实际设计的电源的输入电压范围、输入电流峰值、工作频率等因素来选择管子的漏源极电压、漏极最大电流、阈值电压、导通电阻、跨导、最高工作频率、导通时间和关断时间和极间电容,从而选择合适的管子。本次设计中,我们令初级反射电压 Uf100V,输入最高直流电压Udcmax= 240=340V,所以理论上 MOSFET 至少要能承受电压 Vmos=Uf+Udcmax=440V。2而实际上,工程设计时暂定的 Uf 都必须考虑 50的余量,即可能会出现 200V 的反峰电压值,故实际 MOSFET 管要能承受 Vmos=2Uf+Udcmax=200V340V540V,所以我们要选择 540V 以上耐压的 MOSFET,而 MOSFET 的最大允许电流应为正常工作最大电流(1.5A)的 23 倍,故选择附录 1 中的 SSS4N60B,它的耐压值为 600V,最大漏极电流为 4A,它是 Semiconductor 厂商生产的 N 沟道增强型 MOSFET,符合我们的设计要求。3.4控制电路的设计整个控制电路包括两部分,一部分是由 UC3842 构成的电流控制型脉宽调制电路,用来根据检测到的输出电压和输入电压的变化(表现为电流变化)而实时地调整输出脉冲宽度去改变开关管的导通时间从而使输出电压达到稳定。另一部分是由 TL431 构成的输出闭环反馈回路,用来实时地检测输出电压的变化,然后以反馈给 UC3842 。143.4.1UC3842 构成的电流控制型脉宽调制电路3.4.1.1UC3842 的内部结构和特点福州大学本科生毕业设计(论文)- 28 -UC3842 是美国 Unitrode 公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。UC3842 为 8 脚双列直插式封装 ,其内部结构如图 3-8 所示。主要由
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