基于安森美半導(dǎo)體的反激/升壓穩(wěn)壓器電信及醫(yī)療電源應(yīng)用方案

如今，電信及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中廣泛采用分布式電源架構(gòu)，使電源供應(yīng)盡可能地貼近負(fù)載，從而為系統(tǒng)中的不同負(fù)載供電，并提供更高的可靠性、靈活性及散熱性能。安森美半導(dǎo)體為這些應(yīng)用提供寬廣范圍的分布式電源方案，其中既包括隔離型方案，也包括非隔離方案。

本文重點(diǎn)介紹安森美半導(dǎo)體新推出的集成200 V功率晶體管和高壓?jiǎn)?dòng)電路的隔離型反激/升壓穩(wěn)壓器NCP1032。NCP1032是小型化PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，用于反激、正激或升壓類電壓轉(zhuǎn)換電路。它集成了200 V功率MOSEFT管以及高壓?jiǎn)?dòng)電路；外部可調(diào)開關(guān)頻率最高可到1 MHz，開關(guān)頻率可外同步。其它關(guān)鍵特性包括+/-1%的參考電壓精度、逐波限流點(diǎn)外部可調(diào)、可調(diào)的輸入欠壓和過(guò)壓保護(hù)、故障狀態(tài)下頻率回縮、集成電流采樣前沿消隱電路和過(guò)熱保護(hù)等。NCP1032非常適合于24 V/48 V電信電源應(yīng)用，也可用于醫(yī)療系統(tǒng)隔離電源、以太網(wǎng)供電(PoE)、隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器次級(jí)端偏置電源、獨(dú)立式低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器、低功率偏置電源、低功率升壓轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。

NCP1032主要功能

1）高壓?jiǎn)?dòng)電路和動(dòng)態(tài)自供電

NCP1032內(nèi)部集成200 V電流源，當(dāng)VDRAIN電壓上升超過(guò)16.3 V時(shí)，電流源開始輸出12.5 mA的電流，對(duì)Vcc上的電容充電，Vcc電容充到10.5 V時(shí)電流源關(guān)斷；當(dāng)Vcc電壓降到7.55 V時(shí)內(nèi)部電流源再開通對(duì)Vcc電容再次充電。Vcc電容上的電壓可以維持芯片正常工作；高壓?jiǎn)?dòng)和動(dòng)態(tài)自供電電路省去了外部輔助電源電路，節(jié)省了成本和面積。

在大多數(shù)情況下，用戶都希望降低芯片自供電產(chǎn)生的功耗，這可以通過(guò)從變壓器的輔助繞組上取電來(lái)解決。Vcc上升到10.5 V時(shí)，芯片可以正常啟動(dòng)，只要輔助繞組上產(chǎn)生的電壓可以維持Vcc在7.55 V以上，就可以避免內(nèi)部高壓電流源接通，從而降低功耗，這時(shí)芯片正常運(yùn)行；在輸出短路或過(guò)載狀態(tài)下，Vcc有可能下降到6.95 V以下，這時(shí)功率管關(guān)斷，芯片會(huì)進(jìn)入復(fù)位啟動(dòng)模式，高壓電流源會(huì)開通對(duì)Vcc電容充電，Vcc上升到10.2 V時(shí)輸出會(huì)重新啟動(dòng)。而在輸出過(guò)載時(shí)，Vcc在6.95 V以上時(shí)不會(huì)進(jìn)入復(fù)位啟動(dòng)模式。圖1是高壓?jiǎn)?dòng)電路。

啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，NCP1032會(huì)有1 V的過(guò)沖，如果想減小軟啟動(dòng)結(jié)束時(shí)的過(guò)沖電壓，就要使COMP腳電壓從4.2V到穩(wěn)態(tài)值之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能縮短，也就是說(shuō)要加快補(bǔ)償響應(yīng)速度。

在較高頻率時(shí)，輸入功率會(huì)跟隨輸入電壓線性上升，這主要是因?yàn)镹CP1032的限流前沿消隱電路(LEB)及傳播延遲會(huì)使芯片至少有100ns導(dǎo)通時(shí)間，在工作頻率比較高的情況下，100ns的占空比時(shí)間有點(diǎn)大，會(huì)出現(xiàn)位移，輸入傳遞的功率也會(huì)比較大，造成高頻時(shí)的短路保護(hù)的功率有所增加。

NCP1032的限流設(shè)定包括前沿消隱電路，功率管的峰值電流用外部電阻進(jìn)行設(shè)定，圖3左邊是外部電阻設(shè)定電流值曲線。

2）軟啟動(dòng)

NCP1032內(nèi)部集成的軟啟動(dòng)電路可降低啟動(dòng)過(guò)程中功率管上的電壓應(yīng)力和變壓器上的峰值電流。當(dāng)Vcc上升到10.5 V，欠壓保護(hù)釋放后，芯片進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，COMP電壓被箝位在4.2 V，功率管的峰值電流從57 mA開始逐個(gè)周期增加，直到電流上升到限流設(shè)定點(diǎn)后或COMP腳電壓下降到3.5 V時(shí)，輸出電壓進(jìn)入修正階段。

