最新小功率开关电源的研制分析

小功率开关电源的研

制分析

小功率开关电源的研制分析

1 引言

单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，引起了越来越多人的重视。目前，随着单片开关电源模块的应用，中小功率开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展，可广泛用于仪器仪表、计算机、家用电器（如彩电、DVD、数码像机）、自动控制等领域，为新型高效节能电源的推广与普及奠定了基础。开发各种通用型、精密型及特种单片开关电源，能够大大提高我国开关电源产品的科技水平和国内外市场上的竞争能力，创造出巨大的经济效益与社会效益。NCP1200是新型高频开关电源芯片，它将开关电源中最重要的两个部分―PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET集成在一块芯片上，构成PWM/MOSFET合二为一集成芯片，使外部电路简化，其工作频率高达100kHz，交流输入电压100～250V，AC/DC 转换效率高达90%。对70W以下的开关电源，采用NCP1200 作为主功率器件与其他电路相比，体积小、重量轻、自我保护功能齐全，从而降低了开关电源设计的复杂性。特别适合制作中小功率AC-DC电源、各类充电适配器、DVD电压等。

2 开关电源基本原理

2.1 开关电源的主要组成部分和控制方式

开关电源的主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：

(1) 输入电网滤波器消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。

(2) 输入整流滤波器将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。

(3) 变换器是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。

(4) 输出整流滤波器将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。

(5) 控制电路检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

(6) 保护电路当开关电源发生过电压，过电流短路时，保护电路是开关电源停止工作以保护负载和电源本身。

2.2 开关电源的控制方式

本开关电源的设计采用了PWM方式。

2.3 脉宽调制式开关电源的基本原理

图1 脉宽调制式开关电源

交流220V输入电压经过整流电路滤波后变成直流电压Ui，再由功率开关管VT（或MOSFET）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压Uo。脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统，具体过程如下：

由于某种原因致使Uo降低，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均值电压升高，导致Uo升高。反之亦然。

本电源设计利用到的脉宽调制芯片NCP1200、MOSFET。

图2 整流桥电路图

3 开关电源的工作原理

3.1 整流桥电路

整流桥的每个桥臂是由2个1N4007的二极管组成，这样的目的是提高耐压，不容易反向被击穿。1个1N4007的最大反向电压是1000V，则2个1N4007的最大反向电压是2000V。

MY10是压敏电阻，102KD10即压敏电压1000V，最大限制电压1650V。在该电路中也是起到保护电路的作用。

C1、C2为400V 47u的电解电容，在此处起滤波作用。由于整流输出的电压很高所以选择耐压高、容量大的电解电容。

R2、R8为1W的电阻，在此处起分压作用。从中间分出的一半电压在通过二极管整流给1200芯片提供电压。

3.2 变压器及外围电路

(1) 高频变压器设计

由于外围电路元件少，该电源设计的关键是高频变压器，下面给出其设计方法。

? 磁芯的选取

变压器输出功率PO=UO?IO=24.0V×0.2A+5V×3A=19.8W。

根据输出功率选择磁芯，实际选取能输出25W功率的磁芯，根据有关设计手册选用

E125，查表可得该磁芯的有效截面积A=0.42cm2。

? 工作磁感应强度ΔB的选取

取ΔB=0.15T。

? 初级绕组匝数N的选取

选开关频率f =100kHz（T=10 us），按交流输入电压为最低值85V，选取N =53匝。

? 去磁绕组匝数N的选取

取N=106匝。

? 次级匝数N的选取

输出电压要考虑整流二极管及绕组的压降，设输出电流为3A时的线路压降为7%，则空载输出电压U =16V。取N =24匝。

? 偏置绕组匝数N的选取

取偏置电压为9V，根据变压器次级伏匝数相等的原则，由16/24=9/N，得N =13.5，取N =14匝。

图3 变压器及外围电路图

(2) 外围电路

? 电磁兼容性设计―滤波电路（如图4所示）

图4 滤波电路

? 输入保护电路（如图5所示）

图5 输入保护电路

4 控制电路

4.1 NCP1200的介绍

NCP1200属于低功耗、PWM电流模式的单片开关电源，适用于中、小功率的AC/DC式电源适配器、电池充电器及备用电源。

4.2 NCP1200的工作原理

(1) 引脚功能

NCP1200有两种封装形式：DIP-8（如图6所示）和SO-8（NCP1200D）。

图6 DIP-8封装形式

主要的引脚功能如下：

Adj 决定进入跳过周期模式的阀值电压US调节端，该端悬空时，上电后默认为

US=1.4V；用户亦可在Adj端接上拉电阻或下拉电阻，从而改变US值；

FB 反馈端，与光耦反馈电路相连，并根据负载情况来调节峰值驱动电流的大小；