论文答辩演示文稿

开关电源的应用POS机的电源设计,毕业设计论文答辩,班级：02级通信工程2班姓名：周少宏导师：林强、李伟,开关电源的应用POS机的电源设计,第1章绪论第2章开关电源的电路原理与设计第3章POS的电源设计第4章整机电路解析与测试第5章结论,第1章绪论（P1）本次毕业设计的主要工作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。开关电源是由传统的线性稳压电源发展而来的，它以其功耗小、效率高、体积小、重量轻等优点逐渐取代线性稳压电源而得到广泛应用。,1.1开关电源的基本构成（P2）,开关电源原理框图如图1.1.2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。,1.2线性稳压电源与开关电源比较（P2）,在线性稳压电源中，电压调整管是工作在线性放大状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，调整管的功耗太大，使转换效率低，一般只有35%60%，而且还要安装很大的散热片。另外，由于工作频率低，所以它需要庞大而笨重的工频变换器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大。P1,在开关电源中，电压调整管是工作于开关状态，它的导通和关断时间受控制电路输出的控制脉冲决定。因为电压调整管是工作于开关状态，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。P1,所以，线性稳压电源只适合用于对效率和温度要求不高的小功率电源电路和那些对电气噪声很敏感而需要“静音”电源（即不产生噪声干扰）的仪器设备，如音频和视频放大器等。而在便携式产品、航空和自动化产品、仪器仪表等产品中，笨重而低效的线性稳压电源已经渐渐被开关电源取代。,第2章开关电源的电路原理与设计（P5）,2.1开关电源的电路拓扑结构（P5）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，主要有降压型（Buck变换器）、升压型（Boost变换器）、反转型（Buck-Boost变换器）、单端反激式变换电路、单端正激式变换电路、推挽式变换电路、半桥式变换电路、全桥式变换电路等。,2.2开关电源调制方法（P9）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。,2.3开关电源控制方式（P12）开关电源控制方式大致可以分为电压控制方式和电流控制方式两种。电流控制型开关变换器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，从而克服了只有单反馈环的电压控制型的缺点，具体工作过程后述。,所以，要设计一个具体的开关电源，必须先根据使用的条件及要求达到的性能指标选择好合适的电路拓扑结构、调制方法和控制方式，从而才能开始设计实际电路。,第3章POS机的电源设计（P15）,根据第2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、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。1.为什么选择单端反激式？（P6）因为单端反激式电路结构简单、紧凑、工作可靠、成本低，输出功率一般为几瓦到一百多瓦。,2.为什么选择电流控制型？（P13）因为相比电压控制型来说，电流控制型：（1）对输入电压变化响应快，抗干扰性能强。（2）具有过流保护。（3）回路稳定性好、负载响应快。（4）简化了反馈电路的设计。,3.为什么选择脉宽调制方法？（P9）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。,3.1输入电路设计3.1.1冲击电流抑制电路设计(P15),浪涌电流是指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。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。具体参数计算见论文P15。,3.1.2输入滤波电路设计(P16),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是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。为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器。具体参数选择见论文P16。,3.1.3输入整流电路的设计（P17）,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。在输入电压正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，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，在负载RL上得到另一半波整流电压。这样就在负载RL上得到一个全波整流的电压波形。具体元件参数选择与计算见论文P17。,3.2变换电路的设计（P18）设计一个开关电源，最核心的工作就是设计它的变换电路。我们选择单端反激式变换器，原因就是电路结构简单、紧凑、工作可靠、成本低，适合小功率电源。其结构框图如下所示：,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（注意：这只是理论分析时的情况，实际上电源一接通负载即刻有电流）。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，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。