多路输出开关电源设计

王杰

摘 要：安森美半导体公司的NCP1252是一款电流模式PWM控制器，它使用内部固定的定时器，可以不依赖于辅助电压来检测输出过载。文章介绍了基于NCP1252芯片的多路输出开关电源设计，分析了开关电源的工作原理，给出了设计步骤。该开关电源可提供软起动、短路保护、过流保护等功能，并将该电源成功用于某型雷达收发机，验证了分析、设计的有效性。

关键词：NCP1252芯片；多路输出；开关电源

中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0086-02

Abstract： The ON Semiconductor's NCP1252 is a current-mode PWM controller that uses internally fixed timers to detect output overload without relying on auxiliary voltages. This paper introduces the design of multi-output switching power supply based on NCP1252 chip， analyzes the working principle of switch power supply， and gives the design steps. The switching power supply can provide soft start， short circuit protection， over-current protection and so on. The power supply has been successfully used in a certain type of radar transceiver， which verifies the effectiveness of the analysis and design.

Keywords： NCP1252 chip； multiplex output； switching power supply

引言

电源如同人的心脏，为各种电子设备提供电能，性能优劣直接影响到整个电子系统的稳定性。目前常用的直流稳压电源根据调整管的工作状态分为线性电源和开关电源两大类，线性电源应用较早，电路简单，元器件少，但随着输出功率的增加，工频变压器的体积不断增大，而且，其效率低、散热难；开关电源的功率器件工作在高频开关状态，自身功耗小，转化效率高，此外开关电源还具有体积小、重量轻、稳压范围宽等优点，其不足之处就是电路复杂，对变压器要求很高。由于开关电源优越的性能，势必将得到越来越广泛的应用。

本文围绕NCP1252芯片设计了一种多路输出开关电源，并应用在某型号导航雷达的收发机内，效率高，稳定性好。

1 NCP1252内部结构与功能特点

NCP1252是一款应用于正激和反激式的电流模式PWM控制器，适合于计算机ATX电源、交流适配器及其它任何要求低待机能耗的应用。它集成固定的定时器，可在不依赖辅助电源时检测输出过载；具有跳周期模式，能够空载工作。此外还可调节开关频率，增强设计的灵活性；带有闩锁过流保护功能，能够承受暂时的过载。其它特性包括可调节软启动时长、内部斜坡补偿、自恢复输入欠压检测等。

2 实际应用电路设计

NCP1252构成直流隔离式多路输出开关电源框图如图1所示，输入直流20～36V，三路输出，分别是直流24V、±12V，且每路输出精度小于5%。

直流电输入经过滤波后直接连接高频变压器。开关电源芯片是整个电源的核心，接收反馈信号，及时调整开关管的开关状态，使输出电压稳定。图2是该多路输出电源实现方案。

其中，EMI电路针对来自输入电源的干扰，降低电磁干扰，采用由L1、C1、C2以及CY1、CY2构成典型的Π型滤波器。C1、C2用来滤除输入电源处的差模干扰，称其为X电容，此处取1μF；CY1、CY2是用来滤除共模干扰，称为Y电容，在这里选用1nF的陶瓷电容。另外，电感L1也是用来消除电路中产生的共模噪声干扰，又叫共模扼流圈。这里采用双线并绕的16mH的共模电感。

当开关管关断时，由于变压器漏感的影响，高频变压器的初级绕组上会产生反射电压和尖峰电压，如果没有保护，将直接施加在开关管的漏极上，极易使其烧坏，加入由R4、C6、D6组成的RCD钳位电路来保护芯片。

3 高频变压器设计

高频变压器具有变压、电气隔离、磁耦合传递能量等作用，是开关电源中的重要部分。高频变压器的设计是设计开关电源的关键，下面具体给出高频变压器的设计方法。

3.1 磁芯材料的选择

磁芯是高频变压器重要组成部分，设计时正确合理地选择磁芯材料、参数等，对变压器的使用性能和可靠性有着重要的作用。高频变压器的磁芯只工作在磁滞回线的第一象限内，在开关管导通时储存能量，在关断的时向负载传递能量。开关电源常用的磁芯材料由复合氧化物烧结制成的软磁铁氧体。开关电源的高频变压器，可采用PQ系列的磁芯，最终选用型号为PQ32/30磁芯，材质则为PC44，该磁芯有效截面面积为161mm2。

3.2 初级线圈电感量的计算

本次设计的开关电源要求开关频率为50kHz，最大占空比为0.5，效率为0.9，输出功率为50W，输入最低电压为20V，最高输入电压为36V。高频变压器初级线圈的电感值可由式（1）来确定

式中：Udcmin-输入最低电压；Dmax-最大占空比；f-开关频率；Ip-峰值电流。

將Udcmin=20V，最大占空比Dmax=0.5，峰值电流Ip=11.1A，开关频率50kHz，代入式（1）中，计算得到L1=18μH。

3.3 计算初级线圈匝数

高频变压器初级线圈匝数N1：

将Bm=510mT，Ae=1.61cm2，带入式（2），得到N1=24.33，取25匝。

3.4 计算次级线圈匝数

初级线圈的匝数确定之后，根据式（3）可计算次级线圈的匝数：

其中，Uo为输出电压，UD为次级整流二极管正向导通时的管压降。24V输出采用的是STPS30150CT快恢复二极管，管压降取0.75V，可算出24V输出绕组需要的线圈匝数为N2=30.9，取31匝。+12V输出使用的是MBR20100CT肖特基二极管，管压降取0.95V，带入计算得N3=31.2，取32匝。对于-12V输出，匝数则是24V输出线圈匝数的一半，取16匝。

4 关键部分设计

整个电源系统中几处关键部分，下面给出具体设计：

（1）开关频率设定。NCP1252是固定频率控制器，但它也可灵活调节开关频率。该芯片的4脚处接一个电阻就可设定开关频率在50～500kHz。本设计的开关频率为50kHz，于是

由式（4）可得R17=85.8kΩ。

（2）电压反馈电路。为了保证稳定输出直流电压，取两个输出电压24V和+12V作为反馈电压。系统正常工作时，两路输出电压分别经过R21、R22和R25分压与TL431的基准电压2.5V比较，构成误差比较器，经过光耦PC817中发光二极管的工作电流发生线性变化，光电耦合器输出电流，控制芯片的1脚进而控制占空比。（3）欠压保护电路。NCP1252的2脚通过电阻R3的电压来判断直流输入电压是否降低到芯片不能正常工作的电压。当2脚检测到电压低于1V时，会触发芯片自动关机。（4）过流保护电路。NCP1252的3脚和R19来监测初级线圈的电流以达到过流保护的目的。R19为功率限制输出电阻，减小R19阻值就可以增大输出功率。

5 实验结果

根据以上的设计方法，设计出一种基于NCP1252的多路输出开关电源，并将开关电源的样机与直流电子负载仪连接来测试电源的输入特性和输出特性，各路输出电压纹波最大值不超过0.2V，过流保护和短路保护均能保护电源并切断输出电压，确保整个设备系统的安全。另外将样机在某型号导航雷达收发机内进行了实际应用实验，效果良好。

6 结束语

NCP1252是一款多功能集成的PWM控制芯片。基于该芯片设计的这款开关电源样机与基于其他芯片设计的开关电源相比，具有很好的负载调整率、低功耗特性以及各种保护性能，确保整个系统的可靠性，并在实际应用中表现良好。

参考文献：

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]NCP1252 data sheet[DB/OL].http：//onsemi.com.

[4]安美森半導体.双开关正激转换器及其应用设计[J].电源世界，2010，8.