毕业设计（论文）电池充电装置设计.doc

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1、电池充电装置设计摘要：便携式电子产品的快度发展，促使电池的品种增加及性能提高，并且使可充电电池的产量大增，同时对充电器的要求也趋于效率高、体积小、成本低、重量轻并且安全实用。在比较了现有充电器的设计原理后课题设计采用安森美公司生产的低成本、低功耗开关电源控制芯片NCP1215设计电池充电装置的电源电路，输入200240V交流电压，输出6.5V直流电压，输出功率为7W；采用MAXIM公司生产的快速充电管理芯片MAX712设计电池充电电路。该电池充电装置能对5#镍氢/镍镉电池快速充电，并且在电池充电过程中利用电压变化对充电过程进行控制，防止电池过充电。关键词：电池；充电器；电源The Design

2、 Of Battery Charging Equipment Abstract：With the rapid development of portable electronic products, the variety of batteries increase fast, so does the improvement of quality. The output of the rechargeable batteries is enlarged also. Moreover, the requirement for the recharger is tend to be high ef

3、ficiency, small size, and low cost, light weight, safe and practical. In this paper, the current design principle of chargers is compared. Using the rapid-charging management chip MAX712 produced by MAXIM, the battery refresh circuit has been completed. And the low-cost and low-power switching power

4、 controller-NCP1215 made by Ansemi is adopted to design the power circuit. The input voltage of the device is AC 200-240V, the DC voltage output is 6.5V, and the DC power output is 7W. In addition, the device can recharge the #5 nickel-hydrogen/nickel-cadmium batteries quickly, and with controlling

5、the changeable power in the process of charging, the battery can be protected from the over-charging. key words：Battery , Chargers, Power Supply目 录第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 电池充电器11.1.2 开关电源21.2 课题的目的及意义3第2章 电池与充电42.1 充电电池相关知识42.2 电池充电的控制6第3章 电源原理与设计73.1 直流稳压电源73.1.1 整流电路73.1.2 滤波电路83.1.3 稳压电路93.2 集成稳压电源

6、103.3开关式稳压电源103.4开关式电源的控制芯片113.4.1 M51995A113.4.2 NCP1215123.5 电源的设计123.5.1 设计电源的思路123.5.2 NCP1215引脚图及功能133.5.3 NCP1215应用资料133.5.4NCP1215内部功能块143.5.5电源电路的计算18第4章 充电电路的选择和设计234.1 充电电路的选择234.2 充电电路控制芯片的选择234.2.1DS2712234.2.2MAX712244.3充电电路设计244.3.1MAX712的内部结构244.3.2MAX712的引脚及功能244.3.3充电控制方法264.3.4 充电器

7、电路计算27第5章 电路调试305.1 电源电路测试305.2 充电电路测试30结论32致谢33参考文献34第1章 绪 论1.1 课题背景1.1.1 电池充电器现代社会电池的使用范围已经由40年代的手电筒、收音机、汽车和摩托车的启动电源发展到今天上百种用途。小到从电子表手表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、儿童玩具等。大到从医院、宾馆、超市、电话交换机等场合的应急电源，电动工具、拖船、拖车、铲车、轮椅车、高尔夫球运动车、电动自行车、电动汽车、风力发电站用电池、导弹、潜艇和鱼雷等军用电池。还有可以满足各种特殊要求的专用电池等。电池已经成为人类社会必

8、不可少的便捷能源。电池(Batteries)，是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电能。电池最早诞生于1836年，1899年发明了镍镉电池，1901年发明了镍铁电池，进入20世纪以后，电池理论和技术处于一度停滞时期但在第二次世界大战之后，电池技术又进入了快速发展的时期首先是为了适应重负荷用途的需要，发展了碱性锌锰电池，1951年实现了镍镉电池的密封化，这是镍镉电池发展史上另一个重要的里程碑。在这种电池中，化学反应产生的各种气体不用排出，可以在电池内部化合。密封镍镉电池的研制成功，使镍镉电池的应用范围大大增加。镍镉电池在20世纪80年代得到了迅猛发展。我国的电池产业虽然起

