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隨著全球業界對電源效率的要求越來越高，包括ATX電源、消費類電子產品等在內的電源需要更高的節能要求。傳統的電源設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。而準諧振技術和軟跳周期技術正好能解決這個問題，安森美公司的NCPl337控制器就是用于準諧振式開關電源的優秀代表。 1 準諧振原理 準諧振變換的原理是降低拓撲中電源開關的導通損耗，一般的反激式開關電源其MOSFET開通／關斷時間固定，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，使得開關管上的壓降存在振蕩。但是可以發現電壓振蕩曲線中的A點，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(ZVS)。通過調節改變電源的工作頻率來進行，不管當時負載或線路電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時候導通。與反激式轉換器的不連續工作模式及連續工作模式相比，準諧振開關提供的導通損耗更低，因此能夠提高效率和降低器件溫度。 2 NCPl337簡介 NCPl337是一款增強型的準諧振脈沖寬度調制電流模式控制器，它結合了真正的電流模式調制器與去磁檢測器，確保電源在任何負載條件下均能工作在不連續的導電模式。它集成了組建嚴格可靠的開關電源(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)自由運行的邊界／臨界模式，準諧振控制； 2)最小開關頻率(25 kHz)跳周期模式； 3)獨立于輔助電壓的自恢復短路保護； 4)內置兩種外部失效模式觸發比較器(禁止和鎖定)； 5)內置4．0ms的軟啟動； 6)500mA峰值電流驅動能力； 7)最高工作頻率130kHz； 8)內部前端消隱，內部過溫保護； 9)12～10V問的動態自供電技術(DSS)。 在NCPl337中有兩個重要特征，其一、用軟跳周期技術來控制峰值電流并去除一些開關脈沖，從而控制開關損耗，進而實現空載、輕載狀態下的卓越高效性能。并能在變壓器進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，實現準諧振工作方式，使用了無線圈去磁檢測技術。 2．1 軟跳周期技術 在輕載下或待機工作模式時，NCPl337進入軟跳周期模式：當FB設置點比最大峰值電流低20%時(Ucs在100mV)，輸出脈沖停止。當FB回路強制設置點高于25％(Ucs在130mV)時，開關轉換又重新開始，而且每次啟動都內部軟化，即軟啟動，使得頻率不會低于25kHz，當這種情況出現在低峰值電流、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 為了得到準諧振工作模式，最佳點應對應于漏極電壓的“谷點”，同時這也對應于總漏極電容的最低能量存儲點。安森美半導體的特定功率MOSFET驅動器，混合MOS與雙極機制檢測負門電流，使負門電流不通過底端傳導，而通過正VCC電壓的路徑傳導。這樣，檢測到的電流會從VCC通過很簡單的補償機制流向門極，形成了有源負電壓鉗位。因此，負門電流能轉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，進而提供“谷點”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管漏極的谷底電壓，使電路設計更為簡單。 3 15V／60W電源設計實例 本文利用NCPl337設計的準諧振開關電源，是使用在工業平縫機控制器中的電源部分，代替傳統的線性電源，由于其體積小，可以節省空間，輸出電壓比較穩定，因為工業電網其電壓波動很大，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60W。由圖可以看到，此開關電源部分外圍元件很少，并且沒有外接諧振電容，使得設計更加簡單、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功率開關管在關斷時產生的上升沿尖峰電壓能量，減少尖峰電壓幅值，防止功率開關管過壓擊穿。 2)輸入欠壓電壓保護和過載補償電路 芯片所特有的輸入電壓監測功能，通過R1、R2、R3、C2檢測輸入電壓來實現輸入過欠壓保護，電阻R4用來設定過載補償的深度。 3)輔助電源電路 NCPl337雖然有內部自供電系統，但是為了驅動大電流MOSFET，仍需要增加輔助電源。VD3、R9、C6、VD5、VT2和VD1構成了輔助供電電路。 4)次級整流濾波電路 由于沒有嚴格的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驅動和電流采樣電路，VT1為2．5安900伏高壓MOSFET功率開關管，U1為NCPl337準諧振PWM控制器。T1為PQ32／20鐵氧體磁芯高頻功率開關變壓器。C9為安規Y1電容。 7)實驗結果 根據上面的原理圖，制作實際的開關電源，并對不同負載情況進行分析研究，波形圖由圖5、圖6和圖7顯示。圖5是空載運行圖，可以看出芯片工作在軟跳周期模式，而且啟動都內部軟化，即軟啟動運行。圖6是20W負載波形圖，其開關頻率為124kHz，圖7是30W負載波形圖，其開關頻率為127kHz。對比發現，當負載變化時，其開關頻率也相應變化，諧振次數減小了，但是開關都能在谷底值開通，使得電源工作在準諧振模式。這樣開關電源的導通損耗將會減小，減小EMI干擾。 4 結束語 通過對NCPl337的研究使用，表明采用準諧振技術的開關損耗、待機功率等方面都很突出，可以實現高效，低功耗，低成本等中小功率電源設計要求。 |
