基于NCP1014的5W電源適配器設(shè)計(jì)

1 引言

電源適配器是小型便攜式電子設(shè)備及電子電器的供電電源變換設(shè)備, 隨著蜂窩電話、筆記本電腦等便攜式設(shè)備用戶的迅速增加，低壓小功率電源適配器應(yīng)用越來(lái)越廣泛。研究人員和商家不斷推出成本更低、體積更小、重量更輕、效率更高的電源設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品[1]。為進(jìn)一步提高電源性能，采用安森美完全電流模式控制器NCP1014，并根據(jù)反激變壓器連續(xù)、不連續(xù)兩種工作模式的特點(diǎn)，采用臨界電流法設(shè)計(jì)了反激變壓器，最大限度兼顧了兩種模式下變壓器的性能。設(shè)計(jì)的5W恒流恒壓（CCCV）電源系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)自供電、故障自檢測(cè)、間歇模式無(wú)音頻噪聲、寬電壓模式高效運(yùn)行、低成本等優(yōu)點(diǎn)，并利用OrCAD/PSpice 10.5做了電源系統(tǒng)的仿真，針對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)分析不收斂情況[2]，進(jìn)行了相關(guān)設(shè)置，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)和理論分析的結(jié)果相符。

2  基于NCP1014的5W CCCV電源適配器電路分析

2.1 5W CCCV電源系統(tǒng)電路圖

NCP101X系列是安森美生產(chǎn)的固定頻率（65khz -100khz -130khz）電流模式控制器，并內(nèi)置一個(gè)700V的MOSFET，采用PDIP-7或SOT-223封裝，具有軟啟動(dòng)、跳周期、動(dòng)態(tài)自供給等優(yōu)點(diǎn)，可提供低成本電源所需要的一切。本文采用NCP1014ST100T3（四引腳，固定輸出頻率100khz）[3]，可以由安森美網(wǎng)站得到仿真模型。整流模塊采用D2SB60，反激變壓器采用系統(tǒng)自帶的XFRM_LINER代替反激變壓器，光電耦合器采用PS2501，穩(wěn)壓二極管采用D1N5229，在PSPICE 10.5中建立5W CCCV電源系統(tǒng)，電路圖如圖1所示。

圖1  5W CCCV電源系統(tǒng)電路圖

2.2工作原理

輸入交流電壓有效值范圍為（100~250）VAC，經(jīng)D1整流、C1-A、C1-B、L1組成的濾波器濾波后變成直流電壓，R1為限制浪涌電流電阻，直流電壓經(jīng)過(guò)NCP1014內(nèi)置MOSFET斬波、反激變壓器變壓后，在次級(jí)得到高頻矩形波電壓，最后通過(guò)次級(jí)側(cè)D3、C4、D4整流、濾波、穩(wěn)壓，在輸出端得到所需的直流電壓[4]。直流輸出電壓經(jīng)采樣電路、光電耦合器PS2501反饋到NCP1014的FB引腳，控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出脈沖，使得電源系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)下都處于高效、穩(wěn)定模式[5]。              

當(dāng)電源啟動(dòng)后，NCP1014通過(guò)內(nèi)置偏置電流源給C4電容充電，一旦VC4達(dá)到VCCoff (典型值8.5V)時(shí)，電流源關(guān)斷，通過(guò)輸出級(jí)傳輸脈沖，激活內(nèi)置MOSFET。當(dāng)C4的電壓下降到VCCon（典型值7.5V）時(shí)，內(nèi)部電流源被激活，電壓上拉到8.5V。正常狀態(tài)下電壓VCC在7.5V和8.5V之間波動(dòng)，C4的典型值為10μF。 

當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到輕載時(shí)，NCP1014會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出脈沖，跳過(guò)不需要的轉(zhuǎn)換周期，這極大的降低了輕載時(shí)的功耗。

當(dāng)電路出現(xiàn)故障（如光耦短路或損壞）時(shí)，電路會(huì)進(jìn)入故障模式，NCP1014將停止輸出脈沖，電壓VCC保持在4.7V到8.5V之間波動(dòng)，直到電路恢復(fù)正常后，電路嘗試新的啟動(dòng)。

2.3 反激變壓器設(shè)計(jì)

反激式開關(guān)電源變壓器有不完全能量傳輸、完全能量傳輸兩種工作模式。輸入電網(wǎng)電壓或輸出電流的大范圍變化，必然導(dǎo)致變壓器跨越連續(xù)與不連續(xù)兩種工作狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，關(guān)鍵是使其在兩種狀態(tài)下都能高效、穩(wěn)定工作[6,7,8]。本文中采用臨界電流狀態(tài)法設(shè)計(jì)反激變壓器，使其在兩種狀態(tài)下都有良好的性能。

圖2 電流連續(xù)模式變壓器初級(jí)、次級(jí)電流波形：(a)初級(jí)電流波形；(b)次級(jí)電流波形

圖中Irp、Irs為初級(jí)、次級(jí)脈動(dòng)電流，Ipp、Ips為初級(jí)、次級(jí)峰值電流，Ton、Toff*是開關(guān)管的導(dǎo)通、截止時(shí)間。連續(xù)和臨界狀態(tài)下滿足式（1）。

