NCP1000系列.doc

NCP1000系列电源摘 要：NCP1000是美国安森美(Onsemi)半导体公司开发的一大批单片开关电源集成电路新产品系列中的一种，可用于为办公自动化设备、消费类产品及工业电子产品提供简单、经济的开关电源系统设计方案。文中介绍了 NCP1000单片开关电源的主要特点、工作原理及应用电路。 关键词：单片开关电源；低成本；低功耗；故障检测；NCP1000 美国安森美半导体(On Semicoductor，简称Onsemi)公司在19982002年间，相继推出了NCP1050系列、NCP1000系列和NCP1200型单片开关电源，从而为办公自动化设备、消费类及工业电子产品提供了一种简单而经济的电源系统设计方案。NCP1000系列单片开关电源包括 NCP1000P/TNCP1002P/T共6种型号，适用于制作100W以下的低成本、低功耗开关电源。1 NCP1000系列电源的主要特点 NCP1000系列开关电源是安森美(Onsemi)半导体公司2001年推出的新产品。与NCP1050系列相比，它具有以下显著特点：(1)内部包含启动电流源、门控振荡器、脉宽调制器、驱动门、功率开关管、故障逻辑与定时器以及多种保护电路。能对电源电压进行自动限幅。当反馈电路中的光耦合器发生开路故障时，能迅速关断输出，起到保护作用。一旦故障排除，系统可在8个UCC周期后重新启动电源。(2)属于脉宽调制式开关电源。其振荡器可输出最大占空比信号、时钟信号和锯齿波等三种信号。由于在控制端增加了7.0kHz的低通滤波器，因而能滤掉PWM比较器同相输入端的开关噪声。(3)对最小负载没有要求，允许在空载或轻载条件下使用该开关电源。 2 NCP1000的引脚功能 NCP1000系列单片开关电源采用TO220或DIP8封装形式，其内部框图及工作原理如图1所示。各引脚的功能如下：UCC：电源端，该端外接一只储能电容，通电后，电流源启动，对该电容进行充电。当电压超过7.5V时，启动电路将关闭，当开关电源正常工作后，改由反馈绕组提供UCC；C：控制端，该端在内部对地接有一只2.7k电阻，当光耦合器的误差电流反馈到此端后，经过2.7k电阻可转换成电压信号；另外，该端内部还有一只箝位用的10V稳压管，可保护芯片不受ESD损坏或防止出现过压现象；GND：公共地，采用TO220封装时，芯片的小散热片在内部与地连通，可通过螺钉孔外接散热器；而采用DIP8封装的芯片可直接焊在印制板上，它利用的是敷铜箔作散热器；Start：启动端，该端与直流输入高压UI相连，经过启动电流源给UCC端的储能电容充电，以启动开关电源；D：用于接功率开关管的漏极。3 NCP1000的工作原理NCP1000芯片内部主要包括振荡器、脉宽调制器与触发器、功率开关管及过流比较器、高压启动电路、UCC限幅器、欠压比较器、光耦开路比较器及过热保护电路。下面介绍各主要单元电路的工作原理。3.1振荡器NCP1000中的振荡器含有两个电压比较器，可分别用来设定上、下限阈值电压，定时电容在这两个阈值电压之间被反复地充、放电，以输出锯齿波信号(即斜坡电压RAMP)。与此同时，振荡器还能输出最大占空比信号(Dmax)和时钟脉冲信号(CLK)。其开关频率被设定为100kHz，最大占空比为72。在定时电容充电期间，它的最大占空比信号呈低电平，因而可使功率开关管关断。3.2脉宽调制器从控制端输入的代表误差电流的信号，首先通过内部2.7k电阻变成误差电压信号，再经过7.0kHz低通滤波器滤除开关噪声，然后加至PWM比较器的同相输入端，振荡器输出的锯齿波电压则加到反相输入端。PWM比较器将二者进行比较后产生脉宽调制信号，同时通过或门将触发器复位并将功率开关管关断。然后由时钟脉冲再把触发器置位，以使功率开关管导通，从而完成脉宽调制功能。这种利用时钟脉冲和锯齿波分别实现置位、复位的电路被称作双脉冲抑制逻辑电路，它能确保在一个时钟周期内使脉宽调制器只输出一个脉宽调制信号，其脉宽调制波形如图2所示。