基于NCP1014的5W电源适配器设计

1 引言

电源适配器是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备, 随着蜂窝电话、笔记本电脑等便携式设备用户的迅速增加，低压小功率电源适配器应用越来越广泛。研究人员和商家不断推出成本更低、体积更小、重量更轻、效率更高的电源设计方案和产品[1]。为进一步提高电源性能，采用安森美完全电流模式控制器NCP1014，并根据反激变压器连续、不连续两种工作模式的特点，采用临界电流法设计了反激变压器，最大限度兼顾了两种模式下变压器的性能。设计的5W恒流恒压（CCCV）电源系统具有动态自供电、故障自检测、间歇模式无音频噪声、宽电压模式高效运行、低成本等优点，并利用OrCAD/PSpice 10.5做了电源系统的仿真，针对系统瞬态分析不收敛情况[2]，进行了相关设置，仿真结果与实测和理论分析的结果相符。

2  基于NCP1014的5W CCCV电源适配器电路分析

2.1 5W CCCV电源系统电路图

NCP101X系列是安森美生产的固定频率（65khz -100khz -130khz）电流模式控制器，并内置一个700V的MOSFET，采用PDIP-7或SOT-223封装，具有软启动、跳周期、动态自供给等优点，可提供低成本电源所需要的一切。本文采用NCP1014ST100T3（四引脚，固定输出频率100khz）[3]，可以由安森美网站得到仿真模型。整流模块采用D2SB60，反激变压器采用系统自带的XFRM_LINER代替反激变压器，光电耦合器采用PS2501，稳压二极管采用D1N5229，在PSPICE 10.5中建立5W CCCV电源系统，电路图如图1所示。

图1  5W CCCV电源系统电路图

2.2工作原理

输入交流电压有效值范围为（100~250）VAC，经D1整流、C1-A、C1-B、L1组成的滤波器滤波后变成直流电压，R1为限制浪涌电流电阻，直流电压经过NCP1014内置MOSFET斩波、反激变压器变压后，在次级得到高频矩形波电压，最后通过次级侧D3、C4、D4整流、滤波、稳压，在输出端得到所需的直流电压[4]。直流输出电压经采样电路、光电耦合器PS2501反馈到NCP1014的FB引脚，控制器自动调节输出脉冲，使得电源系统在各个状态下都处于高效、稳定模式[5]。              

当电源启动后，NCP1014通过内置偏置电流源给C4电容充电，一旦VC4达到VCCoff (典型值8.5V)时，电流源关断，通过输出级传输脉冲，激活内置MOSFET。当C4的电压下降到VCCon（典型值7.5V）时，内部电流源被激活，电压上拉到8.5V。正常状态下电压VCC在7.5V和8.5V之间波动，C4的典型值为10μF。 

当检测电路检测到轻载时，NCP1014会自动调节输出脉冲，跳过不需要的转换周期，这极大的降低了轻载时的功耗。

当电路出现故障（如光耦短路或损坏）时，电路会进入故障模式，NCP1014将停止输出脉冲，电压VCC保持在4.7V到8.5V之间波动，直到电路恢复正常后，电路尝试新的启动。

2.3 反激变压器设计

反激式开关电源变压器有不完全能量传输、完全能量传输两种工作模式。输入电网电压或输出电流的大范围变化，必然导致变压器跨越连续与不连续两种工作状态。因此，在设计变压器时，关键是使其在两种状态下都能高效、稳定工作[6,7,8]。本文中采用临界电流状态法设计反激变压器，使其在两种状态下都有良好的性能。

图2 电流连续模式变压器初级、次级电流波形：(a)初级电流波形；(b)次级电流波形

图中Irp、Irs为初级、次级脉动电流，Ipp、Ips为初级、次级峰值电流，Ton、Toff*是开关管的导通、截止时间。连续和临界状态下满足式（1）。

Ton + Toff*=1          式（1）

在不考虑损耗时，变压器始终满足式（2）。            

Us∙Is =Iavg∙Udc         式（2）

假设输出功率不变时，初级电压Udc增加，初级平均电流Iavg就会减小，Irp与Ipp也会相应的减小。当Irp刚好到零时，变压器进入临界模式。Udc继续增加时，电路进入不连续状态，Ton、Toff*满足式（3）。

Ton + Toff*＜1       式（3）

由上面的讨论可以这样设计变压器，使变压器在特定电压下达到临界状态，低于此电压时变压器进入连续模式，高于此电压，变压器进入不连续状态。这样就可以最大限度的兼顾两种模式下变压器的性能[9]。

