多路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

王杰

摘 要：安森美半導(dǎo)體公司的NCP1252是一款電流模式PWM控制器，它使用內(nèi)部固定的定時(shí)器，可以不依賴(lài)于輔助電壓來(lái)檢測(cè)輸出過(guò)載。文章介紹了基于NCP1252芯片的多路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，分析了開(kāi)關(guān)電源的工作原理，給出了設(shè)計(jì)步驟。該開(kāi)關(guān)電源可提供軟起動(dòng)、短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等功能，并將該電源成功用于某型雷達(dá)收發(fā)機(jī)，驗(yàn)證了分析、設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：NCP1252芯片；多路輸出；開(kāi)關(guān)電源

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0086-02

Abstract： The ON Semiconductor's NCP1252 is a current-mode PWM controller that uses internally fixed timers to detect output overload without relying on auxiliary voltages. This paper introduces the design of multi-output switching power supply based on NCP1252 chip， analyzes the working principle of switch power supply， and gives the design steps. The switching power supply can provide soft start， short circuit protection， over-current protection and so on. The power supply has been successfully used in a certain type of radar transceiver， which verifies the effectiveness of the analysis and design.

Keywords： NCP1252 chip； multiplex output； switching power supply

引言

電源如同人的心臟，為各種電子設(shè)備提供電能，性能優(yōu)劣直接影響到整個(gè)電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前常用的直流穩(wěn)壓電源根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)分為線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)，線(xiàn)性電源應(yīng)用較早，電路簡(jiǎn)單，元器件少，但隨著輸出功率的增加，工頻變壓器的體積不斷增大，而且，其效率低、散熱難；開(kāi)關(guān)電源的功率器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，自身功耗小，轉(zhuǎn)化效率高，此外開(kāi)關(guān)電源還具有體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，其不足之處就是電路復(fù)雜，對(duì)變壓器要求很高。由于開(kāi)關(guān)電源優(yōu)越的性能，勢(shì)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文圍繞NCP1252芯片設(shè)計(jì)了一種多路輸出開(kāi)關(guān)電源，并應(yīng)用在某型號(hào)導(dǎo)航雷達(dá)的收發(fā)機(jī)內(nèi)，效率高，穩(wěn)定性好。

1 NCP1252內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)

NCP1252是一款應(yīng)用于正激和反激式的電流模式PWM控制器，適合于計(jì)算機(jī)ATX電源、交流適配器及其它任何要求低待機(jī)能耗的應(yīng)用。它集成固定的定時(shí)器，可在不依賴(lài)輔助電源時(shí)檢測(cè)輸出過(guò)載；具有跳周期模式，能夠空載工作。此外還可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性；帶有閂鎖過(guò)流保護(hù)功能，能夠承受暫時(shí)的過(guò)載。其它特性包括可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)部斜坡補(bǔ)償、自恢復(fù)輸入欠壓檢測(cè)等。

2 實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

NCP1252構(gòu)成直流隔離式多路輸出開(kāi)關(guān)電源框圖如圖1所示，輸入直流20～36V，三路輸出，分別是直流24V、±12V，且每路輸出精度小于5%。

直流電輸入經(jīng)過(guò)濾波后直接連接高頻變壓器。開(kāi)關(guān)電源芯片是整個(gè)電源的核心，接收反饋信號(hào)，及時(shí)調(diào)整開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使輸出電壓穩(wěn)定。圖2是該多路輸出電源實(shí)現(xiàn)方案。

其中，EMI電路針對(duì)來(lái)自輸入電源的干擾，降低電磁干擾，采用由L1、C1、C2以及CY1、CY2構(gòu)成典型的Π型濾波器。C1、C2用來(lái)濾除輸入電源處的差模干擾，稱(chēng)其為X電容，此處取1μF；CY1、CY2是用來(lái)濾除共模干擾，稱(chēng)為Y電容，在這里選用1nF的陶瓷電容。另外，電感L1也是用來(lái)消除電路中產(chǎn)生的共模噪聲干擾，又叫共模扼流圈。這里采用雙線(xiàn)并繞的16mH的共模電感。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感的影響，高頻變壓器的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓，如果沒(méi)有保護(hù)，將直接施加在開(kāi)關(guān)管的漏極上，極易使其燒壞，加入由R4、C6、D6組成的RCD鉗位電路來(lái)保護(hù)芯片。

3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器具有變壓、電氣隔離、磁耦合傳遞能量等作用，是開(kāi)關(guān)電源中的重要部分。高頻變壓器的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵，下面具體給出高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。