当误差信号低于锯齿波信号的下限阈值时，功率开关管在最大占空比的情况下输出。3.3功率开关管及过流比较器该系列产品中的功率开关管实际上是由两只场效应管串联而成的，一只是高压结型场效应管（JEET），另一只为低压MOS场效应管(MOSFET)。这两只管子构成了一种被称作“敏感场效应管(Sense FET)”的特殊电路。其中，高压JFET的漏极接芯片的第5脚(D)，栅极接地(GND)，源极则接到低压MOSFET的漏极上。由图1可见， MOSFET有上、下两个源极，分别用S1、S2表示。源极S1接地，用以提供从第5脚到地的电流通路，电流为IS1。源极S2上的电流IS2则流过检测电阻RS，由于IS1IS2ID。设计的S1与S2电极的面积比为100：1，因此绝大部分漏极电流都流经S1后接地，即IS1ID。而流过S2的电流仅为IS20.01IS10.01ID。这表明，实际流过检测电阻RS上的电流很小，仅为被测漏极电流的1/100，这样IS2在RS上的压降URS以及功耗PRS均可忽略不计。也就是说：利用SenseFET电路能够无功率损耗地实时检测出漏极大电流。它属于间接测量电流法，只需将IS2扩大100倍，即为ID值，这是其一大优点。相比之下，其它类型的开关电源，都是让漏极电流百分之百地通过检测电阻，这就必定增大输出级的功率损耗，因而会使电源效率降低。过流信号电压URS经过前沿闭锁电路后将加至电流极限比较器的同相输入端，然后由极限电流比较器去检测URS是否超过设定值US。只要URSUS，电路将立即使PWM触发器复位，以对功率输出级进行保护。检测时间是从功率开关管的漏极出现过流时开始，到管子被关断时为止。在高频变压器饱和期间，必须要求ID不超过规定的ILIMIT值。由于将高压功率开关管与控制电路集成在一起，因而可直接驱动高频变压器。当ILIMIT的大小为0.51.5A(视芯片型号而定)时，功率开关管能承受700V以下的高压。受功率开关管栅源电容、高频变压器绕组的分布电容以及高频整流管存在反向恢复时间(trr)等参数的影响，功率开关管每次导通都会在RS上形成一个尖峰电压，该电压将有可能使PWM触发器提前复位而影响开关电源的正常工作。为此，用电流极限比较器前级的前沿闭锁电路，可以将尖峰电压的前沿屏蔽掉，从而避免PWM触发器被提前复位。限流的传输时间典型值为220ns，这段时间是从功率开关管发生过流开始，直到关断为止。3.4高压启动电路在开关电源刚通电时，由于功率开关管等尚未工作而无正常输出，因此必须借助于启动电路来预先给芯片提供工作电压UCC。交流电压经整流后可从第4脚直接加到启动电路，并通过它为UCC端的储能电容C5进行充电。当UCC升至工作阈值电压8.5V时，系统将启动关断电路。3.5 UCC限幅与欠压保护反馈绕组输出电压经过VD6、C3整流滤波后可获得反馈电压UFB，然后可经过限流电阻R1加至UCC端。UCC限幅器的作用是将UCC限定在8.5V以内。当UCC7.5V时，欠压比较器就将输出关断，然后经过8个UCC周期后，又尝试重新启动开关电源，这意味着在欠压故障被排除后，开关电源很快就能恢复正常工作。3.6光耦开路故障检测及保护电路当电路正常工作时，通过限流电阻R1的电流(IFB)被分成两路，一路流过光耦合器中的三极管，另一路流过UCC限幅器。一旦光耦反馈电路出现开路故障而使三极管截止，IFB就将全部流过UCC限幅器。与此同时，UO和UFB也会明显升高，从而使得IFB进一步增大。当IFB达到10mA时，光耦开路比较器输出低电平而使功率开关管关断。另外，由于该保护电路中使用了8分频器，因此，也可以在8个UCC周期后重新启动开关电源。4 NCP1000的典型应用 由NCP1000构成的5V/1A精密开关电源电路如图3所示。该电源的输入电压范围是85265V。它对50Hz或60Hz的电网频率均适用。其电压调整率为0.12，负载调整率为 0.16，输出功率为5W，输出纹波电压的峰峰值为100