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准谐振PWM控制器在电源适配器中的应用

作者：艾睿电子（深圳）代表处彭建宇

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电源适配器不仅种类繁多而且在消费类电子产品中应用非常广泛，提供的输出功率大多数都在100瓦以内，市场需求迅速增长。如电动自行车电池充电器、小尺寸液晶电视、笔记本电脑、打印机、DVD播放器和机顶盒等都有应用。早期的电源适配器大都选用线性变压器，随着消费类电子产品对电源适配器有高效率、宽输入电压范围的要求，以及铜、铁和人力成本的增加，这类电源适配器里面原来的线性变压器大都逐渐被开关电源取代。从而使电源适配器由原来只能是交流110伏或交流220伏单电压输入改变为交流85至264伏的宽电压范围输入，输入电源频率在47到63赫兹之间。

电源适配器一般来讲空间体积都比较小，不能安装大体积的散热片，同时EMI电磁辐射的屏蔽也是一个难以解决的问题。但是目前市面上电源适配器中的开关电源大多数都是采用普通的硬开关PWM控制方式设计的，存在开关噪声大、EMI屏蔽结构复杂、材料和生产成本高、转换效率不高散热器体积大内部空间拥挤，且待机功耗大无法达到节能标准，保护功能少可靠性低等许多难以克服的缺陷，尤其在50W以上低电压大电流输出的电源适配器，这些缺陷更加突出。

随着全球多个国家和地区各种节能规范的纷纷发布，例如“能源之星”认证项目、美国加州能源委员会(CEC)、欧盟行为准则、欧洲高能效电器组织(GEEA)，均把节能放在环保的重要一环。对于想要出口欧美等地的电源产品，满足国际强制执行的待机功耗法规和安全认证标准非常重要。例如，全球范围内倡议待机功耗低于1瓦；UL安规认证，CE安规认证等。一方面是消费类电子产品对电源适配器的需求迅速增长，电源生产厂商须迅速扩大自己的产能，另一方面是世界多国出台的要求严格的节能法规，使得电源生产厂商在设计“绿色电源”、进行节能降耗方面面临着更大的压力，大多数用传统的PWM控制方式设计的电源适配器已无法达到“绿色电源”的设计要求。所以电源生产厂商必须放弃传统的PWM控制方式，采用新的PWM控制技术来设计自己新的电源适配器产品，才能适应不断增长的市场需求和开关电源产品规范标准的新要求，准谐振PWM控制技术就是一种能满足电源适配器新的设计要求的解决方案。所谓准谐振PWM控制简单讲就是控制开关管在电压谷底开通的一种PWM控制方式，又称为软开关PWM控制方式。用准谐振PWM控制器设计的电源适配器能够容易实现电源转换效率高、噪声小EMI成本低、结构简单制造成本低、待机功耗小符合节能标准、保护功能齐全可靠性高等许多优点，尤其适合设计小体积、高功率的电源适配器。NCP1337就是安森美公司为了不断地满足市场对更小体积、更高能效、更低成本的电源适配器的需求而新推出的一款高性能的准谐振控制器，是设计高性能电源适配器的一个不错的解决方案。

在此以安森美最新一款准谐振PWM控制器 NCP1337为例，介绍准谐振PWM控制器在电源适配器中的设计应用。

图1 NCP1337典型的12V/5A电源适配器原理框图

NCP1337准谐振PWM控制器的性能特点

NCP1337是一款增强型的准谐振脉冲宽度调制电流模式控制器，它结合了真正的电流模式调制器与去磁检测器，确保电源在任何负载条件下均能工作在不连续的导电模式。它集成了组建严格可靠的开关电源（SMPS）所有必要的元件和功能，只需极少的外接元件。非常便于设计自由运行准谐振模式的电源适配器。其主要的特征与优点如下：

