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          基于NCP1014的5W電源適配器設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2012-03-29 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          1 引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/177651.htm

          是小型便攜式電子設(shè)備及電子電器的供電變換設(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,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),采用臨界電流法了反激變壓器,最大限度兼顧了兩種模式下變壓器的性能。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 CCCV電源電路分析

          2.1 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ST100T3(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。

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          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。

          20101203113850478.jpg

          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)。

          UsIs =IavgUdc 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):WaAe=Po104/KJBF≈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/M2;

          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:WaAe=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=( UdcDmax)/[ 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=(0.4πN p2 Ae10-8/Lp)-MPL/μ≈0.015cm, 式中Ae單位:M2;MPL單位:M 。

          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]:

          20101203113930224.jpg

          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。

          20101203113945592.jpg

          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

          201012031146485931.jpg

          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。

          參考文獻(xiàn)

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          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■

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