在軟啟動(dòng)過(guò)程中，如果功率管電流上升到限流點(diǎn)之前輸出電壓上升到穩(wěn)定值，COMP腳電壓會(huì)下降3.5 V以下，則功率管電流不會(huì)上升到設(shè)定值。如果功率管電流上升到限流點(diǎn)后，輸出電壓還沒(méi)有上升到設(shè)定值，則功率管電流會(huì)限定在限流設(shè)定值，不會(huì)再增加。軟啟動(dòng)時(shí)間和輸入電壓、負(fù)載大小和輸出電容容量相關(guān)。

3）過(guò)壓(OV)和欠壓(UV)保護(hù)

NCP1032有過(guò)壓/欠壓管腳，用于輸入電壓的過(guò)壓/欠壓保護(hù)，管腳6電壓低于1 V或高于2.4 V時(shí)，NCP1032功率管會(huì)關(guān)斷，芯片通過(guò)內(nèi)部高壓電流源進(jìn)行動(dòng)態(tài)自供電，直到過(guò)壓/欠壓釋放為止。欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)分別有70mV和158mV的遲滯。NPC1032兩個(gè)版本中，NCP1032B只有欠壓，沒(méi)有過(guò)壓保護(hù)功能。圖5是過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)的設(shè)定方法及工作方式。

4）最大占空比和頻率外同步

NCP1032內(nèi)部振蕩器設(shè)計(jì)可以支持最高1 MHz的工作頻率，工作頻率設(shè)定與外部電容CT設(shè)定同步，芯片內(nèi)部產(chǎn)生電容充電的放電電流源，充電電流為172μA，放電電流為512μA,充放電時(shí)間比例為1：3，充電電壓峰值為3.5V，放電電壓谷值為3V。

在放電過(guò)程中，功率管是關(guān)斷的，因此該器件支持的最大占空比被限制在75%以下。NCP1032支持頻率的外同步，CT設(shè)定的工作頻率要比同步頻率低25%，見圖6。

5）輸入電壓前饋

輸入電壓前饋使轉(zhuǎn)換器可以快速響應(yīng)輸入電壓的變化，NCP1032通過(guò)CT腳也可以支持輸入電壓前饋功能，如圖7。前饋電阻的存在會(huì)改變最大占空比和工作頻率。如果想將最大占空比設(shè)定在固定值，RFF可以接固定電壓。

6）最小占空比可跳周期

NCP1032內(nèi)部的PWM比較器和鎖存器延時(shí)時(shí)間在200 ns以內(nèi)，如果占空比小于200 ns，芯片會(huì)進(jìn)入跳周期模式來(lái)保證輸出電壓穩(wěn)定，但輸出電壓紋波可能會(huì)有增加。

NCP1032的典型應(yīng)用

顯示的是基于NCP1032的48 V到隔離式12 V/3 W偏置電源電路。此電路通過(guò)輔助繞組供電，同時(shí)在輔助繞組上進(jìn)行電壓采樣補(bǔ)償。NCP1032配置在反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，并以不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）工作，提供了一個(gè)低成本、高效率的解決方案。變壓器T1可采用CoilCraft B0226EL，增加繞組可以支持多路隔離電壓輸出；CCT將開關(guān)頻率設(shè)置為約300 kHz。具體的設(shè)計(jì)過(guò)程可以參考安森美半導(dǎo)體的應(yīng)用指導(dǎo)AND8119。由R3和R4組成的電阻分壓器設(shè)置欠壓鎖定閾值約為32 V。如圖9所示，在12 V應(yīng)用中，在300 kHz不同輸入電壓條件下，NCP1032的輸出的效率是不同的。

在布局建議方面，為了防止EMI問(wèn)題，高頻開關(guān)的大電流銅線應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。因此，功率電流路徑和電源地線，尤其是變壓器的走線連接（以次側(cè)和二次側(cè)）要使用短而寬的引線。圖10是優(yōu)化的PCB布局實(shí)例。

為了幫助用戶充分發(fā)揮NCP1032的優(yōu)勢(shì)，安森美半導(dǎo)體還提供其它設(shè)計(jì)工具支持，包括NCP1032評(píng)估板、NCP103x設(shè)計(jì)表格、應(yīng)用指導(dǎo)AND8119，以及Pspice仿真模型。在這些工具的支持下，工程師可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，加快各種輔助電源的上市時(shí)間。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體為解決二次側(cè)控制方案需要初級(jí)側(cè)啟動(dòng)IC的問(wèn)題，推出了集成200 V功率管和高壓?jiǎn)?dòng)電路的反激/升壓調(diào)整器NCP1032，它可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的二次IC供電，廣泛用于PoE、-48 V通信系統(tǒng)和太陽(yáng)能逆變器等應(yīng)用。