采用智能化数控机床的NCP1280工业电源优化方案

随着工业现代化日益进步，各种制造生产控制都采用智能管理模式，轻纺工业的自动印染纺织，发电厂的锅炉水位自动控制，重型机械厂的数控机床等，所有这些设备的CPU系统需要5V供电电源、电动机与继电器需要12V供电电源，还有其他各类控制系统，它们对电源的安全性、可靠性的要求非常高，还对电源的效率、功率因数、防干扰性能也有明确的要求。NCP1280是安森美公司于2006年推出的新产品。图5-20a是智能化数控机床电源控制原理图，NCP1653是有源功率因数校正主控芯片，NCP1027是待机电源主控芯片，NCP1280是有源钳位DC/DC功率转换控制芯片，另外还有四个具有精密稳压负反馈控制电路，组成智能的数控管理电路。

1.三种主控芯片的特点

1）NCP1653的特点。NCP1653工作于连续电流模式，升压型，担任功率因数校正。芯片具有固定输出电压模式，也可设计为跟随式输出电压模式，其工作频率都是100kHz。所谓跟随式为不受升压变压器电感量的影响，调整输出电压，工作在电流连续导通模式，有很强的驱动能力。

2）NCP1027的特点。它是电路待机电源，其功能是欠电压过电压检测锁定、过电流保护、对占空比的调制、精密5V基准供电电源以及双路输出控制等。芯片可以直接接入PFC之后，最高输入电压可达700V。

3）NCP1280的特点。它属于脱线电压控制型开关电源，并为电路提供了正激式拓扑驱动主功率及辅助驱动功率两种输出驱动方式，它工作在有源钳位状态下驱动二次同步整流或半桥开关电路，这种驱动方式可启动700V的高压，系统功耗大大降低，由NCP1280组成的电路具有欠电压、过电压、过电流等保护功能，还有软启动功能，是电路安全可靠运行有力的保障。

NCP1280片内设计了过电压、欠电压关断机构，它的过电压阀值为3.16V，欠电压阀值为1.52V。当输入电压超过预置过电压阀值时，状态功能启动，阻止进入运行。UV/OV（欠压/过压）外接有电阻到输入端，如超出范围，则软启动电容放电，输出立即禁止。若检测出欠电压状态，5V基准电压被禁止，当UV/OV离开，IC16脚的工作电压达11V时，软启动重新启动。UV/OV还可用于遥控功能。

调节前馈电压斜波幅度，用来改变开环电路调整率，它是将电路电压与斜波电压相比的斜率，调制脉宽占空比将对斜率调整，这样取代了反馈系统调节占空比的时间等待。图5-20b是引脚排列。

NCP1280片内设置有700V的高压启动电路，所以电路外部不需启动元件，当电路工作正常后由变压器辅助绕组供电，关闭高压启动，降低功耗。辅助供电是恒流电源，当1脚电压低于7V时，电路则关闭输出信号并对启动电路进行调节，这就是电压启动工作模式。

振荡器的最高工作频率可设置到500kHz，它是利用Rt与地之间接一个电阻来实现的。在Rt上产生的斜波与片内的电容进行振荡，Rt越大频率越高，Rt上的端电压达到2V。

NCP1280设置有两个过电流保护，一个是周期跨跃限流，另一个是逐个周期限流，当电流检测90ns后，电流限制立即动作，输出被禁止。若5脚的电压超过0.48V就是输出禁止，若5脚电压超过0.57V时变换器进入周期跨跃状态，这时软启动电容放电，变换器6脚决定的时间禁止。

NCP1280有两个输出控制out1和out2，高电平时out2优先，低电平时out1优先。一般out1控制开关功率管，out2反相控制同步整流，两个输出延迟时间是实现ZVS的关键。延时公式是

例如变换器工作频率400kHz，最大占空比80%则最大延迟时间为250ns。(www.xing528.com)