本文中变压器应满足以下参数：交流输入电压Uin=（100~250）VAC或Udc=（140~350）VDC，效率η=0.80 ，输出电压Uo=5.1V，输出电流Io=1A，操作频率Fsw=100kHz，最大占空比Dmax=0.4，变压器次级电压Us=Uo+Uf=9V，Uf为次级压降，设定二次侧电压在200V时达到临界状态，即次级侧计算电流Is=0.7A。

变压器的结构参数设计如下。 

（1）变压器磁芯利用以下关系式设计：Wa∙Ae=Po∙104/K∙J∙B∙F≈0.045cm4。式中：K为窗口利用系数，反激变压器取0.3；

J为电流密度，取300A/㎝2；

B为操作磁感应强度，取0.22T ； 

F为操作频率，取100kHz。

选用E_16_8_5铁心：Wa∙Ae=726mm4，Ae=19.3mm2，有效磁路长度MPL=37.6mm，磁导率μ=2300。

（2）变压器匝比：N=( Udc∙Dmax)/[ Us∙(1－Dmax)] ≈10。

（3）变压器初级、次级电感[9]：Ips=2∙ Is /(1－Dmax) ≈2.3A，Ls=Us∙(1－Dmax)∙T/Ips≈23.48μH，Lp≈2.348mH 

（4）变压器初级、次级匝数：Np= 134，Ns≈13。

（5）气隙长度：Lg=(0.4∙π∙N p2 ∙Ae∙10－8/Lp)－MPL/μ≈0.015cm， 式中Ae单位：㎝2；MPL单位：㎝ 。                

3 电源系统仿真   

仿真之前，为使系统更好的收敛作如下设置[10]：

图3 仿真收敛设置

仿真时间设为60ms，变压器初级电感Lp=2.34mH，次级电感Ls=0.0234mH，耦合系数COUPLING=0.99。图4为120VAC、75%负载情况下，实测MOSFET漏极波形和仿真波形的比较，图5为220VAC、80％负载下VCC电压和负载电压、电流波形，图6为变压器在不连续、临界、连续三种状态下初级电流的扫描波形，仿真波形与理论分析、实测波形相符。相信随着模型精度越来越高，仿真结果也会越来越精确。

图4  120VAC 75%负载下MOSFET漏极波形 ：（a）实测波形；（b）仿真波形

图5  80%负载下VCC电压和负载电压、电流波形           图6 变压器三种状态次级电流图形

4 结束语

自给式单片转换器NCP1014可以实现电源系统的高效、稳定运行，采用临界电流法设计的5W CCCV电源适配器满足设计要求，反激变压器在两种模式下性能稳定，正常工作下负载电压纹波小于0.05V，电流纹波小于0.015A，效率达80％以上，可以为低成本电源适配器的设计提供参考。利用OrCAD/PSpice 10.5对电源系统进行了仿真，并针对瞬态分析不收敛情况进行了设置，仿真结果与理论值、实测值相符，为电源系统设计提供很好的依据，OrCAD/PSpice可以应用到电源的设计中。

参考文献

    [1] 曹丰文,邓　焰,何湘宁.低压小功率电源适配器的设计与研究[J].电视技术,2001,6:55-59.

    [2] 王辅春,刘明山,迟海涛,等.从实例中学习OrCAD[M].北京:机械工业出版社,2006. 

    [3] NCP1014数据手册[M].武汉信息技术有限公司.武汉：2006.

    [4] 吴国平,杨仁刚,杜海江.一种基于NCP1014的反激式开关电源设计研究[J].电力电子技术,2010,44(1):78-80.

    [5] 席　惠,马立华.基于NCP1014芯片的开关电源设计[J].上海应用技术学院学报,2007,7(2):91-93

    [6] 徐强，董威，田俊杰，等.反激式开关电源变压器的设计[J].中国测试,2009,35(3):74-77.

    [7] 伦克著;王正仕,张军明译.实用开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社,2006.4.

    [8] 陈永真,孟丽囡.高效率开关电源设计与制作[M].北京:中国电力出版社,2008.

    [9] 靳文汇,范蟠果,闫少雄,等.一种反激式开关电源变压器改进设计方法研究[J].电力电子技术,2009,43(1):62-63.

    [10] 王辅春.电子电路CAD与OrCAD教程[M].北京:机械工业出版社,2004.7.

    作者简介

    高发亮（1984-），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向：高效率功率变换■