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隨著全球業(yè)界對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功率較大，同時還會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。 1 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漏源電壓的第一個最小值(或稱谷值)，如果我們在這個時候讓MOSFET管開通，那么導(dǎo)通的電流尖峰將會最小。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)時負(fù)載或線路電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時候?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； 6)500mA峰值電流驅(qū)動能力； 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問的動態(tài)自供電技術(shù)(DSS)。 在NCPl337中有兩個重要特征，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)入跳周期工作時有效去除噪聲。其二、為了保證任何時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，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(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，開關(guān)轉(zhuǎn)換又重新開始，而且每次啟動都內(nèi)部軟化，即軟啟動，使得頻率不會低于25kHz，當(dāng)這種情況出現(xiàn)在低峰值電流、軟啟動、TOFF被鉗位時，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 無線圈去磁檢測技術(shù) 為了得到準(zhǔn)諧振工作模式，最佳點(diǎn)應(yīng)對應(yīng)于漏極電壓的“谷點(diǎn)”，同時這也對應(yīng)于總漏極電容的最低能量存儲點(diǎn)。安森美半導(dǎo)體的特定功率MOSFET驅(qū)動器，混合MOS與雙極機(jī)制檢測負(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，檢測到的電流會從VCC通過很簡單的補(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，簡單的比較器可檢測零電流門極交叉，進(jìn)而提供“谷點(diǎn)”信號。因此不需要變壓器輔助繞組電壓等任何外部信號就能自動檢測功率開關(guān)管漏極的谷底電壓，使電路設(shè)計更為簡單。 3 15V／60W電源設(shè)計實(shí)例 本文利用NCPl337設(shè)計的準(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)其電壓波動很大，在使用變壓器時輸出電壓波動大，控制可靠性下降，而開關(guān)電源則對輸入波形要求不高，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化，只用Uin代表交流電整流后輸入的直流電，而次級繞組輸出為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)計更加簡單、方便。下面對其中的電路做簡要的說明： 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)測功能，通過R1、R2、R3、C2檢測輸入電壓來實(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)次級整流濾波電路 由于沒有嚴(yán)格的EMI要求，這里只簡單的使用了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，而且啟動都內(nèi)部軟化，即軟啟動運(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。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載變化時，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)通損耗將會減小，減小EMI干擾。 4 結(jié)束語 通過對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)計要求。 |