3.1 磁芯材料的選擇

磁芯是高頻變壓器重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)正確合理地選擇磁芯材料、參數(shù)等，對(duì)變壓器的使用性能和可靠性有著重要的作用。高頻變壓器的磁芯只工作在磁滯回線(xiàn)的第一象限內(nèi)，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在關(guān)斷的時(shí)向負(fù)載傳遞能量。開(kāi)關(guān)電源常用的磁芯材料由復(fù)合氧化物燒結(jié)制成的軟磁鐵氧體。開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器，可采用PQ系列的磁芯，最終選用型號(hào)為PQ32/30磁芯，材質(zhì)則為PC44，該磁芯有效截面面積為161mm2。

3.2 初級(jí)線(xiàn)圈電感量的計(jì)算

本次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源要求開(kāi)關(guān)頻率為50kHz，最大占空比為0.5，效率為0.9，輸出功率為50W，輸入最低電壓為20V，最高輸入電壓為36V。高頻變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的電感值可由式（1）來(lái)確定

式中：Udcmin-輸入最低電壓；Dmax-最大占空比；f-開(kāi)關(guān)頻率；Ip-峰值電流。

將Udcmin=20V，最大占空比Dmax=0.5，峰值電流Ip=11.1A，開(kāi)關(guān)頻率50kHz，代入式（1）中，計(jì)算得到L1=18μH。

3.3 計(jì)算初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)

高頻變壓器初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)N1：

將Bm=510mT，Ae=1.61cm2，帶入式（2），得到N1=24.33，取25匝。

3.4 計(jì)算次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)

初級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)確定之后，根據(jù)式（3）可計(jì)算次級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)：

其中，Uo為輸出電壓，UD為次級(jí)整流二極管正向?qū)〞r(shí)的管壓降。24V輸出采用的是STPS30150CT快恢復(fù)二極管，管壓降取0.75V，可算出24V輸出繞組需要的線(xiàn)圈匝數(shù)為N2=30.9，取31匝。+12V輸出使用的是MBR20100CT肖特基二極管，管壓降取0.95V，帶入計(jì)算得N3=31.2，取32匝。對(duì)于-12V輸出，匝數(shù)則是24V輸出線(xiàn)圈匝數(shù)的一半，取16匝。

4 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

整個(gè)電源系統(tǒng)中幾處關(guān)鍵部分，下面給出具體設(shè)計(jì)：

（1）開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定。NCP1252是固定頻率控制器，但它也可靈活調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。該芯片的4腳處接一個(gè)電阻就可設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率在50～500kHz。本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率為50kHz，于是

由式（4）可得R17=85.8kΩ。

（2）電壓反饋電路。為了保證穩(wěn)定輸出直流電壓，取兩個(gè)輸出電壓24V和+12V作為反饋電壓。系統(tǒng)正常工作時(shí)，兩路輸出電壓分別經(jīng)過(guò)R21、R22和R25分壓與TL431的基準(zhǔn)電壓2.5V比較，構(gòu)成誤差比較器，經(jīng)過(guò)光耦PC817中發(fā)光二極管的工作電流發(fā)生線(xiàn)性變化，光電耦合器輸出電流，控制芯片的1腳進(jìn)而控制占空比。（3）欠壓保護(hù)電路。NCP1252的2腳通過(guò)電阻R3的電壓來(lái)判斷直流輸入電壓是否降低到芯片不能正常工作的電壓。當(dāng)2腳檢測(cè)到電壓低于1V時(shí)，會(huì)觸發(fā)芯片自動(dòng)關(guān)機(jī)。（4）過(guò)流保護(hù)電路。NCP1252的3腳和R19來(lái)監(jiān)測(cè)初級(jí)線(xiàn)圈的電流以達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。R19為功率限制輸出電阻，減小R19阻值就可以增大輸出功率。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一種基于NCP1252的多路輸出開(kāi)關(guān)電源，并將開(kāi)關(guān)電源的樣機(jī)與直流電子負(fù)載儀連接來(lái)測(cè)試電源的輸入特性和輸出特性，各路輸出電壓紋波最大值不超過(guò)0.2V，過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)均能保護(hù)電源并切斷輸出電壓，確保整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的安全。另外將樣機(jī)在某型號(hào)導(dǎo)航雷達(dá)收發(fā)機(jī)內(nèi)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，效果良好。

6 結(jié)束語(yǔ)

NCP1252是一款多功能集成的PWM控制芯片。基于該芯片設(shè)計(jì)的這款開(kāi)關(guān)電源樣機(jī)與基于其他芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源相比，具有很好的負(fù)載調(diào)整率、低功耗特性以及各種保護(hù)性能，確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，并在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)良好。

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