基于NCP 芯片雙開關(guān)正激式羊毛剪電源設(shè)計(jì)

李 帥， 杜吉龍， 劉振國

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

隨著我國畜牧業(yè)的不斷迅猛發(fā)展， 羊毛剪的需求不斷增加， 羊毛剪及配套設(shè)備市場(chǎng)前景巨大。 但是目前市面上的羊毛剪供電設(shè)備在遇到環(huán)境惡劣的操作現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，往往無法穩(wěn)定可靠的工作， 導(dǎo)致電動(dòng)羊毛剪無法正常工作甚至燒毀羊毛剪內(nèi)部電機(jī)。 因此市面上亟需一款可以克服以上問題的供電電源。

為此筆者設(shè)計(jì)了此款開關(guān)電源，除了具有可靠性、安全性之外，它的優(yōu)勢(shì)還有：耗能小、效率高、體積小、成本低。 利用以上優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了高效率、高可靠性、高精度、以及輕量便攜的羊毛剪供電開關(guān)電源的需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源以開關(guān)變換器和核心元件， 將閉環(huán)自動(dòng)控制用于穩(wěn)定電壓輸出。 交流電壓220V 經(jīng)EMI 濾波電路及整流電路后，轉(zhuǎn)換成高壓直流；隨后經(jīng)由芯片NCP1252和大功率開關(guān)管組成的逆變電路，轉(zhuǎn)換成高頻率的脈沖電壓；最后再將此高頻方波經(jīng)同步整流和濾波轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的具有較小紋波的目標(biāo)電壓36V。在輸出端采集輸出電壓反饋，其值返回主控電路，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制電壓輸出，保護(hù)電路等功能；在同步整流后端采集瞬時(shí)電流反饋，其值返回主控電路，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能[1-5]。 總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 主要元器件參數(shù)計(jì)算

首先計(jì)算變壓器在連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）下的匝數(shù)比N。 根據(jù)等式（1）可以推導(dǎo)出等式（2）：

3 電路設(shè)計(jì)與分析

3.1 主電路設(shè)計(jì)

EMI 濾波器：選取10mH 的共模電感，構(gòu)成共模扼流圈LEMI。 其作用是當(dāng)共模電流流過線圈時(shí)，形成的同干擾電流同向的磁場(chǎng)，其強(qiáng)阻尼反過來削弱該共模電流。

整流濾波電路：經(jīng)過整流橋D1，以及濾波電容C3，將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，見圖2。

圖2 輸入濾波整流電路

逆變執(zhí)行電路：采用雙開關(guān)正激方式。同磁芯復(fù)位技術(shù)相比，雙開關(guān)正激更易于實(shí)現(xiàn)。 而且開關(guān)Q2 上的峰值電壓等于輸入電壓，降低了開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力。同時(shí)需要再增加一個(gè)MOSFET（Q1）和高端驅(qū)動(dòng)器，以及高壓低功率二極管（D3 和D4），參見圖3。 雙開關(guān)正激電源的工作原理，每個(gè)開關(guān)工作周期可以劃分成3 步：首先開關(guān)功率管Q1，Q2 及肖特基二極管D1 導(dǎo)通。 二極管D2，D3及D4 關(guān)閉； 然后開關(guān)管Q1，Q2 及肖特基二極管D1 關(guān)閉。 而二極管D2、D3 及D4 導(dǎo)通； 最后開關(guān)管Q1，Q2 及肖特基二極管D1 仍然關(guān)閉，二極管D2 仍然導(dǎo)通。 而二極管D3 及D4 則關(guān)閉。 經(jīng)過整流后的直流調(diào)制為高頻方波，這是高頻開關(guān)電源主電路的核心部分。

圖3 逆變執(zhí)行電路

3.2 基于NCP1252 芯片的控制電路設(shè)計(jì)

在電源啟動(dòng)瞬間，整流橋后生成的高直流電壓BULK經(jīng)過高阻值電阻直接給芯片NCP1252 的2 引腳供電，芯片啟動(dòng)，見圖4。引腳3（CS）用來檢測(cè)主電流大小，控制芯片調(diào)節(jié)引腳6（DRV）輸出，且提供過流保護(hù)等功能。 引腳1（FB）直接連接到信號(hào)隔離光耦，而光耦的另一端是輸出端36V 的分壓比較電路。 引腳接收到來自輸出端的電壓反饋，用以控制芯片的引腳6（DRV）輸出。 在電源正常啟動(dòng)后，輔助電源開始工作，之后為該芯片引腳7（VCC）做電源供電。 引腳6（DRV）是重要的輸出引腳，用來驅(qū)動(dòng)MOSFET 功率管。他經(jīng)過三極管Q3，Q4 以及變壓器T2 電路，生成兩個(gè)同相同頻同幅的信號(hào)HI 和LO。 這兩個(gè)引腳的信號(hào)就是用來驅(qū)動(dòng)Q1，Q2 兩個(gè)功率管的。進(jìn)而NCP1252芯片一方面通過控制功率管開關(guān)，改變其脈寬或脈頻，使系統(tǒng)輸出36V 達(dá)到穩(wěn)定平衡；另一方面，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施[6]。