1．自由运行的不连续模式准谐振控制。为设计低电压大电流输出的简单高效能的同步整流电路提供了可行性，从而实现开关电源的高转换效率。开通时间随供电电压的变化，很容易实现工作频率抖动从而将电磁干扰降低至最少，减小EMI滤波器的器件和功耗。
2．超低功耗。待机时工作在最小开关频率的纹波模式，当功率要求低于预先设置的水平通过监察反馈引脚电压，进入纹波模式，使适配器空载能耗可以符合节能标准。因为重新启动被内部软启动软化，频率不会低于25kHz，所以开关电源空载时能在低峰值电流的频率跳变模式下无噪声工作，
3．保护功能完善。芯片内部有短路后自动重启动的保护电路、开环故障检测及过压锁定保护电路、限流保护电路和具有滞后特性的过热保护电路等多种保护功能。在过流情况下，输出脉冲关闭并进入安全突发模式，一旦故障消失，IC会尝试重新启动，自动恢复正常工作。
4．内部变压器磁芯去磁检测。不需要变压器辅助绕组电压等任何外部信号就能自动检测功率开关管漏极的谷底电压，使电路设计更为简单。
5．可调的过载补偿。可以保证准谐振电源所提供的最大输出功率不受输入电压变化的影响。
6．内置两种外部失效模式触发比较器（禁止和锁定）。提供称为输入欠压和过
电压保护的整体电压检测功能。也可增加其他外部故障触发此禁止或锁定的保护功能。
7．Vcc采用了动态自供电技术。内置高电压启动电流源可直接由40伏至500伏直流电自供电，无需外接损耗大的启动电阻。
8．500mA峰值电流驱动能力。可直接驱动漏极电流在15A以内的高压MOSFET功率开关管。
9．内部置有4ms的软启动电路消除了传统的启动应力。可保证开关电源在开机时内部无电流、电压过冲现象。电流模式控制功率开关管在每个开关周期的峰值电流，使开关电源具有良好的动态负载响应速度。
10．最高工作频率内部限制为130kHz，低于EMI辐射标准最低频率150kHz。
11．内部前端消隐和反馈光耦可直接与IC反馈脚连接，无需复杂的外围电路，有效地减少了控制IC的外围元件。

NCP1337典型的60瓦电源适配器设计方案

◆ 电路的基本结构

用NCP1337设计的60瓦12伏/5安电源适配器，其电路采用常见的反激式拓扑结构，如图2所示。F1保险丝、TH1为负温度系电阻和VSR1压敏电阻组成电源的输入电路，C1、C2和L1组成EMI滤波电路，BD1为输入级整流桥，Cdc、C4为输入级滤波电容，Cb、Rb1、Rb2、Rb3和Rb4组成输入过欠电压保护和过载补偿电路，Dsn、Csn和Rsn组成尖峰电压吸收电路，R7、R8、R10和Rs组成MOSFET驱动和电流采样电路，Q1为6安600伏高压MOSFET功率开关管，IC1为NCP1337准谐振PWM控制器，Da、Ra和Ca构成NCP1337的辅助电源电路。T1为PQ32/20铁氧体磁芯高频功率开关变压器。IC2、IC3、R15、R16和R17等组成次级电压反馈电路，T2、Dsc、Rsc和Qsc等组成次级整流同步控制电路,Qr、Co、Cp和Lp组成12伏整流输出滤波电路。C13为安规Y1电容。

图2 反激式拓扑结构电路图

◆ 电源适配器设计要点

以图2为例，介绍用NCP1337设计60瓦12伏/5安电源适配器的基本要点。

● 电源输入电路

F1为3.5安250伏交流保险丝，其作用是在电源内部发生异常时，防止电源输入端出现大的短路电流。TH1为负温度系数电阻，主要作用是减小电源开机时的冲击电流。VSR1为470伏压敏电阻，主要作用是吸收输入线路上的浪涌电压，防止电源内部的器件被过压损坏。

● EMI共模抑制电路

由X2电容C1、C2和共模电感L1一起组成电源输入端的EMI共模抑制电路，其作用一是衰减开关电源的差模噪声，减小EMI的辐射能量。其作用二是抑制开关电源的共模噪声幅度，减小开关电源的传导干扰。

● 初级输入滤波电路

Cdc可选用普通高压的电解电容，主要作用是对输入电压平滑滤波，滤除100赫兹纹波电压，为开关电源提供相对稳定的直流电压。C4为高压的陶瓷电容，主要作用是滤除高频开关噪声，改善电源的传导特性。

● 输入过欠电压保护和过载补偿电路

NCP1337特有的输入电压监测功能，通过Rb1、Rb2、Rb3和Cb检测输入电压来实现输入过欠电压保护功能。电阻Rb4用来设定过载补偿的深度，结合电流采样电阻Rs和变压器初级电感量可保证电源适配器在全输入电压范围内有恒定的过载功率点。克服了一般的电源适配器在高低输入电压时过载功率点难以保持恒定的缺点，从而避免了在高输入电压过载时会因功率偏高而过热损坏电源适配器的问题。

● 尖电压吸收电路

由Dsn、Csn和Rsn组成的尖峰电压吸收电路，其主要作用是用来吸收MOSFET功率开关管在关断时产生的上升沿尖峰电压能量，减少尖峰电压幅值，防止功率开关管过电压击穿。Rsn要求采用2W以上的功率电阻，阻值在68千欧左右。Csn要求用低等效串联电阻的陶瓷电容，容量在3300皮法左右，耐压值在400伏以上。Dsn则要求选用超快恢复二极管，反向耐压值在600伏以上。

