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用於電訊及醫療電源等應用的返馳/升壓穩壓器
 

【作者: 安森美半導體】   2014年10月17日 星期五

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如今,在電訊及網路等應用中,廣泛採用分佈式電源架構,使電源供應盡可能地貼近負載,從而為系統中的不同負載供電,並提供更高的可靠性、彈性及散熱性能。安森美半導體為這些應用提供寬廣範圍的分佈式電源方案,其中既包括隔離型方案,也包括非隔離方案。


本文重點介紹安森美半導體新推出的整合200 V功率電晶體和高壓啟動電路的隔離型返馳/升壓穩壓器NCP1032。NCP1032是小型化PWM開關穩壓器,用於返馳、順向或升壓類電壓轉換電路。此元件外部可調開關頻率,最高可到1 MHz,開關頻率可外同步。其他關鍵特性包括+/-1%的參考電壓精度、逐波限流點外部可調、可調的輸入欠壓和過壓保護、故障狀態下頻率回縮、整合電流取樣前沿消隱電路和過熱保護等。NCP1032非常適合於24 V/48 V電訊電源應用,也可用於醫療系統隔離電源、乙太網供電(PoE)、隔離型DC-DC轉換器次級端偏壓電源、獨立式低功率DC-DC轉換器、低功率偏壓電源、低功率升壓轉換器等應用。


NCP1032主要功能

1) 高壓啟動電路和動態自供電


NCP1032內部整合200 V電流源,當VDRAIN電壓上升超過16.3 V時,電流源開始輸出12.5 mA的電流,對Vcc上的電容充電,Vcc電容充到10.5 V時電流源關斷;當Vcc電壓降到7.55 V時內部電流源再開通對Vcc電容再次充電。Vcc電容上的電壓可以維持晶片正常工作;高壓啟動和動態自供電電路省去了外部輔助電源電路,節省了成本和面積。


在大多數情況下,用戶都希望降低晶片自供電產生的功耗,這可以通過從變壓器的輔助繞組上取電來解決。Vcc上升到10.5 V時,晶片可以正常啟動,只要輔助繞組上產生的電壓可以維持Vcc在7.55 V以上,就可以避免內部高壓電流源接通,從而降低功耗,這時晶片正常運行;在輸出短路或超載狀態下,Vcc有可能下降到6.95 V以下,這時功率管關斷,晶片會進入複位啟動模式,高壓電流源會開通對Vcc電容充電,Vcc上升到10.2 V時輸出會重新啟動。而在輸出超載時,Vcc在6.95 V以上時不會進入複位啟動模式。圖1是高壓啟動電路。



圖一 :  NCP1032的高壓啟動電路
圖一 : NCP1032的高壓啟動電路


啟動結束時,NCP1032會有1 V的過衝,如果想減小緩啟動結束時的過衝電壓,就要使COMP腳電壓從4.2V到穩態值之間的轉換時間盡可能縮短,也就是說要加快補償回應速度,見圖2。



圖二 :  NCP1032的過衝
圖二 : NCP1032的過衝


在較高頻率時,輸入功率會跟隨輸入電壓線性上升,這主要是因為NCP1032的限流前沿消隱電路(LEB)及傳播延遲會使晶片至少有100ns導通時間,在工作頻率比較高的情況下,100ns的工作週期時間有點大,會出現位移,輸入傳遞的功率也會比較大,造成高頻時的短路保護的功率有所增加。


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



圖三 :  限流設定
圖三 : 限流設定

2) 緩啟動


NCP1032內部整合的緩啟動電路可降低在啟動過程中,功率管上的電壓應力和變壓器上的峰值電流。當Vcc上升到10.5 V,欠壓保護釋放後,晶片進入緩啟動過程。在緩啟動過程中,COMP電壓被箝位在4.2 V,功率管的峰值電流從57 mA開始逐個週期增加,直到電流上升到限流設定點後、或COMP腳電壓下降到3.5 V時,輸出電壓進入修正階段。


在緩啟動過程中,如果在功率管電流上升到限流點之前,輸出電壓上升到穩定值,COMP腳電壓會下降3.5 V以下,則功率管電流不會上升到設定值。如果功率管電流上升到限流點後,輸出電壓還沒有上升到設定值,則功率管電流會限定在限流設定值,不會再增加。緩啟動時間和輸入電壓、負載大小和輸出電容容量相關,如圖4(左圖和右圖的時間刻度是不同的)。



