基于NCP1200A的多路反激變換器的研究

基于NCP1200A的多路反激變換器的研究

介紹了低功率通用離線式電源的脈寬調(diào)制電流型控制器NCP1200A的原理，并且通過(guò)所研制出的多路隔離反激變換器試驗(yàn)樣機(jī)，及其試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明此控制器所具有的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電流模式控制；反激；前沿消隱；動(dòng)態(tài)自供電

0??? 引言

??? 反激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入輸出電氣隔離、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、易于多路輸出等特點(diǎn)，因而適合作為電力電子設(shè)備內(nèi)的輔助開(kāi)關(guān)電源。

??? 電流控制型脈寬調(diào)制是一種新穎的控制技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)的電壓控制型脈寬調(diào)制技術(shù)的缺點(diǎn)，使開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)、高度的穩(wěn)定性、過(guò)載及短路保護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。NCP1200A是一種低功率通用離線電源的電流模式脈寬調(diào)制控制器，它代表了向超小型開(kāi)關(guān)電源方向的重大飛躍，它內(nèi)部包括定時(shí)元件、反饋器件、低通濾波器和自供電等。本文通過(guò)對(duì)此芯片功能的研究，并且成功地設(shè)計(jì)制作了多路隔離輸出反激變換器的樣機(jī)。

1??? 電流控制型脈寬調(diào)制器NCP1200A簡(jiǎn)介

??? NCP1200A采用標(biāo)準(zhǔn)電流模型體系，驅(qū)動(dòng)關(guān)斷時(shí)間由峰值電流設(shè)置點(diǎn)確定。此控制芯片具有以下特點(diǎn)：

??? ——無(wú)需輔助電源繞組；

??? ——內(nèi)部有輸出短路保護(hù)電路；

??? ——空載待機(jī)功耗極低；

??? ——電流模式帶跳周期功能；

??? ——內(nèi)部有250ns前沿消隱電路；

??? ——250mA峰值拉/灌電流能力；

??? ——內(nèi)部固定頻率為40/60/100kHz；

??? ——通過(guò)光耦合器直接連接。

??? 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，各引腳功能如下：

??? ——腳1用來(lái)調(diào)整發(fā)生跳周期的電平；

??? ——腳2將光耦器接至該腳，根據(jù)輸出功率需求來(lái)調(diào)節(jié)一次側(cè)峰值電流設(shè)定點(diǎn)；

??? ——腳3檢測(cè)一次側(cè)電流，并通過(guò)前沿消隱電路將檢測(cè)值送入內(nèi)部比較器；

??? ——腳4接地；

??? ——腳5輸出驅(qū)動(dòng)外部MOSFET開(kāi)關(guān)管；

??? ——腳6接至典型值為10μF的外部大容量電容；

??? ——腳7用來(lái)保證適當(dāng)?shù)穆╇娏骶嚯x；

??? ——腳8接至高壓直流干線，該腳將恒定電流注入V_cc大容量電容。

圖1??? NCP1200A內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2??? 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及注意事項(xiàng)

2.1??? 動(dòng)態(tài)自供電（DSS）

??? 動(dòng)態(tài)自供電技術(shù)使得所設(shè)計(jì)的反激變換器無(wú)需輔助電源繞組，可由高壓直流干線直接供電。DSS的原理基于V_cc大容量電容從一個(gè)低電平到一個(gè)較高電平的充放電。其工作過(guò)程如下：

??? 當(dāng)電源接通時(shí)，若V_cc<V_ccH，則電流源接通，無(wú)脈沖輸出；若V_cc下降且大于V_ccL，電流源關(guān)斷，輸出為脈動(dòng)；若V_cc上升且小于V_ccH，電流源接通，輸出為脈動(dòng)；典型值V_ccH=12V，V_ccL=10V，其工作過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2??? V_cc電容的充放電示意圖

2.2??? 跳周期工作模式

??? 由于開(kāi)關(guān)電源在正常負(fù)載條件下具有良好的效率，而在輸出功率減小時(shí)，其效率將開(kāi)始下降。NCP1200A內(nèi)嵌跳周期功能，當(dāng)輸出功率需求量減小到給定值以下時(shí)，便自動(dòng)地跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期，這是通過(guò)監(jiān)視腳FB來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)負(fù)載需求量減小時(shí)，內(nèi)部環(huán)路要求較小的峰值電流，當(dāng)此設(shè)定值達(dá)到確定的電平時(shí)，集成電路將阻止電流繼續(xù)減少，并開(kāi)始使輸出脈沖出現(xiàn)空白，實(shí)現(xiàn)跳周期模式。當(dāng)FB跳過(guò)門限值（默認(rèn)值1.2V）時(shí)，峰值電流不會(huì)超過(guò)1V/R_sense。當(dāng)集成電路進(jìn)入跳周期模式時(shí)，峰值電流不會(huì)小于V_pin1/3.3，此時(shí)用戶可以通過(guò)改變腳1的電壓值來(lái)調(diào)節(jié)跳周期的峰值電流。這樣在空載情況下，NCP1200A的總待機(jī)效率可以很容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3??? 短路保護(hù)功能

