1、開關電源的應用POS機的電源設計1 研究開關電源的意義目前空間技術、計算機、通信、雷達、電視機及家用電器中的電源已經漸漸地被開關電源取代。現在一般應用的串聯調整穩壓電源，是連續控制的線性穩壓電源，這種傳統的串聯穩壓器，調整管總是工作于放大區，流過的電流是連續的，這種穩壓器的缺點是承受過載和短路的能力差，效率低，一般只有3560。由于調整管上損耗較大的功率，所以需要采用大功率調整管并裝有體積很大的散熱器。開關電源的調整管工作在開關狀態，功率損耗小，效率可高達7095，穩壓器體積小，重量輕，調整管功率損耗小，散熱器也隨之減小。此外，開關頻率工作在幾十千赫，濾波電感、電容可用較小數值的元件。允許的環

2、境溫度也可以大大提高。但是，由于調整元件的控制電路比較復雜，輸出的紋波電壓較高，瞬態響應較差。所以開關電源的應用也受到一定限制。開關穩壓電源的優越性主要表現在： （1）功耗小：由于開關管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。功耗小使得電子設備內溫升也低，周圍元件不會因長期工作在高溫環境下而損壞，這有利于提高整個電子設備的可靠性和穩定性。（2）穩壓范圍寬：當開關穩壓電源輸入的交流電壓在150250V范圍內變化時，都能達到很好的穩壓效果，輸出電壓的變化在2以下。而且在輸入電壓發生變化時，始終能保持穩壓電路的高效率，因此，開關穩壓電源能適用于電網電壓波動比較大的地區。（3）體積小、重量輕開關穩壓電源可

3、將電網輸入的交流電壓直接整流，再通過高頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。（4）安全可靠：開關穩壓電路一般都具有自動保護電路。當穩壓電路、高壓電路、負載等出現故障或短路時，能自動切斷電源，其保護功能靈敏、可靠。開關電源和線性電源是現代電子電源發展的兩個主要方面，開關電源以功耗小、效率高、體積小、重量輕的優勢幾乎席卷了整個電子界，而線性電源則以其固有的穩定性仍占有一席之地。為了順應現代電子技術設備對多種電壓和電流的需求，在滿足體積小、重量輕、效率高、抗干擾能力強的同時，還應有更好的可靠性和經濟經濟性。 開關電源的發

4、展經歷了從線性電源、相控電源到開關電源的發展歷程，由于開關電源具有功率轉換效率高、穩壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優點，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、高可靠的方向發展。計算機控制、計算機通信和計算機網絡技術的快速發展，為通信電源監控系統的發展和完善提供了外部條件，使其發展逐步實現少人值守，直至無人值守。 2 國內外的研究動態及研究方法2.1 研究動態開關電源技術已經有幾十年的歷史。早期產品的開關頻率很低，成本昂貴，僅用于諸如衛星等尖端電子設備。20世紀六七十年代相繼出現的由晶閘管（可控硅）和其它分立元件制作而成的開關電源，均因效率低下、開關頻率低、電路復雜

5、、難于調試等因素而難以普及。20世紀70年代后期，隨著集成電路設計與制造工藝水平的不斷提高，各種質優價廉的開關電源專用集成電路相繼出現，而制造開關電源的新材料、新器件成為開關電源普及的主要動力。除了各種集成電路外，一些諸如MOS功率開關管（MOSFET）、肖特基二極管（SBD）、超快恢復二極管（SRD）、瞬態電壓抑制管（TVS）、壓敏電阻器（VSR）、熔斷電阻器（FR）、自恢復保險絲（RF）、線性光耦合器、可調式精密并聯穩壓器（TL431）、電磁干擾濾波器（EMI Filler）、高導磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重絕緣線、玻璃珠膠合劑等一系列新器件、新材料，正廣泛應用于開關電源，從而

6、使開關電源頻率已從20KHz發展到數百KHz甚至數MHz，使開關電源得以廣泛的應用。在開關電源輕型化、小型化、高效化的發展歷程中，集成電路技術起了決定性的作用。近20年來，集成開關電源是沿著兩個方向不斷發展的：一個方向是，對開關電源的核心單元控制電路的集成；另一個方面是，對中、小功率開關電源實現單片集成化，單片開關電源實際上是一種AC/DC電源變換器。沿著前一方向，主要經歷了兩個階段：第一階段是，20世紀70年代后期研制成功了PWM控制器集成電路，如美國摩托羅拉公司（Motorala）、SG（Silicom General）公司和尤里特魯（Unitrode）公司等相繼推出的一批PWM控制IC，

