基于NCP1337准谐振电源的分析和设计
0 引言
随着全球业界对电源效率的要求越来越高，包括ATX电源、消费类电子产品等在内的电源需要更高的节能要求。传统的电源设计都工作在固定频率模式下，从而使得功率管在高压接通，关断过程中功率管上消耗的瞬时功率较大，同时还会引起一定的电磁干扰。而准谐振技术和软跳周期技术正好能解决这个问题，安森美公司的NCPl337控制器就是用于准谐振式开关电源的优秀代表。
1 准谐振原理
准谐振变换的原理是降低拓扑中电源开关的导通损耗，一般的反激式开关电源其MOSFET开通／关断时间固定，工作在固定频率。如图1所示，我们可以看到在磁复位的过程中，由于变压器电感和功率管上寄生电容存在，使得开关管上的压降存在振荡。但是可以发现电压振荡曲线中的A点，就是MOSFET漏源电压的第一个最小值(或称谷值)，如果我们在这个时候让MOSFET管开通，那么导通的电流尖峰将会最小。在某些条件下，甚至可以获得零电压开关(ZVS)。通过调节改变电源的工作频率来进行，不管当时负载或线路电压是多少，MOSFET始终保持在谷底的时候导通。与反激式转换器的不连续工作模式及连续工作模式相比，准谐振开关提供的导通损耗更低，因此能够提高效率和降低器件温度。
2 NCPl337简介
NCPl337是一款增强型的准谐振脉冲宽度调制电流模式控制器，它结合了真正的电流模式调制器与去磁检测器，确保电源在任何负载条件下均能工作在不连续的导电模式。它集成了组建严格可靠的开关电源(SMPS)所有必要的元件和功能。图2是管脚排布图。
其主要特性：
1)自由运行的边界／临界模式，准谐振控制；
2)最小开关频率(25 kHz)跳周期模式；
3)独立于辅助电压的自恢复短路保护；
4)内置两种外部失效模式触发比较器(禁止和锁定)；
5)内置4．0ms的软启动；
6)500mA峰值电流驱动能力；
7)最高工作频率130kHz；
8)内部前端消隐，内部过温保护；
9)12～10V问的动态自供电技术(DSS)。
在NCPl337中有两个重要特征，其一、用软跳周期技术来控制峰值电流并去除一些开关脉冲，从而控制开关损耗，进而实现空载、轻载状态下的卓越高效性能。并能在变压器进入跳周期工作时有效去除噪声。其二、为了保证任何时候都能在谷底值开通，实现准谐振工作方式，使用了无线圈去磁检测技术。
2．1 软跳周期技术
在轻载下或待机工作模式时，NCPl337进入软跳周期模式：当FB设置点比最大峰值电流低20%时(Ucs在100mV)，输出脉冲停止。当FB回路强制设置点高于25％(Ucs在130mV)时，开关转换又重新开始，而且每次启动都内部软化，即软启动，使得频率不会低于25kHz，当这种情况出现在低峰值电流、软启动、TOFF被钳位时，即使采用低成本的变压器也能无噪声工作。如图3所示。
2．2 无线圈去磁检测技术
为了得到准谐振工作模式，最佳点应对应于漏极电压的“谷点”，同时这也对应于总漏极电容的最低能量存储点。安森美半导体的特定功率MOSFET驱动器，混合MOS与双极机制检测负门电流，使负门电流不通过底端传导，而通过正VCC电压的路径传导。这样，检测到的电流会从VCC通过很简单的补偿机制流向门极，形成了有源负电压钳位。因此，负门电流能转化为便于处理的正电流。随后，简单的比较器可检测零电流门极交叉，进而提供“谷点”信号。因此不需要变压器辅助绕组电压等任何外部信号就能自动检测功率开关管漏极的谷底电压，使电路设计更为简单。
3 15V／60W电源设计实例
本文利用NCPl337设计的准谐振开关电源，是使用在工业平缝机控制器中的电源部分，代替传统的线性电源，由于其体积小，可以节省空间，输出电压比较稳定，因为工业电网其电压波动很大，在使用变压器时输出电压波动大，控制可靠性下降，而开关电源则对输入波形要求不高，输入电压变化使得输出电压影响不大。其技术要求为：交流输入电压90～265V，直流输出电压15V。电路原理图如图4所示，这里将电源输入电路部分简化，只用Uin代表交流电整流后输入的直流电，而次级绕组输出为15V直流电，其最大功率可达60W。由图可以看到，此开关电源部分外围元件很少，并且没有外接谐振电容，使得设计更加简单、方便。下面对其中的电路做简要的说明：
