基于NCP1337準(zhǔn)諧振電源的分析和設(shè)計(jì)
隨著全球業(yè)界對(duì)電源效率的要求越來越高，包括ATX電源、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等在內(nèi)的電源需要更高的節(jié)能要求。傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)都工作在固定頻率模式下，從而使得功率管在高壓接通，關(guān)斷過程中功率管上消耗的瞬時(shí)功率較大，同時(shí)還會(huì)引起一定的電磁干擾。而準(zhǔn)諧振技術(shù)和軟跳周期技術(shù)正好能解決這個(gè)問題，安森美公司的NCPl337控制器就是用于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源的優(yōu)秀代表。
l 準(zhǔn)諧振原理
準(zhǔn)諧振變換的原理是降低拓?fù)渲须娫撮_關(guān)的導(dǎo)通損耗，一般的反激式開關(guān)電源其MOSFET開通／關(guān)斷時(shí)間固定，工作在固定頻率。如圖1所示，我們可以看到在磁復(fù)位的過程中，由于變壓器電感和功率管上寄生電容存在，使得開關(guān)管上的壓降存在振蕩。但是可以發(fā)現(xiàn)電壓振蕩曲線中的A點(diǎn)，就是MOSFET漏源電壓的第一個(gè)最小值(或稱谷值)，如果我們?cè)谶@個(gè)時(shí)候讓MOSFET管開通，那么導(dǎo)通的電流尖峰將會(huì)最小。在某些條件下，甚至可以獲得零電壓開關(guān)(ZVS)。通過調(diào)節(jié)改變電源的工作頻率來進(jìn)行，不管當(dāng)時(shí)負(fù)載或線路電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時(shí)候?qū)āＥc反激式轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)工作模式及連續(xù)工作模式相比，準(zhǔn)諧振開關(guān)提供的導(dǎo)通損耗更低，因此能夠提高效率和降低器件溫度。
2 NCPl337簡(jiǎn)介
NCPl337是一款增強(qiáng)型的準(zhǔn)諧振脈沖寬度調(diào)制電流模式控制器，它結(jié)合了真正的電流模式調(diào)制器與去磁檢測(cè)器，確保電源在任何負(fù)載條件下均能工作在不連續(xù)的導(dǎo)電模式。它集成了組建嚴(yán)格可靠的開關(guān)電源(SMPS)所有必要的元件和功能。圖2是管腳排布圖。
其主要特性：
1)自由運(yùn)行的邊界／臨界模式，準(zhǔn)諧振控制；
2)最小開關(guān)頻率(25 kHz)跳周期模式；
3)獨(dú)立于輔助電壓的自恢復(fù)短路保護(hù)；
4)內(nèi)置兩種外部失效模式觸發(fā)比較器(禁止和鎖定)；
5)內(nèi)置4．0ms的軟啟動(dòng)；
6)500mA峰值電流驅(qū)動(dòng)能力；
7)最高工作頻率130kHz；
8)內(nèi)部前端消隱，內(nèi)部過溫保護(hù)；
9)12～10V問的動(dòng)態(tài)自供電技術(shù)(DSS)。
在NCPl337中有兩個(gè)重要特征，其一、用軟跳周期技術(shù)來控制峰值電流并去除一些開關(guān)脈沖，從而控制開關(guān)損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空載、輕載狀態(tài)下的卓越高效性能。并能在變壓器進(jìn)入跳周期工作時(shí)有效去除噪聲。其二、為了保證任何時(shí)候都能在谷底值開通，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振工作方式，使用了無線圈去磁檢測(cè)技術(shù)。
2．1 軟跳周期技術(shù)
在輕載下或待機(jī)工作模式時(shí)，NCPl337進(jìn)入軟跳周期模式：當(dāng)FB設(shè)置點(diǎn)比最大峰值電流低20%時(shí)(Ucs在100mV)，輸出脈沖停止。當(dāng)FB回路強(qiáng)制設(shè)置點(diǎn)高于25％(Ucs在130mV)時(shí)，開關(guān)轉(zhuǎn)換又重新開始，而且每次啟動(dòng)都內(nèi)部軟化，即軟啟動(dòng)，使得頻率不會(huì)低于25kHz，當(dāng)這種情況出現(xiàn)在低峰值電流、軟啟動(dòng)、TOFF被鉗位時(shí)，即使采用低成本的變壓器也能無噪聲工作。如圖3所示。
2．2 無線圈去磁檢測(cè)技術(shù)
