基于NCP1014的5W電源適配器設計

1 引言

電源適配器是小型便攜式電子設備及電子電器的供電電源變換設備, 隨著(zhù)蜂窩電話(huà)、筆記本電腦等便攜式設備用戶(hù)的迅速增加，低壓小功率電源適配器應用越來(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、效率更高的電源設計方案和產(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NCP1014，并根據反激變壓器連續、不連續兩種工作模式的特點(diǎn)，采用臨界電流法設計了反激變壓器，最大限度兼顧了兩種模式下變壓器的性能。設計的5W恒流恒壓（CCCV）電源系統具有動(dòng)態(tài)自供電、故障自檢測、間歇模式無(wú)音頻噪聲、寬電壓模式高效運行、低成本等優(yōu)點(diǎn)，并利用OrCAD/PSpice 10.5做了電源系統的仿真，針對系統瞬態(tài)分析不收斂情況[2]，進(jìn)行了相關(guān)設置，仿真結果與實(shí)測和理論分析的結果相符。

2 基于NCP1014的5W CCCV電源適配器電路分析

2.1 5W CCCV電源系統電路圖

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NCP1014ST100T3（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自帶的XFRM_LINER代替反激變壓器，光電耦合器采用PS2501，穩壓二極管采用D1N5229，在PSPICE 10.5中建立5W CCCV電源系統，電路圖如圖1所示。

圖1 5W CCCV電源系統電路圖

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內置MOSFET斬波、反激變壓器變壓后，在次級得到高頻矩形波電壓，最后通過(guò)次級側D3、C4、D4整流、濾波、穩壓，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)調節輸出脈沖，使得電源系統在各個(gè)狀態(tài)下都處于高效、穩定模式[5]。

當電源啟動(dòng)后，NCP1014通過(guò)內置偏置電流源給C4電容充電，一旦VC4達到VCCoff (典型值8.5V)時(shí)，電流源關(guān)斷，通過(guò)輸出級傳輸脈沖，激活內置MOSFET。當C4的電壓下降到VCCon（典型值7.5V）時(shí)，內部電流源被激活，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。

當檢測電路檢測到輕載時(shí)，NCP1014會(huì )自動(dòng)調節輸出脈沖，跳過(guò)不需要的轉換周期，這極大的降低了輕載時(shí)的功耗。

當電路出現故障（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)，直到電路恢復正常后，電路嘗試新的啟動(dòng)。

2.3 反激變壓器設計

反激式開(kāi)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，必然導致變壓器跨越連續與不連續兩種工作狀態(tài)。因此，在設計變壓器時(shí)，關(guān)鍵是使其在兩種狀態(tài)下都能高效、穩定工作[6,7,8]。本文中采用臨界電流狀態(tài)法設計反激變壓器，使其在兩種狀態(tài)下都有良好的性能。

圖2 電流連續模式變壓器初級、次級電流波形：(a)初級電流波形；(b)次級電流波形

圖中Irp、Irs為初級、次級脈動(dòng)電流，Ipp、Ips為初級、次級峰值電流，Ton、Toff*是開(kāi)關(guān)管的導通、截止時(shí)間。連續和臨界狀態(tài)下滿(mǎn)足式（1）。

Ton + Toff*=1 式（1）

在不考慮損耗時(shí)，變壓器始終滿(mǎn)足式（2）。

UsIs =IavgUdc 式（2）

假設輸出功率不變時(shí)，初級電壓Udc增加，初級平均電流Iavg就會(huì )減小，Irp與Ipp也會(huì )相應的減小。當Irp剛好到零時(shí)，變壓器進(jìn)入臨界模式。Udc繼續增加時(shí)，電路進(jìn)入不連續狀態(tài)，Ton、Toff*滿(mǎn)足式（3）。

Ton + Toff*＜1 式（3）

由上面的討論可以這樣設計變壓器，使變壓器在特定電壓下達到臨界狀態(tài)，低于此電壓時(shí)變壓器進(jìn)入連續模式，高于此電壓，變壓器進(jìn)入不連續狀態(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]。

本文中變壓器應滿(mǎn)足以下參數：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，變壓器次級電壓Us=Uo+Uf=9V，Uf為次級壓降，設定二次側電壓在200V時(shí)達到臨界狀態(tài)，即次級側計算電流Is=0.7A。

變壓器的結構參數設計如下。

（1）變壓器磁芯利用以下關(guān)系式設計：WaAe=Po104/KJBF≈0.045cm4。式中：K為窗口利用系數，反激變壓器取0.3；

J為電流密度，取300A/M2；

B為操作磁感應強度，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(cháng)度MPL=37.6mm，磁導率μ=2300。

（2）變壓器匝比：N=( UdcDmax)/[ Us(1－Dmax)] ≈10。

（3）變壓器初級、次級電感[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、次級匝數：Np= 134，Ns≈13。

（5）氣隙長(cháng)度：Lg=(0.4πN p2 Ae10－8/Lp)－MPL/μ≈0.015cm， 式中Ae單位：M2；MPL單位：M 。

3 電源系統仿真

仿真之前，為使系統更好的收斂作如下設置[10]：

圖3 仿真收斂設置

仿真時(shí)間設為60ms，變壓器初級電感Lp=2.34mH，次級電感Ls=0.0234mH，耦合系數COUPLING=0.99。圖4為120VAC、75%負載情況下，實(shí)測MOSFET漏極波形和仿真波形的比較，圖5為220VAC、80％負載下VCC電壓和負載電壓、電流波形，圖6為變壓器在不連續、臨界、連續三種狀態(tài)下初級電流的掃描波形，仿真波形與理論分析、實(shí)測波形相符。相信隨著(zhù)模型精度越來(lái)越高，仿真結果也會(huì )越來(lái)越精確。

圖4 120VAC 75%負載下MOSFET漏極波形 ：（a）實(shí)測波形；（b）仿真波形

圖5 80%負載下VCC電壓和負載電壓、電流波形 圖6 變壓器三種狀態(tài)次級電流圖形

4 結束語(yǔ)

自給式單片轉換器NCP1014可以實(shí)現電源系統的高效、穩定運行，采用臨界電流法設計的5W CCCV電源適配器滿(mǎn)足設計要求，反激變壓器在兩種模式下性能穩定，正常工作下負載電壓紋波小于0.05V，電流紋波小于0.015A，效率達80％以上，可以為低成本電源適配器的設計提供參考。利用OrCAD/PSpice 10.5對電源系統進(jìn)行了仿真，并針對瞬態(tài)分析不收斂情況進(jìn)行了設置，仿真結果與理論值、實(shí)測值相符，為電源系統設計提供很好的依據，OrCAD/PSpice可以應用到電源的設計中。

參考文獻

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[10] 王輔春.電子電路CAD與OrCAD教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.7.

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■