圖4 NCP1252 控制電路

3.3 反饋電路設(shè)計(jì)

反饋電路是采用精密穩(wěn)壓源TL431 和線性光耦構(gòu)成的電壓誤差反饋電路，見圖5，由R23，R24，R25，R26 決定輸出電壓的大小。當(dāng)輸出電壓達(dá)不到36V 時(shí)，TL431 的穩(wěn)壓值下降，導(dǎo)致光耦的發(fā)光二極管一端電流增加，內(nèi)部光增強(qiáng)，光耦另一端的電流也隨之增強(qiáng)，反饋電壓升高送到芯片NCP1252 的引腳1（FB），經(jīng)過片內(nèi)PWM 輸出脈沖寬度增加，驅(qū)動(dòng)占空比加大，于是輸出電壓升高，從而達(dá)到控制36V 電壓穩(wěn)定輸出的目的，反之同理。

圖5 輸出反饋回路

4 本電源工作特性

4.1 故障保護(hù)設(shè)計(jì)

因?yàn)楣╇娫O(shè)備和負(fù)載工作在苛刻環(huán)境中， 易出現(xiàn)過載宕機(jī)等故障。 故在此開關(guān)電源中附加了各種保護(hù)電路（過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)）。當(dāng)供電設(shè)備的相關(guān)保護(hù)電路檢測(cè)到負(fù)載設(shè)備故障時(shí)， 其值反饋回主芯片。 進(jìn)而終止核心控制芯片工作，輸出會(huì)立即停止。 因此基于以上保護(hù)機(jī)制， 本開關(guān)電源產(chǎn)品不僅安全且穩(wěn)定可靠。

4.2 寬電壓輸入設(shè)計(jì)

此開關(guān)電源有較寬的交流輸入范圍， 凡輸入交流電壓在85～265V 之間時(shí)，均可正常穩(wěn)定地輸出負(fù)載所需的直流電壓。解決了山區(qū)牧區(qū)邊區(qū)的電網(wǎng)電壓波動(dòng)不穩(wěn)定，工作時(shí)易受干擾的問題。且同時(shí)滿足了國際市場(chǎng)的需求，能在不同國家和地區(qū)不同的交流輸入電壓下， 依然能保障其正常工作。

4.3 高效低耗節(jié)能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)輸出功率高，且效率高損耗小。當(dāng)功率開關(guān)管工作在正常的開關(guān)狀態(tài)下，不需要增加主動(dòng)散熱風(fēng)扇，或大面積散熱片。 擁有較高的功率因數(shù)，減少熱能損耗，也使得內(nèi)部的電子元器件能長時(shí)間保持在最佳的性能狀態(tài)。 能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)操作使用。

5 樣品圖片及性能概覽

樣品的俯視圖見圖6。 樣品調(diào)試結(jié)果如表1 所示，在室溫及額定輸入電壓（220VAC）條件下，穩(wěn)定輸出36V，峰峰值紋波小于500mV。負(fù)載高于40%最大負(fù)載時(shí)，即負(fù)載功率達(dá)到50W 時(shí)，工作能效高于90%。

圖6 樣品俯視圖

表1 開關(guān)電源樣品調(diào)試結(jié)果

6 結(jié)束語

上述利用NCP1252 設(shè)計(jì)的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單、體積較小， 利用負(fù)反饋調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比使得輸出電壓穩(wěn)定且幅值可調(diào)，具有過流，過壓，短路保護(hù)的功能，使得電源安全性大大提升， 電源還具有良好的紋波抑制效果。 除了在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的過流保護(hù)，過壓保護(hù)，還可以增加過熱保護(hù)單元。在散熱片表面固定溫度開關(guān)，當(dāng)達(dá)到85℃時(shí)便會(huì)斷開輔助電源， 整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)也會(huì)停止工作。

同時(shí)也要在設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中要注意把控元器件的耐壓值和精度，保證功率管同散熱片的絕緣處理。做到這些開關(guān)電源才會(huì)在復(fù)雜多變的操作環(huán)境中更高效更可靠的工作。