基于NCP 芯片雙開關正激式羊毛剪電源設計

李 帥， 杜吉龍， 劉振國

（北京機械工業自動化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

隨著我國畜牧業的不斷迅猛發展， 羊毛剪的需求不斷增加， 羊毛剪及配套設備市場前景巨大。 但是目前市面上的羊毛剪供電設備在遇到環境惡劣的操作現場時，往往無法穩定可靠的工作， 導致電動羊毛剪無法正常工作甚至燒毀羊毛剪內部電機。 因此市面上亟需一款可以克服以上問題的供電電源。

為此筆者設計了此款開關電源，除了具有可靠性、安全性之外，它的優勢還有：耗能小、效率高、體積小、成本低。 利用以上優勢，實現了高效率、高可靠性、高精度、以及輕量便攜的羊毛剪供電開關電源的需求。

1 系統結構

開關電源以開關變換器和核心元件， 將閉環自動控制用于穩定電壓輸出。 交流電壓220V 經EMI 濾波電路及整流電路后，轉換成高壓直流；隨后經由芯片NCP1252和大功率開關管組成的逆變電路，轉換成高頻率的脈沖電壓；最后再將此高頻方波經同步整流和濾波轉換成穩定的具有較小紋波的目標電壓36V。在輸出端采集輸出電壓反饋，其值返回主控電路，實現調節控制電壓輸出，保護電路等功能；在同步整流后端采集瞬時電流反饋，其值返回主控電路，實現過流保護功能[1-5]。 總體結構框圖見圖1。

圖1 總體結構框圖

2 主要元器件參數計算

首先計算變壓器在連續導電模式（CCM）下的匝數比N。 根據等式（1）可以推導出等式（2）：

3 電路設計與分析

3.1 主電路設計

EMI 濾波器：選取10mH 的共模電感，構成共模扼流圈LEMI。 其作用是當共模電流流過線圈時，形成的同干擾電流同向的磁場，其強阻尼反過來削弱該共模電流。

整流濾波電路：經過整流橋D1，以及濾波電容C3，將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電，見圖2。

圖2 輸入濾波整流電路

逆變執行電路：采用雙開關正激方式。同磁芯復位技術相比，雙開關正激更易于實現。 而且開關Q2 上的峰值電壓等于輸入電壓，降低了開關所承受的電壓應力。同時需要再增加一個MOSFET（Q1）和高端驅動器，以及高壓低功率二極管（D3 和D4），參見圖3。 雙開關正激電源的工作原理，每個開關工作周期可以劃分成3 步：首先開關功率管Q1，Q2 及肖特基二極管D1 導通。 二極管D2，D3及D4 關閉； 然后開關管Q1，Q2 及肖特基二極管D1 關閉。 而二極管D2、D3 及D4 導通； 最后開關管Q1，Q2 及肖特基二極管D1 仍然關閉，二極管D2 仍然導通。 而二極管D3 及D4 則關閉。 經過整流后的直流調制為高頻方波，這是高頻開關電源主電路的核心部分。

圖3 逆變執行電路

3.2 基于NCP1252 芯片的控制電路設計

在電源啟動瞬間，整流橋后生成的高直流電壓BULK經過高阻值電阻直接給芯片NCP1252 的2 引腳供電，芯片啟動，見圖4。引腳3（CS）用來檢測主電流大小，控制芯片調節引腳6（DRV）輸出，且提供過流保護等功能。 引腳1（FB）直接連接到信號隔離光耦，而光耦的另一端是輸出端36V 的分壓比較電路。 引腳接收到來自輸出端的電壓反饋，用以控制芯片的引腳6（DRV）輸出。 在電源正常啟動后，輔助電源開始工作，之后為該芯片引腳7（VCC）做電源供電。 引腳6（DRV）是重要的輸出引腳，用來驅動MOSFET 功率管。他經過三極管Q3，Q4 以及變壓器T2 電路，生成兩個同相同頻同幅的信號HI 和LO。 這兩個引腳的信號就是用來驅動Q1，Q2 兩個功率管的。進而NCP1252芯片一方面通過控制功率管開關，改變其脈寬或脈頻，使系統輸出36V 達到穩定平衡；另一方面，提供控制電路對電源進行各種保護措施[6]。

圖4 NCP1252 控制電路

3.3 反饋電路設計

反饋電路是采用精密穩壓源TL431 和線性光耦構成的電壓誤差反饋電路，見圖5，由R23，R24，R25，R26 決定輸出電壓的大小。當輸出電壓達不到36V 時，TL431 的穩壓值下降，導致光耦的發光二極管一端電流增加，內部光增強，光耦另一端的電流也隨之增強，反饋電壓升高送到芯片NCP1252 的引腳1（FB），經過片內PWM 輸出脈沖寬度增加，驅動占空比加大，于是輸出電壓升高，從而達到控制36V 電壓穩定輸出的目的，反之同理。

圖5 輸出反饋回路

4 本電源工作特性

4.1 故障保護設計

因為供電設備和負載工作在苛刻環境中， 易出現過載宕機等故障。 故在此開關電源中附加了各種保護電路（過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護）。當供電設備的相關保護電路檢測到負載設備故障時， 其值反饋回主芯片。 進而終止核心控制芯片工作，輸出會立即停止。 因此基于以上保護機制， 本開關電源產品不僅安全且穩定可靠。

4.2 寬電壓輸入設計

此開關電源有較寬的交流輸入范圍， 凡輸入交流電壓在85～265V 之間時，均可正常穩定地輸出負載所需的直流電壓。解決了山區牧區邊區的電網電壓波動不穩定，工作時易受干擾的問題。且同時滿足了國際市場的需求，能在不同國家和地區不同的交流輸入電壓下， 依然能保障其正常工作。

4.3 高效低耗節能設計

本設計輸出功率高，且效率高損耗小。當功率開關管工作在正常的開關狀態下，不需要增加主動散熱風扇，或大面積散熱片。 擁有較高的功率因數，減少熱能損耗，也使得內部的電子元器件能長時間保持在最佳的性能狀態。 能充分滿足現場操作使用。

5 樣品圖片及性能概覽

樣品的俯視圖見圖6。 樣品調試結果如表1 所示，在室溫及額定輸入電壓（220VAC）條件下，穩定輸出36V，峰峰值紋波小于500mV。負載高于40%最大負載時，即負載功率達到50W 時，工作能效高于90%。

圖6 樣品俯視圖

表1 開關電源樣品調試結果

6 結束語

上述利用NCP1252 設計的開關電源電路結構簡單、體積較小， 利用負反饋調節輸出脈沖的占空比使得輸出電壓穩定且幅值可調，具有過流，過壓，短路保護的功能，使得電源安全性大大提升， 電源還具有良好的紋波抑制效果。 除了在設計中應注意的過流保護，過壓保護，還可以增加過熱保護單元。在散熱片表面固定溫度開關，當達到85℃時便會斷開輔助電源， 整個開關電源系統也會停止工作。

同時也要在設備生產環節當中要注意把控元器件的耐壓值和精度，保證功率管同散熱片的絕緣處理。做到這些開關電源才會在復雜多變的操作環境中更高效更可靠的工作。