包头市高频变压器有限公司

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基于NCP1014的5W电源适配器设计

  变换设备, 随着蜂窝电话、笔记本电脑等便携式设备用户的迅速增加,低压小功率应用越来越广泛。研究人员和商家不断推出成本更低、体积更小、重量更轻、效率更高的电源恒流恒压(CCCV)电源系统具有动态自供电、故障自检测、间歇模式无音频噪声、宽电压模式高效运行、低成本等优点,并利用OrCAD/PSpice 10.5做了电源系统的仿真,针对系统瞬态分析不收敛情况[2],进行了相关设置,仿真结果与实测和理论分析的结果相符。

  NCP101X系列是安森美生产的固定频率(65khz -100khz -130khz)电流模式控制器,并内置一个700V的MOSFET,采用PDIP-7或SOT-223封装,具有软启动、跳周期、动态自供给等优点,可提供低成本电源所需要的一切。本文采用NCP1014ST100T3(四引脚,固定输出频率100khz)[3],可以由安森美网站得到仿线,反激变压器采用系统自带的XFRM_LINER代替反激变压器,光电耦合器采用PS2501,稳压二极管采用D1N5229,在PSPICE 10.5中建立5W CCCV电源系统,电路图如图1所示。

  输入交流电压有效值范围为(100~250)VAC,经D1整流、C1-A、C1-B、L1组成的滤波器滤波后变成直流电压,R1为限制浪涌电流电阻,直流电压经过NCP1014内置MOSFET斩波、反激变压器变压后,在次级得到高频矩形波电压,最后通过次级侧D3、C4、D4整流、滤波、稳压,在输出端得到所需的直流电压[4]。直流输出电压经采样电路、光电耦合器PS2501反馈到NCP1014的FB引脚,控制器自动调节输出脉冲,使得电源系统在各个状态下都处于高效、稳定模式[5]。

  当电源启动后,NCP1014通过内置偏置电流源给C4电容充电,一旦VC4达到VCCoff (典型值8.5V)时,电流源关断,通过输出级传输脉冲,激活内置MOSFET。当C4的电压下降到VCCon(典型值7.5V)时,内部电流源被激活,电压上拉到8.5V。正常状态下电压VCC在7.5V和8.5V之间波动,C4的典型值为10F。

  当检测电路检测到轻载时,NCP1014会自动调节输出脉冲,跳过不需要的转换周期,这极大的降低了轻载时的功耗。

  当电路出现故障(如光耦短路或损坏)时,电路会进入故障模式,NCP1014将停止输出脉冲,电压VCC保持在4.7V到8.5V之间波动,直到电路恢复正常后,电路尝试新的启动。青岛变压器

  反激式开关电源变压器有不完全能量传输、完全能量传输两种工作模式。输入电网电压或输出电流的大范围变化,必然导致变压器跨越连续与不连续两种工作状态。因此,在设计变压器时,关键是使其在两种状态下都能高效、稳定工作[6,7,8]。本文中采用临界电流状态法设计反激变压器,使其在两种状态下都有良好的性能。

  图2 电流连续模式变压器初级、次级电流波形:(a)初级电流波形;(b)次级电流波形

  图中Irp、Irs为初级、次级脉动电流,Ipp、Ips为初级、次级峰值电流,Ton、Toff*是开关管的导通、截止时间。连续和临界状态下满足式(1)。

  假设输出功率不变时,初级电压Udc增加,初级平均电流Iavg就会减小,Irp与Ipp也会相应的减小。当Irp刚好到零时,变压器进入临界模式。Udc继续增加时,电路进入不连续状态,Ton、Toff*满足式(3)。

  由上面的讨论可以这样设计变压器,使变压器在特定电压下达到临界状态,低于此电压时变压器进入连续模式,高于此电压,变压器进入不连续状态。这样就可以最大限度的兼顾两种模式下变压器的性能[9]。

  (1)变压器磁芯利用以下关系式设计:WaAe=Po104/KJBF0.045cm4。式中:K为窗口利用系数,反激变压器取0.3;

  仿线ms,变压器初级电感Lp=2.34mH,次级电感Ls=0.0234mH,耦合系数COUPLING=0.99。图4为120VAC、75%负载情况下,实测MOSFET漏极波形和仿线%负载下VCC电压和负载电压、电流波形,图6为变压器在不连续、临界、连续三种状态下初级电流的扫描波形,仿真波形与理论分析、实测波形相符。相信随着模型精度越来越高,仿真结果也会越来越精确。

  图4 120VAC 75%负载下MOSFET漏极波形 :(a)实测波形;(b)仿线%负载下VCC电压和负载电压、电流波形 图6 变压器三种状态次级电流图形

  自给式单片转换器NCP1014可以实现电源系统的高效、稳定运行,采用临界电流法设计的5W CCCV电源适配器满足设计要求,反激变压器在两种模式下性能稳定,正常工作下负载电压纹波小于0.05V,电流纹波小于0.015A,效率达80%以上,可以为低成本电源适配器的设计提供参考。利用OrCAD/PSpice 10.5对电源系统进行了仿真,并针对瞬态分析不收敛情况进行了设置,仿真结果与理论值、实测值相符,为电源系统设计提供很好的依据,OrCAD/PSpice可以应用到电源的设计中。

  [7] 伦克著;王正仕,张军明译.实用开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社,2006.4.

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