基于NCP1351B腦電采集儀的電源設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的單端反激式電源采用經(jīng)典的UC3843控制芯片。UC3843是一款脈寬調(diào)制型(PWM)芯片。他是固定開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比。其缺點(diǎn)是受驅(qū)動(dòng)脈沖傳輸延時(shí)的影響，負(fù)載變輕時(shí)，調(diào)節(jié)范同變窄。

　　另外輸出端一般要接假負(fù)載，以防止空載時(shí)輸出電壓升高。由于上述原因，采用UC3843控制的腦電采集儀電源的待機(jī)功耗偏大，無(wú)法滿足現(xiàn)代的節(jié)能要求。

　　安森美公司推出了綠色節(jié)能型芯片NCP1351B，該芯片采用固定峰值電流技術(shù)(類(lèi)似于固定Ton)，本文采用該芯片設(shè)計(jì)的腦電采集儀電源通過(guò)降低空載時(shí)的工作頻率，滿足了待機(jī)低功耗的要求；輸出端不接假負(fù)載，輸出電壓也不會(huì)升高，能夠提供高穩(wěn)壓、高精度的電源。

　　2 NCP1351B簡(jiǎn)介

　　NCP1351B只需要極小的啟動(dòng)電流(≤20μA)，工作功耗小。其完善的保護(hù)功能，可以用來(lái)設(shè)計(jì)多種用途的電源：如輔助電源；低待機(jī)功耗的腦電采集儀電源；電池充電器等。各管腳的功能簡(jiǎn)述如下：

FB：反饋輸入端。流進(jìn)該端的電流決定芯片的工作頻率。

Ct：定時(shí)電容。定時(shí)電容容量決定無(wú)反饋電流時(shí)最大工作頻率。

CS：電流檢測(cè)端。接外部開(kāi)關(guān)管的過(guò)電流檢測(cè)電阻。

GND：地。

DRV：驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端。接開(kāi)關(guān)管的柵極。

Vcc：電源端。

LATCH：鎖定輸出端。當(dāng)該端電壓超過(guò)VLATCH(一般為5 V)，將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)脈沖。

TIMER：定時(shí)器設(shè)置端。外接電容，將設(shè)置保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間。NCP1351B具有如下獨(dú)特的特性：

　　(1)類(lèi)似固定導(dǎo)通時(shí)間(Ton)，改變關(guān)斷時(shí)間(Toff)的電流模式控制；

　　(2)極低的啟動(dòng)電流；

　　(3)峰值電流補(bǔ)償，減小變壓器的噪音；

　　(4)可編程峰值電流檢測(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化；

　　(5)具有完善的保護(hù)功能，包括帶滯后特性的欠電壓保護(hù)(UVLO)、過(guò)電流保護(hù)(亦稱(chēng)過(guò)載保護(hù)，OPP)、過(guò)熱保護(hù)(OTP)、輸出短路保護(hù)、控制環(huán)路的開(kāi)環(huán)保護(hù)等功能；

　　(6)輕負(fù)載時(shí)，增加關(guān)斷時(shí)間(Toff)，滿足低待機(jī)功耗的要求。

　　3 NCP1351B的關(guān)鍵技術(shù)分析

　　3.1待機(jī)工作模式

　　NCP1351B的待機(jī)工作模式基于輕負(fù)載時(shí)，反饋電流將減小，改變定時(shí)電容Ct的充電電壓，調(diào)節(jié)時(shí)鐘比較器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間，從而改變工作頻率。

　　從NCP135 1B的反饋輸入端FB端流進(jìn)光藕傳遞過(guò)來(lái)的反饋電流。實(shí)際上，F(xiàn)B端相對(duì)控制地可以等效一個(gè)二極管DFB，受控電流源IFB從控制地流出，在RB偏置電阻產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓降。此時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器的比較基準(zhǔn)電壓值大約等于：

　　在空載或短路時(shí)，IFB幾乎接近于0，VCLOCK電壓達(dá)到最高，定時(shí)電容的充放電時(shí)間將延長(zhǎng)，時(shí)鐘發(fā)生器的翻轉(zhuǎn)周期(T)將減小(也就是工作頻率增加)。

