基于NCP1200A的多路反激變換器的研究

介紹了低功率通用離線式電源的脈寬調制電流型控制器NCP1200A的原理，并且通過所研制出的多路隔離反激變換器試驗樣機，及其試驗結果來進一步說明此控制器所具有的優點。

關鍵詞：電流模式控制；反激；前沿消隱；動態自供電

0??? 引言

??? 反激變換器具有電路結構簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓調節范圍寬、易于多路輸出等特點，因而適合作為電力電子設備內的輔助開關電源。

??? 電流控制型脈寬調制是一種新穎的控制技術，它克服了傳統的電壓控制型脈寬調制技術的缺點，使開關電源系統具有快速的瞬態響應、高度的穩定性、過載及短路保護簡單等特點。NCP1200A是一種低功率通用離線電源的電流模式脈寬調制控制器，它代表了向超小型開關電源方向的重大飛躍，它內部包括定時元件、反饋器件、低通濾波器和自供電等。本文通過對此芯片功能的研究，并且成功地設計制作了多路隔離輸出反激變換器的樣機。

1??? 電流控制型脈寬調制器NCP1200A簡介

??? NCP1200A采用標準電流模型體系，驅動關斷時間由峰值電流設置點確定。此控制芯片具有以下特點：

??? ——無需輔助電源繞組；

??? ——內部有輸出短路保護電路；

??? ——空載待機功耗極低；

??? ——電流模式帶跳周期功能；

??? ——內部有250ns前沿消隱電路；

??? ——250mA峰值拉/灌電流能力；

??? ——內部固定頻率為40/60/100kHz；

??? ——通過光耦合器直接連接。

??? 其內部結構如圖1所示，各引腳功能如下：

??? ——腳1用來調整發生跳周期的電平；

??? ——腳2將光耦器接至該腳，根據輸出功率需求來調節一次側峰值電流設定點；

??? ——腳3檢測一次側電流，并通過前沿消隱電路將檢測值送入內部比較器；

??? ——腳4接地；

??? ——腳5輸出驅動外部MOSFET開關管；

??? ——腳6接至典型值為10μF的外部大容量電容；

??? ——腳7用來保證適當的漏電流距離；

??? ——腳8接至高壓直流干線，該腳將恒定電流注入V_cc大容量電容。

圖1??? NCP1200A內部結構

2??? 設計特點及注意事項

2.1??? 動態自供電（DSS）

??? 動態自供電技術使得所設計的反激變換器無需輔助電源繞組，可由高壓直流干線直接供電。DSS的原理基于V_cc大容量電容從一個低電平到一個較高電平的充放電。其工作過程如下：

??? 當電源接通時，若V_cc<V_ccH，則電流源接通，無脈沖輸出；若V_cc下降且大于V_ccL，電流源關斷，輸出為脈動；若V_cc上升且小于V_ccH，電流源接通，輸出為脈動；典型值V_ccH=12V，V_ccL=10V，其工作過程示意圖如圖2所示。

圖2??? V_cc電容的充放電示意圖

2.2??? 跳周期工作模式

??? 由于開關電源在正常負載條件下具有良好的效率，而在輸出功率減小時，其效率將開始下降。NCP1200A內嵌跳周期功能，當輸出功率需求量減小到給定值以下時，便自動地跳過開關周期，這是通過監視腳FB來實現的。當負載需求量減小時，內部環路要求較小的峰值電流，當此設定值達到確定的電平時，集成電路將阻止電流繼續減少，并開始使輸出脈沖出現空白，實現跳周期模式。當FB跳過門限值（默認值1.2V）時，峰值電流不會超過1V/R_sense。當集成電路進入跳周期模式時，峰值電流不會小于V_pin1/3.3，此時用戶可以通過改變腳1的電壓值來調節跳周期的峰值電流。這樣在空載情況下，NCP1200A的總待機效率可以很容易達到設計要求。

2.3??? 短路保護功能

??? 通過持續監視反饋回路，NCP1200A能檢測到出現短路的情況，并立即將輸出功率減小，以對整個電路進行保護。一旦短路消失，控制器即可恢復到正常工作狀態。因此，對于給定的恒定輸出功率的電源，可以很方便地斷開這個保護功能。