為了得到準(zhǔn)諧振工作模式，最佳點(diǎn)應(yīng)對(duì)應(yīng)于漏極電壓的“谷點(diǎn)”，同時(shí)這也對(duì)應(yīng)于總漏極電容的最低能量存儲(chǔ)點(diǎn)。安森美半導(dǎo)體的特定功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，混合MOS與雙極機(jī)制檢測(cè)負(fù)門電流，使負(fù)門電流不通過底端傳導(dǎo)，而通過正VCC電壓的路徑傳導(dǎo)。這樣，檢測(cè)到的電流會(huì)從VCC通過很簡(jiǎn)單的補(bǔ)償機(jī)制流向門極，形成了有源負(fù)電壓鉗位。因此，負(fù)門電流能轉(zhuǎn)化為便于處理的正電流。隨后，簡(jiǎn)單的比較器可檢測(cè)零電流門極交叉，進(jìn)而提供“谷點(diǎn)”信號(hào)。因此不需要變壓器輔助繞組電壓等任何外部信號(hào)就能自動(dòng)檢測(cè)功率開關(guān)管漏極的谷底電壓，使電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。[!--empirenews.page--]
3 15V／60W電源設(shè)計(jì)實(shí)例
本文利用NCPl337設(shè)計(jì)的準(zhǔn)諧振開關(guān)電源，是使用在工業(yè)平縫機(jī)控制器中的電源部分，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性電源，由于其體積小，可以節(jié)省空間，輸出電壓比較穩(wěn)定，因?yàn)楣I(yè)電網(wǎng)其電壓波動(dòng)很大，在使用變壓器時(shí)輸出電壓波動(dòng)大，控制可靠性下降，而開關(guān)電源則對(duì)輸入波形要求不高，輸入電壓變化使得輸出電壓影響不大。其技術(shù)要求為：交流輸入電壓90～265V，直流輸出電壓15V。電路原理圖如圖4所示，這里將電源輸入電路部分簡(jiǎn)化，只用Uin代表交流電整流后輸入的直流電，而次級(jí)繞組輸出為15V直流電，其最大功率可達(dá)60W。由圖可以看到，此開關(guān)電源部分外圍元件很少，并且沒有外接諧振電容，使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、方便。下面對(duì)其中的電路做簡(jiǎn)要的說明：
1)尖峰電壓吸收電路
VD2、C4和R17組成尖峰電壓吸收電路，起主要作用是用來吸收MOSFET功率開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的上升沿尖峰電壓能量，減少尖峰電壓幅值，防止功率開關(guān)管過壓擊穿。
2)輸入欠壓電壓保護(hù)和過載補(bǔ)償電路
芯片所特有的輸入電壓監(jiān)測(cè)功能，通過R1、R2、R3、C2檢測(cè)輸入電壓來實(shí)現(xiàn)輸入過欠壓保護(hù)，電阻R4用來設(shè)定過載補(bǔ)償?shù)纳疃取?br /> 3)輔助電源電路
NCPl337雖然有內(nèi)部自供電系統(tǒng)，但是為了驅(qū)動(dòng)大電流MOSFET，仍需要增加輔助電源。VD3、R9、C6、VD5、VT2和VD1構(gòu)成了輔助供電電路。
4)次級(jí)整流濾波電路
由于沒有嚴(yán)格的EMI要求，這里只簡(jiǎn)單的使用了VD4和C7作為整流控制電路，并使用C8，C9和L1組成15伏整流濾波電路。
5)隔離電壓反饋取樣電路
U2、U3、R12、_R13、R14、C5、R15、和R16等組成次級(jí)電壓反饋電路，電阻R15、R16來設(shè)定電壓大小，具體值為2．5×(1+R15/R16)。
6)其它器件
R7、R8、R10和R11組成MOSFET驅(qū)動(dòng)和電流采樣電路，VT1為2．5安900伏高壓MOSFET功率開關(guān)管，U1為NCPl337準(zhǔn)諧振PWM控制器。T1為PQ32／20鐵氧體磁芯高頻功率開關(guān)變壓器。C9為安規(guī)Y1電容。
7)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上面的原理圖，制作實(shí)際的開關(guān)電源，并對(duì)不同負(fù)載情況進(jìn)行分析研究，波形圖由圖5、圖6和圖7顯示。圖5是空載運(yùn)行圖，可以看出芯片工作在軟跳周期模式，而且啟動(dòng)都內(nèi)部軟化，即軟啟動(dòng)運(yùn)行。圖6是20W負(fù)載波形圖，其開關(guān)頻率為124kHz，圖7是30W負(fù)載波形圖，其開關(guān)頻率為127kHz。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，其開關(guān)頻率也相應(yīng)變化，諧振次數(shù)減小了，但是開關(guān)都能在谷底值開通，使得電源工作在準(zhǔn)諧振模式。這樣開關(guān)電源的導(dǎo)通損耗將會(huì)減小，減小EMI干擾。
4 結(jié)束語
通過對(duì)NCPl337的研究使用，表明采用準(zhǔn)諧振技術(shù)的開關(guān)損耗、待機(jī)功率等方面都很突出，可以實(shí)現(xiàn)高效，低功耗，低成本等中小功率電源設(shè)計(jì)要求。
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