圖四 :  緩啟動時間和輸入電壓、負載大小和輸出電容容量的關係
圖四 : 緩啟動時間和輸入電壓、負載大小和輸出電容容量的關係

3) 過壓(OV)和欠壓(UV)保護


NCP1032有過壓/欠壓管腳,用於輸入電壓的過壓/欠壓保護,管腳6電壓低於1 V或高於2.4 V時,NCP1032功率管會關閉,晶片通過內部高壓電流源進行動態自供電,直到過壓/欠壓釋放為止。欠壓保護和過壓保護分別有70mV和158mV的遲滯。NPC1032兩個版本中,NCP1032B只有欠壓,沒有過壓保護功能。圖5是過壓保護、欠壓保護的設定方法及工作方式。



圖五 :  過壓保護、欠壓保護的設定及工作
圖五 : 過壓保護、欠壓保護的設定及工作

4) 最大工作週期和頻率外同步


NCP1032內部振盪器設計可以支持最高1 MHz的工作頻率,工作頻率設定與外部電容CT設定同步,晶片內部產生電容充電的放電電流源,充電電流為172μA,放電電流為512μA,充放電時間比例為1:3,充電電壓峰值為3.5V,放電電壓谷點為3V。


在放電過程中,功率管是關閉的,因此該器件支持的最大工作週期被限制在75%以下。NCP1032支持頻率的外同步,CT設定的工作頻率要比同步頻率低25%,見圖6。



圖六 :  NCP1032最大工作週期和工作頻率
圖六 : NCP1032最大工作週期和工作頻率

5) 輸入電壓前饋

輸入電壓前饋使轉換器可以快速回應輸入電壓的變化,NCP1032通過CT腳也可以支持輸入電壓前饋功能,如圖7。前饋電阻的存在會改變最大工作週期和工作頻率。如果想將最大工作週期設定在固定值,RFF可以接固定電壓。



圖七 :  電壓前饋
圖七 : 電壓前饋

6) 最小工作週期可跳週期

NCP1032內部的PWM比較器和鎖存器延時時間在200 ns以內,如果工作週期小於200 ns,晶片會進入跳週期模式來保證輸出電壓穩定,但輸出電壓紋波可能會有增加。


NCP1032的典型應用

圖8顯示的是基於NCP1032的48 V到隔離式12 V/3 W偏壓電源電路。此電路通過輔助繞組供電,同時在輔助繞組上進行電壓取樣補償。NCP1032配置在返馳式拓撲結構中,並以不連續導電模式(DCM)工作,提供了一個低成本、高效率的解決方案。變壓器T1可採用CoilCraft B0226?EL,增加繞組可以支持多路隔離電壓輸出;CCT將開關頻率設置為約300 kHz。具體的設計過程可以參考安森美半導體的應用指導AND8119。由R3和R4組成的電阻分壓器設置欠壓鎖定閾值約為32 V。



圖八 :  48 V到隔離式12 V/3 W偏壓電源電路
圖八 : 48 V到隔離式12 V/3 W偏壓電源電路

在佈局建議方面,為了防止EMI問題,高頻開關的大電流銅線應進行最佳化。因此,功率電流路徑和電源地線,尤其是變壓器的走線連接(一次側和二次側)要使用短而寬的引線。圖9是最佳化的PCB佈局實例。



圖九 :  最佳化的PCB佈局實例
圖九 : 最佳化的PCB佈局實例

圖10是NCP1032的另一個典型應用——沒有輔助繞組的48 V 至 12.0 V DC?DC轉換器。



圖十 :  沒有輔助繞組的48 V 至 12.0 V DC?DC轉換器
圖十 : 沒有輔助繞組的48 V 至 12.0 V DC?DC轉換器


為了幫助用戶充分發揮NCP1032的優勢,安森美半導體還提供其他設計工具支持,包括NCP1032評估板、NCP103x設計表格、應用注釋AND8119,以及Pspice仿真模型。在這些工具的支持下,工程師可以簡化設計過程,加快各種輔助電源的上市時間。


總結

安森美半導體為解決二次側控制方案需要初級側啟動IC的問題,推出了整合200 V功率管和高壓啟動電路的返馳/升壓調整器NCP1032,它可以實現穩定可靠的二次側IC供電,廣泛用於PoE、-48 V通訊系統和太陽能逆變器等應用。


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