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，并且通過所研制出的多路隔離反激變換器試驗樣機，及其試驗結(jié)果來進一步說明此控制器所具有的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：電流模式控制；反激；前沿消隱；動態(tài)自供電

0    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，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，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、過載及短路保護簡單等特點。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)計制作了多路隔離輸出反激變換器的樣機。

1    電流控制型脈寬調(diào)制器NCP1200A簡介

    NCP1200A采用標準電流模型體系，驅(qū)動關(guān)斷時間由峰值電流設(shè)置點確定。此控制芯片具有以下特點：

    ——無需輔助電源繞組；

    ——內(nèi)部有輸出短路保護電路；

    ——空載待機功耗極低；

    ——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；

    ——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?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) [!--empirenews.page--]

2    設(shè)計特點及注意事項

2.1    動態(tài)自供電（DSS）

    動態(tài)自供電技術(shù)使得所設(shè)計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V_cc大容量電容從一個低電平到一個較高電平的充放電。其工作過程如下：

    當電源接通時，若V_cc<V_ccH，則電流源接通，無脈沖輸出；若V_cc下降且大于V_ccL，電流源關(guān)斷，輸出為脈動；若V_cc上升且小于V_ccH，電流源接通，輸出為脈動；典型值V_ccH=12V，V_ccL=10V，其工作過程示意圖如圖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

    由于開關(guān)電源在正常負載條件下具有良好的效率，而在輸出功率減小時，其效率將開始下降。NCP1200A內(nèi)嵌跳周期功能，當輸出功率需求量減小到給定值以下時，便自動地跳過開關(guān)周期，這是通過監(jiān)視腳FB來實現(xiàn)的。當負載需求量減小時，內(nèi)部環(huán)路要求較小的峰值電流，當此設(shè)定值達到確定的電平時，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，實現(xiàn)跳周期模式。當FB跳過門限值（默認值1.2V）時，峰值電流不會超過1V/R_sense。當集成電路進入跳周期模式時，峰值電流不會小于V_pin1/3.3，此時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的總待機效率可以很容易達到設(shè)計要求。

2.3    短路保護功能

    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，以對整個電路進行保護。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，可以很方便地斷開這個保護功能。

2.4    軟啟動的實現(xiàn)

    V_cc電壓從12V降到10V所需要的時間決定了系統(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)時間必須小于V_cc電壓從12V降到10V的時間，否則反饋監(jiān)視回路就會當短路情況處理，使得電源將不能正常啟動。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)達到額定負載所需的時間為6ms，因而V_cc的下降時間必須大于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，在實際電路中用C=10μF，以便實現(xiàn)軟啟動功能。

2.5    芯片管腳防負電壓尖峰功能

    此芯片可以通過附加外圍電路來防止敏感管腳被負電壓尖峰損壞。負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)計不當，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芯片。

圖3    防止負壓脈沖電路

2.6    內(nèi)嵌前沿消隱（LEB）功能

    一般控制芯片，在一次側(cè)的電流檢測輸入前，必須對檢測到的電流波形進行低通濾波處理，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)對檢測的電流進行處理，使得電路設(shè)計更加簡單。 [!--empirenews.page--]

3    試驗結(jié)果

    本文通過試驗樣機進一步來介紹NCP1200A的工作原理以及在實際設(shè)計中的簡便性。此試驗裝置為48V直流輸入，三路隔離輸出的反激變換器。各個參數(shù)設(shè)置為：V_in=48V，V_cc=V_cc1=V_cc2=15V，V_EE=－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。

圖4    電路的結(jié)構(gòu)原理

    所研制的試驗樣機如圖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    試驗樣機實物圖

    由所研制的試驗樣機測得的實際試驗波形如圖6～圖8所示。圖6為V_cc電容上的充放電波形，很好地實現(xiàn)了芯片的動態(tài)自供電，同時保證了裝置的軟啟動。

圖6    V_cc電容充放電波形

(a)一次側(cè)檢測電流波形 [!--empirenews.page--]

(b)開關(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。它具有動態(tài)自供電、軟啟動、跳周期低損耗工作、短路保護等功能。幾乎不需要外圍分立器件，就能實現(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。