??? 通過(guò)持續(xù)監(jiān)視反饋回路，NCP1200A能檢測(cè)到出現(xiàn)短路的情況，并立即將輸出功率減小，以對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行保護(hù)。一旦短路消失，控制器即可恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。因此，對(duì)于給定的恒定輸出功率的電源，可以很方便地?cái)嚅_(kāi)這個(gè)保護(hù)功能。

2.4??? 軟啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

??? V_cc電壓從12V降到10V所需要的時(shí)間決定了系統(tǒng)能否正常啟動(dòng)，由輸出電容充電引起的相應(yīng)瞬態(tài)故障持續(xù)時(shí)間必須小于V_cc電壓從12V降到10V的時(shí)間，否則反饋監(jiān)視回路就會(huì)當(dāng)短路情況處理，使得電源將不能正常啟動(dòng)。V_cc上的電壓和腳6的外接電容值C有關(guān)系。假設(shè)系統(tǒng)達(dá)到額定負(fù)載所需的時(shí)間為6ms，因而V_cc的下降時(shí)間必須大于6ms，此處設(shè)定為10ms。在包括MOSFET驅(qū)動(dòng)的集成電路消耗電流為1.5mA，由式C=i·Δt/ΔV，可得所需電容值的大小。按照此處所設(shè)定的條件可知C=7.5μF，在實(shí)際電路中用C=10μF，以便實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

2.5??? 芯片管腳防負(fù)電壓尖峰功能

??? 此芯片可以通過(guò)附加外圍電路來(lái)防止敏感管腳被負(fù)電壓尖峰損壞。負(fù)的信號(hào)對(duì)只有正偏置的控制芯片有很大的損壞，使其不能穩(wěn)定工作。如果由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，使得變壓器原邊電感和腳6外接電容發(fā)生諧振，將會(huì)在腳6上產(chǎn)生負(fù)的脈沖，造成芯片損壞。為了有效地防止此情況的發(fā)生，可以采用圖3所示的兩種電路來(lái)保護(hù)芯片。

圖3??? 防止負(fù)壓脈沖電路

2.6??? 內(nèi)嵌前沿消隱（LEB）功能

??? 一般控制芯片，在一次側(cè)的電流檢測(cè)輸入前，必須對(duì)檢測(cè)到的電流波形進(jìn)行低通濾波處理，以防止由于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)尖峰所引起的瞬態(tài)過(guò)流現(xiàn)象。NCP1200A內(nèi)部具有250ns的前沿消隱電路，從而無(wú)須外加低通濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢測(cè)的電流進(jìn)行處理，使得電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

3??? 試驗(yàn)結(jié)果

??? 本文通過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)一步來(lái)介紹NCP1200A的工作原理以及在實(shí)際設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)便性。此試驗(yàn)裝置為48V直流輸入，三路隔離輸出的反激變換器。各個(gè)參數(shù)設(shè)置為：V_in=48V，V_cc=V_cc1=V_cc2=15V，V_EE=－15V，開(kāi)關(guān)頻率f=40kHz，變壓器原邊電感值L=330μH，額定輸出功率P=14W，占空比D=0.4（為了防止D>0.5，而使電路不能穩(wěn)定工作，且無(wú)須加斜坡補(bǔ)償）。電路的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，采用RCD無(wú)源吸收網(wǎng)絡(luò)來(lái)防止MOSFET被燒毀。

圖4??? 電路的結(jié)構(gòu)原理

??? 所研制的試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示，具體尺寸為105mm×30mm×23mm，采用立放直插式結(jié)構(gòu)，便于和主體設(shè)備連接。

圖5??? 試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

??? 由所研制的試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)得的實(shí)際試驗(yàn)波形如圖6～圖8所示。圖6為V_cc電容上的充放電波形，很好地實(shí)現(xiàn)了芯片的動(dòng)態(tài)自供電，同時(shí)保證了裝置的軟啟動(dòng)。

圖6??? V_cc電容充放電波形

(a)一次側(cè)檢測(cè)電流波形

(b)開(kāi)關(guān)管漏源極間電壓波形

圖7??? i_cs與v_ds波形

圖8??? 不同功率下的輸出脈沖(P₁>P₂)

??? 圖7(a)和(b)分別為電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)（CCM）和電流斷續(xù)狀態(tài)（DCM）的一次側(cè)采樣電阻上的電流波形和MOSFET上的漏源極之間的電壓波形，試驗(yàn)波形中所存在的電流和電壓毛刺，是由于一次側(cè)變壓器的漏感、MOSFET的體內(nèi)寄生電容以及二次側(cè)的二極管反向恢復(fù)所造成的。由于NCP1200A具有250ns的LEB功能，所以檢測(cè)電流中的高頻脈沖不會(huì)影響到電路的穩(wěn)定性。

??? 圖8為樣機(jī)工作在額定輸出功率和輕載情況下的驅(qū)動(dòng)波形對(duì)比，由此可以看出芯片的跳周期工作狀態(tài)，從而有效地減少功耗，達(dá)到高效率的要求。

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? NCP1200A是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器，適合于超小型的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。它具有動(dòng)態(tài)自供電、軟啟動(dòng)、跳周期低損耗工作、短路保護(hù)等功能。幾乎不需要外圍分立器件，就能實(shí)現(xiàn)多路隔離輸出高效率的小型反激變換器，因而，該芯片廣泛地應(yīng)用于交流－直流適配器、離線電池充電器、輔助電源等。