2.NCP1280电路工作原理

图5-20a，电路由C₁、C₂、L₁组成第一级低通滤波电路，C₂、L₂组成第二级低通滤波电路，两级串联抑制EMI宽带滤波。R₂、R₃、R₄、C₅、C₆组成电压检测电路，当检测电流超过5nA时，过功率电路启动，驱动占空比按检测电流大小缩小，以降低输入功率。电阻R₄是IC₁4脚输入电流的检测电阻，检测输入电流是为电路实施过电流保护、过功率限制和PFC占空比调节。当输入电流超过200μA时，过电流保护被启动。电容C₇有控制2脚的电压和软启动两种作用，2脚电压的高低将决定校正因数的大小。如果2脚电压为零，此时输出电压也是零，电路处在软启动状态。R₅、C₈是乘法器电压取样电路。如果电路增添一个电容，这时电路工作在连续模式（CCM），否则，工作在峰值电流模式。R₇、VD₃是PFC开关管加速电路，R₇的大小与转换效率和电磁干扰有一定的关系。晶体管VT₁和VT₂并联是为VT₁的快速导通和截止创造条件。R₈、C₁₃以及VD₂是MOSFET的反向吸收网路，R₈、C₁₃能提高VD₂的恢复时间。电解电容C₁₃是PFC的滤波电容。VD₁是预备充电二极管，避免因VT₁截止期间电路产生大的浪涌电流。图5-20b是NCP1280的引脚排列图。

图5-20 NCP1280工业电源电路及其引脚排列图

图5-20 NCP1280工业电源电路及其引脚排列图（续）

改变PFC输出电压高低与电路工作状态的是电阻R₁₀、R₁₂的作用，它们是反馈取样电阻，它们能改变输出电压与输出欠电压的变化。当反馈电流I_FB超过110%基准电流I_REF时，过电压保护OVP电路启动，停止驱动信号输出；当I_FB低于I_REF的10%时，电路关闭输出进入待机低消耗状态。由R₁₃、R₇₄～R₇₆、IC₇、VD₇、VT₃、C₉组成PFC输出阶梯控制电路，它的意义是若输入电压变化，PFC输出电压跟随改变，只改变PFC输出反馈电流I_FB，起到改变输出电压的目的。NCP1280电路设定输入电压为AC86～200V时，PFC输出电压为DC300V；当输入电压为AC180～265V时，PFC输出电压保持DC390V，输出电压阶梯控制点更精确，转换效率得到提高。工作原理如图5-20a所示。

待机电路由IC₂、TR₁、IC₄、IC₅、VD₆组成，为IC₁、IC₃提供电源。IC₂为电流控制模式，工作频率为65kHz，IC₂的启动电流低，具有短路保护与自动恢复功能、频率抖动功能，最大占空比为80%。为防止电路因输入电压低而输出功率超过额定值，特有R₁₈、R₁₉组成过功率保护电路。R₂₀，R₂₁以及VT₄组成过热保护电路。

VT₅～VT₇、IC₈、R₂₃～R₂₆、R₃₃～R₃₅、C₅₀组成ON/OFF控制电路。如果VT₇导通，光耦合器IC₈二极管发光，接收晶体管导通，使IC₂的1脚电压通过VT₅送到C₁₉两端，该电压送到IC₁、IC₃使PFC与PWM启动运行，起到开的作用。电压检测电路由R₈₁、R₄₅组成，R₈₀、R79是NCP1280的反馈电压比较电路，它把输入电压V_in的斜波电压与PFC的输出电压V_EA相比较，其差值由占空比进行调整。R₃₇是IC₃的振荡频率设定电阻。R₃₉是输出延时电阻，该电阻是实现ZVS的关键。TR₄、VD₇、R₄₂～R₄₄、C₃₆是过电流保护检测电路，TR₄是电流互感器，起着电流检测作用。VT₈、VT₉、C₃₇、R₄₇、R₈₃、VS₃、VT₁₂、VD₈、TR₂组成钳位电路，VT₁₃是驱动晶体管，TR₂是快速关断电路，C₃₇是隔直电容。当OUT₂输出正脉冲时，VT₈导通，经TR₂耦合，使VT₁₂截止，若OUT₂无脉冲输出时，VT₁₄截止。当VT₁₂导通时将VT₁₄栅极存储电压快速释放掉。R₄₈、C₄₀组成钳位放电电路。

VT₁₇、VT₁₉是5V输出的同步整流电路，R₅₃是VT₁₇的驱动电阻，R₅₉是VT₁₆的驱动电阻。VT₁₄导通时VT₁₇也导通，直接向负载输送电能。VT₁₇的驱动信号是通过R₅₃加到栅极的，VT₁₄截止，VT₁₇也截止，这时VT₁₉与L₇向负载提供电能，当VT₁₄截止时，L₇的电能极性相反。VS₆、VS₇是两只MOSFET的栅极稳压二极管，起着保护作用。

12V的输出电路与5V的输出电路相同，不再重复。VD₇、VS₁₀、VT₂₀、VD₂₀、VS₉组成输出电压反馈取样和过电压保护电路。当两组输出电压哪一组过电压时，VS₉或VS₁₀导通，促使VT₂₀导通，这时光耦合器IC₆发光二极管电流增加，也使IC₃的10脚电流增加，这样片内进入保护状态，进而关闭输出。