　　在峰值電流控制模式下，空載時(shí)降低工作頻率。工作頻率會(huì)下降到人耳的可聽(tīng)頻段，產(chǎn)生機(jī)械振蕩，很容易發(fā)出音頻噪音。NCP1351B通過(guò)固定峰值電流檢測(cè)，在輕載時(shí)、頻率下降，同時(shí)峰值電流大約只有最大峰值的30％，以免變壓器發(fā)生機(jī)械振蕩，產(chǎn)生音頻噪音，維持良好的待機(jī)能耗表現(xiàn)。

　　3.2負(fù)電流檢測(cè)技術(shù)

　　3.2.1 正電流檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的電流型控制芯片，一般采用正電流檢測(cè)技術(shù)，這種檢測(cè)技術(shù)有以下缺點(diǎn)：

　　(1)無(wú)法調(diào)節(jié)峰值電流的檢測(cè)電壓，基準(zhǔn)電壓集成在控制芯片內(nèi)部；

　　(2)門(mén)電壓等于驅(qū)動(dòng)電壓減去峰值電流檢測(cè)電阻(Rsense)上的電壓。

　　如果VCC=7 V，假設(shè)滿載，此時(shí)：

　　(3)MOS管開(kāi)通時(shí)(由于Ciss存在)，在Rsense上會(huì)產(chǎn)生一尖峰電壓，干擾控制環(huán)路，使電源穩(wěn)定性降低。而負(fù)峰值電流檢測(cè)技術(shù)可以解決上面問(wèn)題。

　　3.2.2 電路工作原理

　　電路工作原理描述如下：

　　(1)當(dāng)VCS>Vth，電流誤差放大器輸出低電平，不動(dòng)作。

　　(2)當(dāng)VCS

　　在輕載時(shí)，ILp很小，VCS Roffset×ICS。ICS最大值為270μA，通過(guò)改變Roffset的阻值，可以減小VCS，調(diào)節(jié)負(fù)峰值電流的檢測(cè)電壓。由于控制地與MOS管的源極相連，所以門(mén)電壓等于驅(qū)動(dòng)電壓。

　　4 NCP1351B在腦電采集儀電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　4.1 基于NCP1351B的腦電采集儀電源樣機(jī)原理圖

　　腦電采集儀是醫(yī)院中檢測(cè)病人腦電圖的常見(jiàn)的設(shè)備，由于病人的到來(lái)具有不確定性和間隔性，因此其待機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，這就要求電源在腦電采集儀空閑時(shí)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)工作模式，一旦開(kāi)始工作時(shí)，迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。要求電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能根據(jù)負(fù)載情況，自動(dòng)切換。

　　基于NCP1351B設(shè)計(jì)的“綠色節(jié)能”腦電采集儀電源樣機(jī)原理圖如圖1，2所示。

　　R1，R2是啟動(dòng)電阻，提供芯片的啟動(dòng)電流。

　　電源第一次啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)R1，R2和EC2，C8提供工作電源。電源啟動(dòng)后，輔助繞組給芯片供電。由于變壓器漏感以及PCB板寄生參數(shù)的影響，MOS管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓。R3，C2，D5組成一個(gè)簡(jiǎn)單的RCD鉗位電路，防止M()S管擊穿。R4，C5組成一個(gè)低通濾波器，有效抑制尖峰電流的干擾。U3(431)提供2.5 V的基準(zhǔn)，與U2B構(gòu)成輸出級(jí)的電壓反饋，通過(guò)U2A流過(guò)的電流在R上形成反饋電壓，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)電路，使輸出級(jí)電壓恒定不變。

　　4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　在輸入電壓220 V時(shí)，空載功耗為180 mW；在輸人電壓100 V時(shí)，空載功耗為210 mW。

　　實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示：

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于NCP1351B的腦電采集儀電源樣品空載功耗小于300 mW，符合目前電源產(chǎn)品的最大空栽功耗不得大于0.3 W的要求。

　　本文利用NCP1351B芯片良好的待機(jī)能耗和完善的保護(hù)功能的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了腦電采集儀電源的外圍電路設(shè)計(jì)，從而減小體積、降低成本。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于NCP1351B的腦電采集儀電源的負(fù)載效應(yīng)小、穩(wěn)壓精度高、輸出峰峰雜音小，基本上滿足現(xiàn)有各種電源的要求。