具体参数计算见论文P1923。,整个设计的难点就是变换电路中变压器的参数计算与绕制，实际上变压器设计要求更多的是设计经验和工艺技巧，理论求得的参数就是一个参考值，实际参数是要经调试后才能确定。具体参数计算见论文P1923。,3.3控制电路的设计3.3.1由UC3842构成的电流控制型脉宽调制电路（P24）,（1）启动过程：首先由电源通过启动电阻R1提供电流给电容C2充电，当C2电压达到UC3842的启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出驱动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。开关管一导通，变压器开始工作，之后由反馈线圈（即辅助电源）向UC3842提供正常工作的电压13V。,（2）稳压过程：经推导可知（详见论文P26），输出电压Uo与Ton成正比,与匝比N及Toff成反比。所以,当电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时,反馈线圈的输出电压则会变低,从而使2端电压变低,则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比,使大功率晶体管导通的时间变长；反之,当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时,则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比,使大功率晶体管导通的时间变短,从而维持输出电压稳定。,3.3.2由TL431构成的输出电压检测电路（P27）,由图可知，R1和R2是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端（端1）来控制从阴极到阳极的分流。这个电流又是直接驱动光耦的发光部分的。所以，当输出电压Vo变大时，Vref端电压升高，电流变大，导致流过TL431的电流变大，于是光耦的发光增强，感光端得到的反馈电压也就增大，这个反馈电压送到UC3842的端2（电压反馈输入端），将使输出控制脉冲宽度变小，开关管导通时间降低，从而使输出电压下降；,反之，当输出电压Vo变小时，Vref端电压变小，电流变小，导致流过TL431的电流变小，于是光耦的发光减弱，感光端得到的反馈电压也就减小，于是UC3842输出控制脉冲宽度变大，增加开关管导通时间来提高输出电压，从而维持输出电压稳定。而这一整个过程从检测到输出电压变化到控制输出脉冲变化直到使输出维持稳定是在极短的时间里面就完成的。整个控制电路的参数计算见论文P2428。,3.4输出电路的设计（P28）输出电路的主要工作就是对次级输出电压Us进行整流滤波后得到平滑低纹波输出电压Uo，所以设计输出电路主要就是设计输出整流滤波网络和尖锋吸收回路。,其中,D1为输出整流二极管，必须采用大电流、低功耗、超高速的肖特基二极管；R1和C1构成D1的尖锋吸收回路，防止次级感应电压尖锋损害D1,另外R1还起到阻尼作用，防止电容C1与次级线圈电感Ls及其寄生电容Cs一起产生不必要的振荡而影响输出稳定性；L1、C2和C3构成型滤波网络，滤除回路噪声及其他干扰信号，使输出平整，纹波小。具体参数计算见论文P29。,3.5保护电路的设计（P36）开关电源的保护电路主要包括短路保护、过流保护和过压保护等，在本文设计的电路中，由于采用的是UC3842构成的控制电路，它具有短路和过流保护功能，当负载短路或过流时，UC3842将使出脉宽下降直至无输出脉冲，从而使开关管不能工作，等电路恢复正常时它将自动恢复正常工作。,而过压保护则是由稳压管D6（18V）检测一次侧辅助电源电压、由稳压管D9（8.2V）、U3检测二次输出的电压，当出现过压时D5和U3导通，同时稳压二极管D6和D9同时击穿，UC3842端1分流加大，停止输出脉冲。同时，由于电流迅速加大，使Q2和Q3导通，而Q2和Q3又是接成可控硅回路，故电流瞬间达到饱和，Q2集电极到地的电压（也是UC3842电源端）被钳位在1V以下，使UC3842无法工作，电源停机。故障排除后需重新上电才能使电路正常工作，从而起到过压保护作用。,第4章整机电路解析（P30）将第3章设计的各部分电路结构拼合起来，并在调试的时候加上适当的补偿回路，使电路更加稳定可靠，得到如下所示的整机电路图。,整机电路测试输出负载不变，输入电压变化时：1.输入电压为交流220V时，UC3842的：端1（电压反馈输入端）信号Vfb：,端3（电流检测输入端）信号Vs：,端6（控制信号输出端）信号Vc：,变压器：初级反锋电压Uf：,次级输出电压Us：,输出电压Vo：,输入电压不变，输出负载变化时：具体各点波形都不变，大小发生变化，波形从略。,（1）当输出负载不变（IL=1A），而输入电压从最小到最大变化时：电流检测信号Vs将发生变化，因为输入电压变化，电路中电流发生变化，所以Vs变化，输入越小，Vs越大，反之，Vs越小。控制信号Vc大小不变，但占空比也发生变化。输入越小，占空比越大，才能使输出保持不变，满足能量守恒。,电压反馈信号Vfb不变，因为输出电压和负载都没变化，所以电压反馈信号不会变。反峰电压Uf大小不变，因为其大小是我们设计变压器时设定的，所以不会再变化，但其占空比是变化的，和Vc的变化一样。次级电压Us不变，因为次级电压UsVoVd76.80.67.4（V），但占空比也是和Vc一样变化。输出电压Vo始终不会变化，即稳定在6.8V，误差在2%以内。,（2）当输入电压不变（Vi=220V），而负载电压从空载到满载变化时：电流检测信号Vs随负载变大而变大，即满足能量守恒。控制信号Vc大小不变，占空比变大，因为输出负载变大，所以占空比要变大，才能满足能量守恒。电压反馈信号Vfb变大，因为负载电流变大了,反馈信号增强