基于NCP1200A的多路反激变换器的研究

基于NCP1200A的多路反激变换器的研究

介绍了低功率通用离线式电源的脉宽调制电流型控制器NCP1200A的原理，并且通过所研制出的多路隔离反激变换器试验样机，及其试验结果来进一步说明此控制器所具有的优点。

关键词：电流模式控制；反激；前沿消隐；动态自供电

0    引言

    反激变换器具有电路结构简单、输入输出电气隔离、电压调节范围宽、易于多路输出等特点，因而适合作为电力电子设备内的辅助开关电源。

    电流控制型脉宽调制是一种新颖的控制技术，它克服了传统的电压控制型脉宽调制技术的缺点，使开关电源系统具有快速的瞬态响应、高度的稳定性、过载及短路保护简单等特点。NCP1200A是一种低功率通用离线电源的电流模式脉宽调制控制器，它代表了向超小型开关电源方向的重大飞跃，它内部包括定时元件、反馈器件、低通滤波器和自供电等。本文通过对此芯片功能的研究，并且成功地设计制作了多路隔离输出反激变换器的样机。

1    电流控制型脉宽调制器NCP1200A简介

    NCP1200A采用标准电流模型体系，驱动关断时间由峰值电流设置点确定。此控制芯片具有以下特点：

    ——无需辅助电源绕组；

    ——内部有输出短路保护电路；

    ——空载待机功耗极低；

    ——电流模式带跳周期功能；

    ——内部有250ns前沿消隐电路；

    ——250mA峰值拉/灌电流能力；

    ——内部固定频率为40/60/100kHz；

    ——通过光耦合器直接连接。

    其内部结构如图1所示，各引脚功能如下：

    ——脚1用来调整发生跳周期的电平；

    ——脚2将光耦器接至该脚，根据输出功率需求来调节一次侧峰值电流设定点；

    ——脚3检测一次侧电流，并通过前沿消隐电路将检测值送入内部比较器；

    ——脚4接地；

    ——脚5输出驱动外部MOSFET开关管；

    ——脚6接至典型值为10μF的外部大容量电容；

    ——脚7用来保证适当的漏电流距离；

    ——脚8接至高压直流干线，该脚将恒定电流注入V_cc大容量电容。

图1    NCP1200A内部结构

2    设计特点及注意事项

2.1    动态自供电（DSS）

    动态自供电技术使得所设计的反激变换器无需辅助电源绕组，可由高压直流干线直接供电。DSS的原理基于V_cc大容量电容从一个低电平到一个较高电平的充放电。其工作过程如下：

    当电源接通时，若V_cc<V_ccH，则电流源接通，无脉冲输出；若V_cc下降且大于V_ccL，电流源关断，输出为脉动；若V_cc上升且小于V_ccH，电流源接通，输出为脉动；典型值V_ccH=12V，V_ccL=10V，其工作过程示意图如图2所示。

图2    V_cc电容的充放电示意图

2.2    跳周期工作模式

    由于开关电源在正常负载条件下具有良好的效率，而在输出功率减小时，其效率将开始下降。NCP1200A内嵌跳周期功能，当输出功率需求量减小到给定值以下时，便自动地跳过开关周期，这是通过监视脚FB来实现的。当负载需求量减小时，内部环路要求较小的峰值电流，当此设定值达到确定的电平时，集成电路将阻止电流继续减少，并开始使输出脉冲出现空白，实现跳周期模式。当FB跳过门限值（默认值1.2V）时，峰值电流不会超过1V/R_sense。当集成电路进入跳周期模式时，峰值电流不会小于V_pin1/3.3，此时用户可以通过改变脚1的电压值来调节跳周期的峰值电流。这样在空载情况下，NCP1200A的总待机效率可以很容易达到设计要求。

2.3    短路保护功能

    通过持续监视反馈回路，NCP1200A能检测到出现短路的情况，并立即将输出功率减小，以对整个电路进行保护。一旦短路消失，控制器即可恢复到正常工作状态。因此，对于给定的恒定输出功率的电源，可以很方便地断开这个保护功能。

