基于NCP 芯片双开关正激式羊毛剪电源设计

李 帅， 杜吉龙， 刘振国

（北京机械工业自动化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

随着我国畜牧业的不断迅猛发展， 羊毛剪的需求不断增加， 羊毛剪及配套设备市场前景巨大。 但是目前市面上的羊毛剪供电设备在遇到环境恶劣的操作现场时，往往无法稳定可靠的工作， 导致电动羊毛剪无法正常工作甚至烧毁羊毛剪内部电机。 因此市面上亟需一款可以克服以上问题的供电电源。

为此笔者设计了此款开关电源，除了具有可靠性、安全性之外，它的优势还有：耗能小、效率高、体积小、成本低。 利用以上优势，实现了高效率、高可靠性、高精度、以及轻量便携的羊毛剪供电开关电源的需求。

1 系统结构

开关电源以开关变换器和核心元件， 将闭环自动控制用于稳定电压输出。 交流电压220V 经EMI 滤波电路及整流电路后，转换成高压直流；随后经由芯片NCP1252和大功率开关管组成的逆变电路，转换成高频率的脉冲电压；最后再将此高频方波经同步整流和滤波转换成稳定的具有较小纹波的目标电压36V。在输出端采集输出电压反馈，其值返回主控电路，实现调节控制电压输出，保护电路等功能；在同步整流后端采集瞬时电流反馈，其值返回主控电路，实现过流保护功能[1-5]。 总体结构框图见图1。

图1 总体结构框图

2 主要元器件参数计算

首先计算变压器在连续导电模式（CCM）下的匝数比N。 根据等式（1）可以推导出等式（2）：

3 电路设计与分析

3.1 主电路设计

EMI 滤波器：选取10mH 的共模电感，构成共模扼流圈LEMI。 其作用是当共模电流流过线圈时，形成的同干扰电流同向的磁场，其强阻尼反过来削弱该共模电流。

整流滤波电路：经过整流桥D1，以及滤波电容C3，将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，见图2。

图2 输入滤波整流电路

逆变执行电路：采用双开关正激方式。同磁芯复位技术相比，双开关正激更易于实现。 而且开关Q2 上的峰值电压等于输入电压，降低了开关所承受的电压应力。同时需要再增加一个MOSFET（Q1）和高端驱动器，以及高压低功率二极管（D3 和D4），参见图3。 双开关正激电源的工作原理，每个开关工作周期可以划分成3 步：首先开关功率管Q1，Q2 及肖特基二极管D1 导通。 二极管D2，D3及D4 关闭； 然后开关管Q1，Q2 及肖特基二极管D1 关闭。 而二极管D2、D3 及D4 导通； 最后开关管Q1，Q2 及肖特基二极管D1 仍然关闭，二极管D2 仍然导通。 而二极管D3 及D4 则关闭。 经过整流后的直流调制为高频方波，这是高频开关电源主电路的核心部分。

图3 逆变执行电路

3.2 基于NCP1252 芯片的控制电路设计

在电源启动瞬间，整流桥后生成的高直流电压BULK经过高阻值电阻直接给芯片NCP1252 的2 引脚供电，芯片启动，见图4。引脚3（CS）用来检测主电流大小，控制芯片调节引脚6（DRV）输出，且提供过流保护等功能。 引脚1（FB）直接连接到信号隔离光耦，而光耦的另一端是输出端36V 的分压比较电路。 引脚接收到来自输出端的电压反馈，用以控制芯片的引脚6（DRV）输出。 在电源正常启动后，辅助电源开始工作，之后为该芯片引脚7（VCC）做电源供电。 引脚6（DRV）是重要的输出引脚，用来驱动MOSFET 功率管。他经过三极管Q3，Q4 以及变压器T2 电路，生成两个同相同频同幅的信号HI 和LO。 这两个引脚的信号就是用来驱动Q1，Q2 两个功率管的。进而NCP1252芯片一方面通过控制功率管开关，改变其脉宽或脉频，使系统输出36V 达到稳定平衡；另一方面，提供控制电路对电源进行各种保护措施[6]。

图4 NCP1252 控制电路

3.3 反馈电路设计

反馈电路是采用精密稳压源TL431 和线性光耦构成的电压误差反馈电路，见图5，由R23，R24，R25，R26 决定输出电压的大小。当输出电压达不到36V 时，TL431 的稳压值下降，导致光耦的发光二极管一端电流增加，内部光增强，光耦另一端的电流也随之增强，反馈电压升高送到芯片NCP1252 的引脚1（FB），经过片内PWM 输出脉冲宽度增加，驱动占空比加大，于是输出电压升高，从而达到控制36V 电压稳定输出的目的，反之同理。

图5 输出反馈回路

4 本电源工作特性

4.1 故障保护设计

因为供电设备和负载工作在苛刻环境中， 易出现过载宕机等故障。 故在此开关电源中附加了各种保护电路（过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护）。当供电设备的相关保护电路检测到负载设备故障时， 其值反馈回主芯片。 进而终止核心控制芯片工作，输出会立即停止。 因此基于以上保护机制， 本开关电源产品不仅安全且稳定可靠。

4.2 宽电压输入设计

此开关电源有较宽的交流输入范围， 凡输入交流电压在85～265V 之间时，均可正常稳定地输出负载所需的直流电压。解决了山区牧区边区的电网电压波动不稳定，工作时易受干扰的问题。且同时满足了国际市场的需求，能在不同国家和地区不同的交流输入电压下， 依然能保障其正常工作。

4.3 高效低耗节能设计

本设计输出功率高，且效率高损耗小。当功率开关管工作在正常的开关状态下，不需要增加主动散热风扇，或大面积散热片。 拥有较高的功率因数，减少热能损耗，也使得内部的电子元器件能长时间保持在最佳的性能状态。 能充分满足现场操作使用。

5 样品图片及性能概览

样品的俯视图见图6。 样品调试结果如表1 所示，在室温及额定输入电压（220VAC）条件下，稳定输出36V，峰峰值纹波小于500mV。负载高于40%最大负载时，即负载功率达到50W 时，工作能效高于90%。

图6 样品俯视图

表1 开关电源样品调试结果

6 结束语

上述利用NCP1252 设计的开关电源电路结构简单、体积较小， 利用负反馈调节输出脉冲的占空比使得输出电压稳定且幅值可调，具有过流，过压，短路保护的功能，使得电源安全性大大提升， 电源还具有良好的纹波抑制效果。 除了在设计中应注意的过流保护，过压保护，还可以增加过热保护单元。在散热片表面固定温度开关，当达到85℃时便会断开辅助电源， 整个开关电源系统也会停止工作。

同时也要在设备生产环节当中要注意把控元器件的耐压值和精度，保证功率管同散热片的绝缘处理。做到这些开关电源才会在复杂多变的操作环境中更高效更可靠的工作。