1)尖峰电压吸收电路
VD2、C4和R17组成尖峰电压吸收电路，起主要作用是用来吸收MOSFET功率开关管在关断时产生的上升沿尖峰电压能量，减少尖峰电压幅值，防止功率开关管过压击穿。
2)输入欠压电压保护和过载补偿电路
芯片所特有的输入电压监测功能，通过R1、R2、R3、C2检测输入电压来实现输入过欠压保护，电阻R4用来设定过载补偿的深度。
3)辅助电源电路
NCPl337虽然有内部自供电系统，但是为了驱动大电流MOSFET，仍需要增加辅助电源。VD3、R9、C6、VD5、VT2和VD1构成了辅助供电电路。
4)次级整流滤波电路
由于没有严格的EMI要求，这里只简单的使用了VD4和C7作为整流控制电路，并使用C8，C9和L1组成15伏整流滤波电路。
5)隔离电压反馈取样电路
U2、U3、R12、_R13、R14、C5、R15、和R16等组成次级电压反馈电路，电阻R15、R16来设定电压大小，具体值为2．5×(1+R15/R16)。
6)其它器件
R7、R8、R10和R11组成MOSFET驱动和电流采样电路，VT1为2．5安900伏高压MOSFET功率开关管，U1为NCPl337准谐振PWM控制器。T1为PQ32／20铁氧体磁芯高频功率开关变压器。C9为安规Y1电容。
7)实验结果
根据上面的原理图，制作实际的开关电源，并对不同负载情况进行分析研究，波形图由图5、图6和图7显示。图5是空载运行图，可以看出芯片工作在软跳周期模式，而且启动都内部软化，即软启动运行。图6是20W负载波形图，其开关频率为124kHz，图7是30W负载波形图，其开关频率为127kHz。对比发现，当负载变化时，其开关频率也相应变化，谐振次数减小了，但是开关都能在谷底值开通，使得电源工作在准谐振模式。这样开关电源的导通损耗将会减小，减小EMI干扰。
4 结束语
通过对NCPl337的研究使用，表明采用准谐振技术的开关损耗、待机功率等方面都很突出，可以实现高效，低功耗，低成本等中小功率电源设计要求。
随着全球业界对电源效率的要求越来越高，包括ATX电源、消费类电子产品等在内的电源需要更高的节能要求。传统的电源设计都工作在固定频率模式下，从而使得功率管在高压接通，关断过程中功率管上消耗的瞬时功率较大，同时还会引起一定的电磁干扰。而准谐振技术和软跳周期技术正好能解决这个问题，安森美公司的NCPl337控制器就是用于准谐振式开关电源的优秀代表。
1 准谐振原理
准谐振变换的原理是降低拓扑中电源开关的导通损耗，一般的反激式开关电源其MOSFET开通／关断时间固定，工作在固定频率。如图1所示，我们可以看到在磁复位的过程中，由于变压器电感和功率管上寄生电容存在，使得开关管上的压降存在振荡。但是可以发现电压振荡曲线中的A点，就是MOSFET漏源电压的第一个最小值(或称谷值)，如果我们在这个时候让MOSFET管开通，那么导通的电流尖峰将会最小。在某些条件下，甚至可以获得零电压开关(ZVS)。通过调节改变电源的工作频率来进行，不管当时负载或线路电压是多少，MOSFET始终保持在谷底的时候导通。与反激式转换器的不连续工作模式及连续工作模式相比，准谐振开关提供的导通损耗更低，因此能够提高效率和降低器件温度。
2 NCPl337简介
NCPl337是一款增强型的准谐振脉冲宽度调制电流模式控制器，它结合了真正的电流模式调制器与去磁检测器，确保电源在任何负载条件下均能工作在不连续的导电模式。它集成了组建严格可靠的开关电源(SMPS)所有必要的元件和功能。图2是管脚排布图。
其主要特性：
1)自由运行的边界／临界模式，准谐振控制；
2)最小开关频率(25 kHz)跳周期模式；
3)独立于辅助电压的自恢复短路保护；
4)内置两种外部失效模式触发比较器(禁止和锁定)；
5)内置4．0ms的软启动；
6)500mA峰值电流驱动能力；
7)最高工作频率130kHz；
8)内部前端消隐，内部过温保护；
9)12～10V问的动态自供电技术(DSS)。