2.4    软启动的实现

    V_cc电压从12V降到10V所需要的时间决定了系统能否正常启动，由输出电容充电引起的相应瞬态故障持续时间必须小于V_cc电压从12V降到10V的时间，否则反馈监视回路就会当短路情况处理，使得电源将不能正常启动。V_cc上的电压和脚6的外接电容值C有关系。假设系统达到额定负载所需的时间为6ms，因而V_cc的下降时间必须大于6ms，此处设定为10ms。在包括MOSFET驱动的集成电路消耗电流为1.5mA，由式C=i·Δt/ΔV，可得所需电容值的大小。按照此处所设定的条件可知C=7.5μF，在实际电路中用C=10μF，以便实现软启动功能。

2.5    芯片管脚防负电压尖峰功能

    此芯片可以通过附加外围电路来防止敏感管脚被负电压尖峰损坏。负的信号对只有正偏置的控制芯片有很大的损坏，使其不能稳定工作。如果由于设计不当，使得变压器原边电感和脚6外接电容发生谐振，将会在脚6上产生负的脉冲，造成芯片损坏。为了有效地防止此情况的发生，可以采用图3所示的两种电路来保护芯片。

图3    防止负压脉冲电路

2.6    内嵌前沿消隐（LEB）功能

    一般控制芯片，在一次侧的电流检测输入前，必须对检测到的电流波形进行低通滤波处理，以防止由于开关管的开关尖峰所引起的瞬态过流现象。NCP1200A内部具有250ns的前沿消隐电路，从而无须外加低通滤波网络对检测的电流进行处理，使得电路设计更加简单。

3    试验结果

    本文通过试验样机进一步来介绍NCP1200A的工作原理以及在实际设计中的简便性。此试验装置为48V直流输入，三路隔离输出的反激变换器。各个参数设置为：V_in=48V，V_cc=V_cc1=V_cc2=15V，V_EE=－15V，开关频率f=40kHz，变压器原边电感值L=330μH，额定输出功率P=14W，占空比D=0.4（为了防止D>0.5，而使电路不能稳定工作，且无须加斜坡补偿）。电路的结构原理如图4所示，采用RCD无源吸收网络来防止MOSFET被烧毁。

图4    电路的结构原理

    所研制的试验样机如图5所示，具体尺寸为105mm×30mm×23mm，采用立放直插式结构，便于和主体设备连接。

图5    试验样机实物图

    由所研制的试验样机测得的实际试验波形如图6～图8所示。图6为V_cc电容上的充放电波形，很好地实现了芯片的动态自供电，同时保证了装置的软启动。

图6    V_cc电容充放电波形

(a)一次侧检测电流波形

(b)开关管漏源极间电压波形

图7    i_cs与v_ds波形

图8    不同功率下的输出脉冲(P₁>P₂)

    图7(a)和(b)分别为电路工作在电流连续状态（CCM）和电流断续状态（DCM）的一次侧采样电阻上的电流波形和MOSFET上的漏源极之间的电压波形，试验波形中所存在的电流和电压毛刺，是由于一次侧变压器的漏感、MOSFET的体内寄生电容以及二次侧的二极管反向恢复所造成的。由于NCP1200A具有250ns的LEB功能，所以检测电流中的高频脉冲不会影响到电路的稳定性。

    图8为样机工作在额定输出功率和轻载情况下的驱动波形对比，由此可以看出芯片的跳周期工作状态，从而有效地减少功耗，达到高效率的要求。

4    结语

    NCP1200A是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器，适合于超小型的开关电源设计。它具有动态自供电、软启动、跳周期低损耗工作、短路保护等功能。几乎不需要外围分立器件，就能实现多路隔离输出高效率的小型反激变换器，因而，该芯片广泛地应用于交流－直流适配器、离线电池充电器、辅助电源等。