多路輸出開關電源設計

王杰

摘 要：安森美半導體公司的NCP1252是一款電流模式PWM控制器，它使用內部固定的定時器，可以不依賴于輔助電壓來檢測輸出過載。文章介紹了基于NCP1252芯片的多路輸出開關電源設計，分析了開關電源的工作原理，給出了設計步驟。該開關電源可提供軟起動、短路保護、過流保護等功能，并將該電源成功用于某型雷達收發機，驗證了分析、設計的有效性。

關鍵詞：NCP1252芯片；多路輸出；開關電源

中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A 文章編號：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，為各種電子設備提供電能，性能優劣直接影響到整個電子系統的穩定性。目前常用的直流穩壓電源根據調整管的工作狀態分為線性電源和開關電源兩大類，線性電源應用較早，電路簡單，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；開關電源的功率器件工作在高頻開關狀態，自身功耗小，轉化效率高，此外開關電源還具有體積小、重量輕、穩壓范圍寬等優點，其不足之處就是電路復雜，對變壓器要求很高。由于開關電源優越的性能，勢必將得到越來越廣泛的應用。

本文圍繞NCP1252芯片設計了一種多路輸出開關電源，并應用在某型號導航雷達的收發機內，效率高，穩定性好。

1 NCP1252內部結構與功能特點

NCP1252是一款應用于正激和反激式的電流模式PWM控制器，適合于計算機ATX電源、交流適配器及其它任何要求低待機能耗的應用。它集成固定的定時器，可在不依賴輔助電源時檢測輸出過載；具有跳周期模式，能夠空載工作。此外還可調節開關頻率，增強設計的靈活性；帶有閂鎖過流保護功能，能夠承受暫時的過載。其它特性包括可調節軟啟動時長、內部斜坡補償、自恢復輸入欠壓檢測等。

2 實際應用電路設計

NCP1252構成直流隔離式多路輸出開關電源框圖如圖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%。

直流電輸入經過濾波后直接連接高頻變壓器。開關電源芯片是整個電源的核心，接收反饋信號，及時調整開關管的開關狀態，使輸出電壓穩定。圖2是該多路輸出電源實現方案。

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

當開關管關斷時，由于變壓器漏感的影響，高頻變壓器的初級繞組上會產生反射電壓和尖峰電壓，如果沒有保護，將直接施加在開關管的漏極上，極易使其燒壞，加入由R4、C6、D6組成的RCD鉗位電路來保護芯片。

3 高頻變壓器設計

高頻變壓器具有變壓、電氣隔離、磁耦合傳遞能量等作用，是開關電源中的重要部分。高頻變壓器的設計是設計開關電源的關鍵，下面具體給出高頻變壓器的設計方法。

3.1 磁芯材料的選擇

磁芯是高頻變壓器重要組成部分，設計時正確合理地選擇磁芯材料、參數等，對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的第一象限內，在開關管導通時儲存能量，在關斷的時向負載傳遞能量。開關電源常用的磁芯材料由復合氧化物燒結制成的軟磁鐵氧體。開關電源的高頻變壓器，可采用PQ系列的磁芯，最終選用型號為PQ32/30磁芯，材質則為PC44，該磁芯有效截面面積為161mm2。

3.2 初級線圈電感量的計算

本次設計的開關電源要求開關頻率為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。高頻變壓器初級線圈的電感值可由式（1）來確定

式中：Udcmin-輸入最低電壓；Dmax-最大占空比；f-開關頻率；Ip-峰值電流。

將Udcmin=20V，最大占空比Dmax=0.5，峰值電流Ip=11.1A，開關頻率50kHz，代入式（1）中，計算得到L1=18μH。

3.3 計算初級線圈匝數

高頻變壓器初級線圈匝數N1：

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

3.4 計算次級線圈匝數

初級線圈的匝數確定之后，根據式（3）可計算次級線圈的匝數：

其中，Uo為輸出電壓，UD為次級整流二極管正向導通時的管壓降。24V輸出采用的是STPS30150CT快恢復二極管，管壓降取0.75V，可算出24V輸出繞組需要的線圈匝數為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，帶入計算得N3=31.2，取32匝。對于-12V輸出，匝數則是24V輸出線圈匝數的一半，取16匝。

4 關鍵部分設計

整個電源系統中幾處關鍵部分，下面給出具體設計：

（1）開關頻率設定。NCP1252是固定頻率控制器，但它也可靈活調節開關頻率。該芯片的4腳處接一個電阻就可設定開關頻率在50～500kHz。本設計的開關頻率為50kHz，于是

由式（4）可得R17=85.8kΩ。

（2）電壓反饋電路。為了保證穩定輸出直流電壓，取兩個輸出電壓24V和+12V作為反饋電壓。系統正常工作時，兩路輸出電壓分別經過R21、R22和R25分壓與TL431的基準電壓2.5V比較，構成誤差比較器，經過光耦PC817中發光二極管的工作電流發生線性變化，光電耦合器輸出電流，控制芯片的1腳進而控制占空比。（3）欠壓保護電路。NCP1252的2腳通過電阻R3的電壓來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2腳檢測到電壓低于1V時，會觸發芯片自動關機。（4）過流保護電路。NCP1252的3腳和R19來監測初級線圈的電流以達到過流保護的目的。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 實驗結果

根據以上的設計方法，設計出一種基于NCP1252的多路輸出開關電源，并將開關電源的樣機與直流電子負載儀連接來測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0.2V，過流保護和短路保護均能保護電源并切斷輸出電壓，確保整個設備系統的安全。另外將樣機在某型號導航雷達收發機內進行了實際應用實驗，效果良好。

6 結束語

NCP1252是一款多功能集成的PWM控制芯片。基于該芯片設計的這款開關電源樣機與基于其他芯片設計的開關電源相比，具有很好的負載調整率、低功耗特性以及各種保護性能，確保整個系統的可靠性，并在實際應用中表現良好。

參考文獻：

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