7、典型產品有MC3520、SG3524、UC3842等。20世紀90年代以來，又研制成功了開關頻率高達1MHz的高速PWM、PFM控制IC，典型產品如UC1825、UC1564等。沿著后一方向，主要經歷了兩個階段：第一階段是，20世紀80年代，SGS湯姆森（SGS-Thomson）公司率先推出的L4960系列單片開關式穩壓器，該公司于20世紀90年代又推出了L4970系列。這類單片穩壓器的特點是將PWM控制、功率輸出級、保護電路等集成到一塊芯片中，使用時需要配工頻變壓器與電網隔離，適于制作5.1V40V低壓連續可調式輸出、400W以下大中功率、1.5A10A大電流、效率超過90的開關電源。這類芯

8、片本質上仍屬于DCDC變換器。第二階段是，20世紀90年代中后期由美國電源集成（PI,Power Integration）公司開發成功的三端隔離、PWM型反激式單片開關電源，其第一代產品是TOPSwich系列，第二代產品是TOPSwich系列；以及20世紀90年代后期該公司推出的高效率、小功率、低價格的四端單片開關電源Tiny Swich系列，1999年又推出TNY256系列。此后，摩托羅拉公司于1999年推出了稱為高壓功率開關調節器的MC33370系列五端單片開關電源，2000年PI公司又推出了TOPSwichFX系列五端開關電源。這些單片開關電源充分展示了單片開關電源的優勢和廣闊應用前景。

9、2.2 研究方法（1）電路拓撲的選擇 開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60降額使用，則使開關管不易選型。在推挽和全橋拓撲中可能出現單向偏磁飽和，使開關管損壞，而半橋電路因為具有自動抗不平衡能力，所以就不會出現這個問題。雙管正激式和半橋電路開關管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60降額使用，選用開關管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓撲。 （2）控制策略的選擇 在中小功率的電源中，電流型 PWM 控制是大量采用的方法，它較

10、電壓控制型有如下優點：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關管損壞，大大減小過載與短路的保護；優良的電網電壓調整率；迅捷的瞬態響應；環路穩定，易補償；紋波比電壓控制型小得多。生產實踐表明電流控制型的50W開關電源的輸出紋波在 25mV 左右，遠優于電壓控制型。硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在350kHz 以下，軟開關技術是應用諧振原理使開關器件在零電壓或零電流狀態下通斷，實現開關損耗為零，從而可將開關頻率提高到兆赫級水平，這種應用軟開關技術的變換器綜合了 PWM 變換器和諧振變換器兩者的優點，接近理想的特性，如低開關損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負

11、載范圍，但是此項技術主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM 技術為主。3 可能的研究成果3.1 軟開關方式軟開關方式包括零電流開關方式、零電壓開關方式及兩者兼用的方法。這兩種方式的優點是產品體積小、效率高、噪聲小、成本低。作為實現這種軟開關方式的手段，有諧振型開關電源技術和部分諧振型開關電源技術，而后者很可能會成為今后開關電源采用的主流技術。3.2 組件化技術所謂組件化技術，就是預先將電源中所需要使用的直流/直流變換器、用于諧波電流抑制的功率因數改善電路、整流平滑電路以及靜噪濾波電路等部分分別制成微型或薄型組件，再根據用戶需要制作半定制電源，或者根據用戶要求，和交流/直流前端電路配合，

12、構成適應大功率輸出或多路輸出等用途的系統電源。3.3 控制技術在有些開關電源產品，以模擬方式控制輸出電壓，并以數字方式進行開關，同時穩定控制輸出電壓。從控制技術角度來說，采用數字技術控制，目的并不僅僅在于穩定輸出電壓，而在于繼續擴展應用范圍，以實現節約電力、放寬輸入電壓范圍（適應各國不同的市交流電壓）、進行系統對應控制等。3.4 交流適配器便攜式電子設備的興起，使得交流適配器的市場越來越大。以住的交流適配器采用降壓電路，體積大而且笨重，目前已有采用開關方式的小型交流適配器上市。參考文獻1常敏慧、申功邁、何希才.開關電源應用、設計與維修.北京：科學技術文獻出版社，2000.3 172何希才.新型開關電源設計與應用.北京：科學出版社，2001.2 56803黃燕.開關電源故障檢修方法.北京：國防工業出版社，2004.1 41434范小忠.開關電源設備故障案例剖析與檢修.北京：中國電力出版社，2