NCP1000系列单片开关电源的原理与应用

　　美国安森美半导体(On Semicoductor，简称Onse－mi)公司在1998～2002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/T～NCP1002P/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TO－220或DIP－8封装形式，其内部框及工作原理。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2.7kΩ电阻，当光耦合器的误差电流反馈到此端后，经过2.7kΩ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TO－220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DIP－8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，振荡器还能输出占空比信号(Dmax)和时钟脉冲信号(CLK)。其开关频率被设定为100kHz，占空比为72％。在定时电容充电期间，它的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2.7kΩ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。当误差信号低于锯齿波信号的下限阈值时，功率开关管在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。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IS1＋IS2＝ID。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IS1≈ID。而流过S2的电流仅为IS2＝0.01IS1≈0.01ID。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URS＞US，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0.5～1.5A(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UCC＜7.5V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。该电源的输入电压范围是85～265V。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100mV。电路中共使用3片集成电路：IC1为NCP1000型单片开关电源，IC2可选用PC817A或NEC2501型线性光耦合器，IC3为TL431型可调式精密并联稳压器。R1为光耦开路故障保护电路中的限流电阻。R2和R3是电源输入电路中的限流电阻，可限制在通电时流过输入滤波电容的电流，有条件者可选用负温度系数的热敏电阻来进一步提高电源效率。

　　参考文献

[1]. NCP1000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/NCP1000_512759.html.
[2]. NCP1050 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/NCP1050_512734.html.
[3]. NCP1200 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/NCP1200_512633.html.
[4]. IS1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IS1_1943113.html.
[5]. 60Hz datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/60Hz_2517196.html.
[6]. PC817A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC817A_542407.html.
[7]. TL431 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL431_651177.html.

[8]．Onsemi公司产品手册，2001

[9]．沙占友，等．单片开关电源的进展．中国电源， 2000（12）