基于NCP1200A的多路反激變換器的研究
關(guān)鍵詞：電流模式控制；反激；前沿消隱；動態(tài)自供電
引言
反激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、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、過載及短路保護(hù)簡單等特點(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。本文通過對此芯片功能的研究，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簡介
NCP1200A采用標(biāo)準(zhǔn)電流模型體系，驅(qū)動關(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)輸出功率需求來調(diào)節(jié)一次側(cè)峰值電流設(shè)定點(diǎn)；
--腳3檢測一次側(cè)電流，并通過前沿消隱電路將檢測值送入內(nèi)部比較器；
--腳4接地；
--腳5輸出驅(qū)動外部MOSFET開關(guān)管；
--腳6接至典型值為10μF的外部大容量電容；
--腳7用來保證適當(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Vcc大容量電容。
2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及注意事項(xiàng)
2.1 動態(tài)自供電（DSS）
動態(tài)自供電技術(shù)使得所設(shè)計(jì)的反激變換器無需輔助電源繞組，可由高壓直流干線直接供電。DSS的原理基于Vcc大容量電容從一個(gè)低電平到一個(gè)較高電平的充放電。其工作過程如下：
當(dāng)電源接通時(shí)，若Vcc<VccH，則電流源接通，無脈沖輸出；若Vcc下降且大于VccL，電流源關(guān)斷，輸出為脈動；若Vcc上升且小于VccH，電流源接通，輸出為脈動；典型值VccH=12V，VccL=10V，其工作過程示意圖如圖2所示。
2.2 跳周期工作模式
由于開關(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)，便自動地跳過開關(guān)周期，這是通過監(jiān)視腳FB來實(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跳過門限值（默認(rèn)值1.2V）時(shí)，峰值電流不會超過1V/Rsense。當(dāng)集成電路進(jìn)入跳周期模式時(shí)，峰值電流不會小于Vpin1/3.3，此時(shí)用戶可以通過改變腳1的電壓值來調(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
通過持續(xù)監(jiān)視反饋回路，NCP1200A能檢測到出現(xiàn)短路的情況，并立即將輸出功率減小，以對整個(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，對于給定的恒定輸出功率的電源，可以很方便地?cái)嚅_這個(gè)保護(hù)功能。
2.4 軟啟動的實(shí)現(xiàn)
Vcc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，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Vcc電壓從12V降到10V的時(shí)間，否則反饋監(jiān)視回路就會當(dāng)短路情況處理，使得電源將不能正常啟動。Vcc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Vcc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)軟啟動功能。
2.5 芯片管腳防負(fù)電壓尖峰功能
此芯片可以通過附加外圍電路來防止敏感管腳被負(fù)電壓尖峰損壞。負(fù)的信號對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所示的兩種電路來保護(hù)芯片。
2.6 內(nèi)嵌前沿消隱（LEB）功能
一般控制芯片，在一次側(cè)的電流檢測輸入前，必須對檢測到的電流波形進(jìn)行低通濾波處理，以防止由于開關(guān)管的開關(guān)尖峰所引起的瞬態(tài)過流現(xiàn)象。NCP1200A內(nèi)部具有250ns的前沿消隱電路，從而無須外加低通濾波網(wǎng)絡(luò)對檢測的電流進(jìn)行處理，使得電路設(shè)計(jì)更加簡單。
3 試驗(yàn)結(jié)果
本文通過試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)一步來介紹NCP1200A的工作原理以及在實(shí)際設(shè)計(jì)中的簡便性。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：Vin=48V，Vcc=Vcc1=Vcc2=15V，VEE=－15V，開關(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無源吸收網(wǎng)絡(luò)來防止MOSFET被燒毀。
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。
由所研制的試驗(yàn)樣機(jī)測得的實(shí)際試驗(yàn)波形如圖6～圖8所示。圖6為Vcc電容上的充放電波形，很好地實(shí)現(xiàn)了芯片的動態(tài)自供電，同時(shí)保證了裝置的軟啟動。
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，所以檢測電流中的高頻脈沖不會影響到電路的穩(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)動波形對比，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
NCP1200A是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器，適合于超小型的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。它具有動態(tài)自供電、軟啟動、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。
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