在NCPl337中有两个重要特征，其一、用软跳周期技术来控制峰值电流并去除一些开关脉冲，从而控制开关损耗，进而实现空载、轻载状态下的卓越高效性能。并能在变压器进入跳周期工作时有效去除噪声。其二、为了保证任何时候都能在谷底值开通，实现准谐振工作方式，使用了无线圈去磁检测技术。
2．1 软跳周期技术
在轻载下或待机工作模式时，NCPl337进入软跳周期模式：当FB设置点比最大峰值电流低20%时(Ucs在100mV)，输出脉冲停止。当FB回路强制设置点高于25％(Ucs在130mV)时，开关转换又重新开始，而且每次启动都内部软化，即软启动，使得频率不会低于25kHz，当这种情况出现在低峰值电流、软启动、TOFF被钳位时，即使采用低成本的变压器也能无噪声工作。如图3所示。
2．2 无线圈去磁检测技术
为了得到准谐振工作模式，最佳点应对应于漏极电压的“谷点”，同时这也对应于总漏极电容的最低能量存储点。安森美半导体的特定功率MOSFET驱动器，混合MOS与双极机制检测负门电流，使负门电流不通过底端传导，而通过正VCC电压的路径传导。这样，检测到的电流会从VCC通过很简单的补偿机制流向门极，形成了有源负电压钳位。因此，负门电流能转化为便于处理的正电流。随后，简单的比较器可检测零电流门极交叉，进而提供“谷点”信号。因此不需要变压器辅助绕组电压等任何外部信号就能自动检测功率开关管漏极的谷底电压，使电路设计更为简单。
3 15V／60W电源设计实例
本文利用NCPl337设计的准谐振开关电源，是使用在工业平缝机控制器中的电源部分，代替传统的线性电源，由于其体积小，可以节省空间，输出电压比较稳定，因为工业电网其电压波动很大，在使用变压器时输出电压波动大，控制可靠性下降，而开关电源则对输入波形要求不高，输入电压变化使得输出电压影响不大。其技术要求为：交流输入电压90～265V，直流输出电压15V。电路原理图如图4所示，这里将电源输入电路部分简化，只用Uin代表交流电整流后输入的直流电，而次级绕组输出为15V直流电，其最大功率可达60W。由图可以看到，此开关电源部分外围元件很少，并且没有外接谐振电容，使得设计更加简单、方便。下面对其中的电路做简要的说明：
1)尖峰电压吸收电路
VD2、C4和R17组成尖峰电压吸收电路，起主要作用是用来吸收MOSFET功率开关管在关断时产生的上升沿尖峰电压能量，减少尖峰电压幅值，防止功率开关管过压击穿。
2)输入欠压电压保护和过载补偿电路
芯片所特有的输入电压监测功能，通过R1、R2、R3、C2检测输入电压来实现输入过欠压保护，电阻R4用来设定过载补偿的深度。
3)辅助电源电路
NCPl337虽然有内部自供电系统，但是为了驱动大电流MOSFET，仍需要增加辅助电源。VD3、R9、C6、VD5、VT2和VD1构成了辅助供电电路。
4)次级整流滤波电路
由于没有严格的EMI要求，这里只简单的使用了VD4和C7作为整流控制电路，并使用C8，C9和L1组成15伏整流滤波电路。
5)隔离电压反馈取样电路
U2、U3、R12、_R13、R14、C5、R15、和R16等组成次级电压反馈电路，电阻R15、R16来设定电压大小，具体值为2．5×(1+R15/R16)。
6)其它器件
R7、R8、R10和R11组成MOSFET驱动和电流采样电路，VT1为2．5安900伏高压MOSFET功率开关管，U1为NCPl337准谐振PWM控制器。T1为PQ32／20铁氧体磁芯高频功率开关变压器。C9为安规Y1电容。
7)实验结果
根据上面的原理图，制作实际的开关电源，并对不同负载情况进行分析研究，波形图由图5、图6和图7显示。图5是空载运行图，可以看出芯片工作在软跳周期模式，而且启动都内部软化，即软启动运行。图6是20W负载波形图，其开关频率为124kHz，图7是30W负载波形图，其开关频率为127kHz。对比发现，当负载变化时，其开关频率也相应变化，谐振次数减小了，但是开关都能在谷底值开通，使得电源工作在准谐振模式。这样开关电源的导通损耗将会减小，减小EMI干扰。
4 结束语
通过对NCPl337的研究使用，表明采用准谐振技术的开关损耗、待机功率等方面都很突出，可以实现高效，低功耗，低成本等中小功率电源设计要求。