Ton + Toff*=1          式（1）

在不考慮損耗時(shí)，變壓器始終滿足式（2）。            

Us∙Is =Iavg∙Udc         式（2）

假設(shè)輸出功率不變時(shí)，初級(jí)電壓Udc增加，初級(jí)平均電流Iavg就會(huì)減小，Irp與Ipp也會(huì)相應(yīng)的減小。當(dāng)Irp剛好到零時(shí)，變壓器進(jìn)入臨界模式。Udc繼續(xù)增加時(shí)，電路進(jìn)入不連續(xù)狀態(tài)，Ton、Toff*滿足式（3）。

Ton + Toff*＜1       式（3）

由上面的討論可以這樣設(shè)計(jì)變壓器，使變壓器在特定電壓下達(dá)到臨界狀態(tài)，低于此電壓時(shí)變壓器進(jìn)入連續(xù)模式，高于此電壓，變壓器進(jìn)入不連續(xù)狀態(tài)。這樣就可以最大限度的兼顧兩種模式下變壓器的性能[9]。

本文中變壓器應(yīng)滿足以下參數(shù)：交流輸入電壓Uin=（100~250）VAC或Udc=（140~350）VDC，效率η=0.80 ，輸出電壓Uo=5.1V，輸出電流Io=1A，操作頻率Fsw=100kHz，最大占空比Dmax=0.4，變壓器次級(jí)電壓Us=Uo+Uf=9V，Uf為次級(jí)壓降，設(shè)定二次側(cè)電壓在200V時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)，即次級(jí)側(cè)計(jì)算電流Is=0.7A。

變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如下。 

（1）變壓器磁芯利用以下關(guān)系式設(shè)計(jì)：Wa∙Ae=Po∙104/K∙J∙B∙F≈0.045cm4。式中：K為窗口利用系數(shù)，反激變壓器取0.3；

J為電流密度，取300A/㎝2；

B為操作磁感應(yīng)強(qiáng)度，取0.22T ； 

F為操作頻率，取100kHz。

選用E_16_8_5鐵心：Wa∙Ae=726mm4，Ae=19.3mm2，有效磁路長(zhǎng)度MPL=37.6mm，磁導(dǎo)率μ=2300。

（2）變壓器匝比：N=( Udc∙Dmax)/[ Us∙(1－Dmax)] ≈10。

（3）變壓器初級(jí)、次級(jí)電感[9]：Ips=2∙ Is /(1－Dmax) ≈2.3A，Ls=Us∙(1－Dmax)∙T/Ips≈23.48μH，Lp≈2.348mH 

（4）變壓器初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)：Np= 134，Ns≈13。

（5）氣隙長(zhǎng)度：Lg=(0.4∙π∙N p2 ∙Ae∙10－8/Lp)－MPL/μ≈0.015cm， 式中Ae單位：㎝2；MPL單位：㎝ 。                

3 電源系統(tǒng)仿真   

仿真之前，為使系統(tǒng)更好的收斂作如下設(shè)置[10]：

圖3 仿真收斂設(shè)置

仿真時(shí)間設(shè)為60ms，變壓器初級(jí)電感Lp=2.34mH，次級(jí)電感Ls=0.0234mH，耦合系數(shù)COUPLING=0.99。圖4為120VAC、75%負(fù)載情況下，實(shí)測(cè)MOSFET漏極波形和仿真波形的比較，圖5為220VAC、80％負(fù)載下VCC電壓和負(fù)載電壓、電流波形，圖6為變壓器在不連續(xù)、臨界、連續(xù)三種狀態(tài)下初級(jí)電流的掃描波形，仿真波形與理論分析、實(shí)測(cè)波形相符。相信隨著模型精度越來(lái)越高，仿真結(jié)果也會(huì)越來(lái)越精確。

圖4  120VAC 75%負(fù)載下MOSFET漏極波形 ：（a）實(shí)測(cè)波形；（b）仿真波形

圖5  80%負(fù)載下VCC電壓和負(fù)載電壓、電流波形           圖6 變壓器三種狀態(tài)次級(jí)電流圖形

4 結(jié)束語(yǔ)

自給式單片轉(zhuǎn)換器NCP1014可以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，采用臨界電流法設(shè)計(jì)的5W CCCV電源適配器滿足設(shè)計(jì)要求，反激變壓器在兩種模式下性能穩(wěn)定，正常工作下負(fù)載電壓紋波小于0.05V，電流紋波小于0.015A，效率達(dá)80％以上，可以為低成本電源適配器的設(shè)計(jì)提供參考。利用OrCAD/PSpice 10.5對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并針對(duì)瞬態(tài)分析不收斂情況進(jìn)行了設(shè)置，仿真結(jié)果與理論值、實(shí)測(cè)值相符，為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供很好的依據(jù)，OrCAD/PSpice可以應(yīng)用到電源的設(shè)計(jì)中。

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    [10] 王輔春.電子電路CAD與OrCAD教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.7.

    作者簡(jiǎn)介

    高發(fā)亮（1984-），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：高效率功率變換■