● 辅助电源电路

NCP1337虽然内部有自供电系统，但其提供的能量受IC本身热损耗能力的限制非常有限，用其驱动大电流MOSFET时，仍须增加辅助电源。Da、Ra和Ca就是用来构成NCP1337的辅助电源。同时NCP1337还能通过辅助电源电压来监测输出电压从而实现输出过电压保护功能。

● 次级同步整流控制电路

T2、Dsc、Rsc和Qsc等组成次级同步整流的控制电路。T2为电流互感器，Qsc、Qsc1和Qsc2为普通的PNP、NPN三极管，电阻Rsc用于电流互感器磁芯复位。当次级回路有电流经整流MOSFET寄生二极管通过T2的原边时，T2的副边就会产生感应电压，此电压经Dsc整流后在Rsc1上产生一驱动电压再经Qsc、Qsc1和Qsc2电流放大后驱动整流MOSFET导通。由于准谐振电源是工作在非连续模式，所以控制电路一定是在整流MOSFET管漏极电流到零时才关断整流MOSFET管。这样整流MOSFET管的关断损耗几乎减小到零，这样大大提升了同步整流的效果。

● 次级整流输出滤波电路

在Qr、Co、Cp和Lp一起组成的12伏整流输出滤波电路中，MOSFET管Qr替代传统的肖特基二极管作整流用，因MOSFET管的导通损耗远小于肖特基二极管，从而提高了整个电源的转换效率，尤其在大电流输出时效率提升的效果更加明显。当然在大功率高输出电压的情况下，由于输出电流小，整流仍可选用快恢复二极管。而Co、Cp和Lp就构成了12伏直流输出的Л型滤波电路。Co、Cp的主要作用是平滑滤波。鉴于Co、Cp和Lp的等效串联电阻（ESR）直接影响输出电压的纹波电压大小，因此，要尽量选择低ESR值的电解电容和电感。

● 隔离电压反馈取样电路

IC2选用普通隔离光耦，如PC817。IC3为2.5伏基准电压源，提供12伏输出电压的参考电压，电阻R15、R16用来设定输出电压的大小，电阻R17提供IC2的工作电流。电阻R18为IC3提供直流偏置。

◆ 准谐振电源适配器的开关变压器设计要点

高频开关变压器是开关电源核心器件之一，其参数的设计直接影响到开关电源的许多性能。设计时须全面综合考虑开关电源各个方面因素。因准谐振电源只会工作在不连续模式，开关变压器电感量的设计应符合电源的最高工作频率和最低工作频率的要求。又因电源适配器的散热条件差，变压器磁芯的体积必须足够大，对于输出功为60瓦的电源适配器，变压器磁芯的体积须大于或等于PQ32/20磁芯。匝比的选择应结合需要的最大占空比、功率开关管和次级整流二极管的反向耐压值来考虑。

图３用NCP1337设计的一款60W电源适配器

用NCP1337设计的准谐振电源适配器的性能优点

综上所述，用NCP1337准谐振PWM控制器设计的电源适配器，由于它次级采用了整流同步电路和功率MOSFET开关管在漏极电压谷底开通，功率器上的损耗大大减小，所需散热片的体积也大大减小。即使是12伏5安低压大电流输出的电源适配器的效率也可保持86%以上。同时由于MOSFET开关管在漏极电压谷底开通和工作频率随直流供电电压的纹波而抖动，把电磁辐射干扰（EMI）也减至最少，从而简化了EMI电路和适配器内部的空间结构，节省EMI器件成本和组装成本。NCP1337独有的输入电压检测功能，既可容易实现输入电压的过欠压保护，又可提供过载补偿功能，可任意设定不随输入电压变化的恒定的过载功率。NCP1337还带有纹波模式的跳频技术，可实现无噪声的低待机功耗状态，60瓦电源适配器的待机能耗可降至0.5瓦以下。它与采用传通的硬开关PWM控制方式设计的电源适配器相比，不但各方面电气性能有显著提高，而且整机成本也有较大的优势。

结束语

NCP1337是一款被优化的新型准谐振控制器，用其设计的60瓦12伏5安电源适配器不仅能达到86%以上的高转换效率，同时也可实现低待机功率，符合CEC、美国能源之星及欧洲Code of Conduct（COC）等的要求。在待机模式下能耗小于0.5瓦，进一步节省电源（适配器大多数时间均处于待机模式）。这款设计针对要求高能效和小体积的电源适配器来讲是一款最优化的低成本高性价比的解决方案。可广泛应用于液晶电视和显示器、笔记本电脑、电池充电器和其他消费电子产品。

另外，德州仪器(TI)的UCC28600, 英飞凌(Infineon)的 ICE1QS01，飞利浦半导体(Philips Semiconductor)的TEA1532等PWM控制器与安森美的NCP1337有着类似的功效，且都有各自不同的特点。在设计准谐振电源适配器时可根据自己的产品要求灵活选择使用。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/19/2006)


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