2.4??? 軟啟動的實現

??? V_cc電壓從12V降到10V所需要的時間決定了系統能否正常啟動，由輸出電容充電引起的相應瞬態故障持續時間必須小于V_cc電壓從12V降到10V的時間，否則反饋監視回路就會當短路情況處理，使得電源將不能正常啟動。V_cc上的電壓和腳6的外接電容值C有關系。假設系統達到額定負載所需的時間為6ms，因而V_cc的下降時間必須大于6ms，此處設定為10ms。在包括MOSFET驅動的集成電路消耗電流為1.5mA，由式C=i·Δt/ΔV，可得所需電容值的大小。按照此處所設定的條件可知C=7.5μF，在實際電路中用C=10μF，以便實現軟啟動功能。

2.5??? 芯片管腳防負電壓尖峰功能

??? 此芯片可以通過附加外圍電路來防止敏感管腳被負電壓尖峰損壞。負的信號對只有正偏置的控制芯片有很大的損壞，使其不能穩定工作。如果由于設計不當，使得變壓器原邊電感和腳6外接電容發生諧振，將會在腳6上產生負的脈沖，造成芯片損壞。為了有效地防止此情況的發生，可以采用圖3所示的兩種電路來保護芯片。

圖3??? 防止負壓脈沖電路

2.6??? 內嵌前沿消隱（LEB）功能

??? 一般控制芯片，在一次側的電流檢測輸入前，必須對檢測到的電流波形進行低通濾波處理，以防止由于開關管的開關尖峰所引起的瞬態過流現象。NCP1200A內部具有250ns的前沿消隱電路，從而無須外加低通濾波網絡對檢測的電流進行處理，使得電路設計更加簡單。

3??? 試驗結果

??? 本文通過試驗樣機進一步來介紹NCP1200A的工作原理以及在實際設計中的簡便性。此試驗裝置為48V直流輸入，三路隔離輸出的反激變換器。各個參數設置為：V_in=48V，V_cc=V_cc1=V_cc2=15V，V_EE=－15V，開關頻率f=40kHz，變壓器原邊電感值L=330μH，額定輸出功率P=14W，占空比D=0.4（為了防止D>0.5，而使電路不能穩定工作，且無須加斜坡補償）。電路的結構原理如圖4所示，采用RCD無源吸收網絡來防止MOSFET被燒毀。

圖4??? 電路的結構原理

??? 所研制的試驗樣機如圖5所示，具體尺寸為105mm×30mm×23mm，采用立放直插式結構，便于和主體設備連接。

圖5??? 試驗樣機實物圖

??? 由所研制的試驗樣機測得的實際試驗波形如圖6～圖8所示。圖6為V_cc電容上的充放電波形，很好地實現了芯片的動態自供電，同時保證了裝置的軟啟動。

圖6??? V_cc電容充放電波形

(a)一次側檢測電流波形

(b)開關管漏源極間電壓波形

圖7??? i_cs與v_ds波形

圖8??? 不同功率下的輸出脈沖(P₁>P₂)

??? 圖7(a)和(b)分別為電路工作在電流連續狀態（CCM）和電流斷續狀態（DCM）的一次側采樣電阻上的電流波形和MOSFET上的漏源極之間的電壓波形，試驗波形中所存在的電流和電壓毛刺，是由于一次側變壓器的漏感、MOSFET的體內寄生電容以及二次側的二極管反向恢復所造成的。由于NCP1200A具有250ns的LEB功能，所以檢測電流中的高頻脈沖不會影響到電路的穩定性。

??? 圖8為樣機工作在額定輸出功率和輕載情況下的驅動波形對比，由此可以看出芯片的跳周期工作狀態，從而有效地減少功耗，達到高效率的要求。

4??? 結語

??? NCP1200A是一種性能優良的電流控制型脈寬調制器，適合于超小型的開關電源設計。它具有動態自供電、軟啟動、跳周期低損耗工作、短路保護等功能。幾乎不需要外圍分立器件，就能實現多路隔離輸出高效率的小型反激變換器，因而，該芯片廣泛地應用于交流－直流適配器、離線電池充電器、輔助電源等。