9、步较晚，但发展很快。2005年，中国镍氢电池产量超过9.6亿只，2006年产量继续以超过15%的速度增长，达到11亿只左右。随着消费者和产业的环保意识增强，碱性一次电池和含有有毒金属镉等二次电池使用日益受到限制，可充电的镍氢电池和锂电池得到了广泛的使用1。充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，早期出现的充电器多为镍镉电池充电器，当镍氢电池逐渐替代镍镉电池后，充电器也主要以镍氢电池充电器为主。镍镉电池充电器大致可分为三类。第一类是简单的定时充电器，充电时间是固定的，时间一到，就自动停止充电。此类充电器不适合给镍氢电池充电，镍氢电池不会被完全充满电。第二类是所谓的“通宵”充电器，它的充电速率就非常

10、低。这类充电器能为镍氢电池充分充电，但是它必须花上很长的时间，使用很不方便。第三类疾速充电器，它给镍氢电池充电，不需要多余的电路，一旦电池充满后，充电停止。能在2个小时以内给电池充分充电的充电器，就称为疾速充电器，此类疾速充电器会使镍氢电池过度充电。在充电过程中，电池变得很热，那么这就是过度充电的征兆。在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升，当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时，若继续充电则电解液会起电解，并且在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，如此会在密封的电池内部造成内部压力上升，会对电池内部结构造成破坏。像这种现象称之为过度充电，过度充电会使电池的寿命缩短。所以，总的

11、来说专门为镍镉电池充电的充电器可以充镍氢电池但不适用2。1.1.2 开关电源开关电源自问世以来，显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。目前，它已成为开发国际通用的高效率中、小功率开关电源优选IC，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。（1） 开关电源的发展趋势电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源亦称为串联调整式稳压电源。其稳压性能好、输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。开关电

12、源SPS（Switching Power Supply）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品3。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源也称为无工频变压器电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础4。（2） 开关电源的发展历史开关电源已有了几十年的发展历史。早期的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。

13、20世纪60年代出现过晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。目前，开关频率已从几十千赫兹左右提高到几百千赫兹至几兆赫兹。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关管（MOSFET）、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）、瞬间电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（VSR）、熔断电阻器（FR）、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（TL431）、电磁

14、干扰滤波器(EMI Filter)、高导磁率磁性材料、由非晶合金的磁珠（magnetic bead）、三重绝缘线（Triple Inslated Wire）、玻璃珠（glass beads）胶合剂等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件5。1.2 课题的目的及意义目前，镍镉电池和镍氢电池充电器的价格一般都在几十元到几百元之间，但这个小小的充电器如果质量不过关的话，给用使用者带来的危害却不小。首先，劣质充电器由于配件质量不过关或电器性能不良，自身容易出现短路、过热烧毁等故障，轻则让用户损失充电器，重则会引起各种灾难性的危害如火灾等。其次，劣质充电器由于

15、输出电流不稳定或不符合规格，会引起电池过热、充电不完全等故障，轻则影响使用，减短电池使用寿命，重则会引起电池爆炸等危险。在比较了市面上几个充电器的基本设计之后，设计选用开关电源技术和集成电路芯片设计电池充电装置，期望达到安全、实用、快速充电的目的。课题的设计是一次很好的学习机会，独立思考能力和动手能力都在设计中得到锻炼。第2章 电池与充电2.1 充电电池相关知识（1）电池的容量电池的容量是指对电池放电，直到电压降到终止电压为止，在这期间所能取得的放电电荷量。若是在规定的电流和温度等标准放电条件下，对充满电的电池进行放电到放电终止，所得到的容量称之为额定容量（或标称容量）。容量的大小与其所消耗的

16、电极材料之活性物质的量有关，而标准放电条件则是依照电池种类的不同有所规定。容量是根据电池的放电反应来定义，而非充电反应来定义，因此我们常说的电池容量有多大，是指放电时可得到的累积放电电荷量有多少，而非充电时流进去的电荷量有多少。虽然理论上电池的额定容量很大，但实际上充满电后再放电时可得到的电量却往往小于理论容量，表示电池可储存的实际储存容量并没有那麼大，此实际容量相对于理论容量的比率称之为利用率。通常电池的放电电流越大，或者周遭温度降低时，利用率会减小。 （2）电池的容量估算电池的容量估算方式很多种，一般以 C=IT （2-1）的计算方式。电池的电压是随著放电时间的长短而逐渐降低的，要估算出比

17、较准确的放电容量，一般采用积分方式。从开始放电起到电压降至终止电压为止这段期间内，每一个时间点上的电压值换算成电流之后对时间积分起来，即可得到很准确的放电容量。 因为电池的放电曲线并非线性，所以想取得在每一时间点的电流变化的计算有困难，因此一般都是使用积分的近似估算方式，将时间细分成很多小时段，撷取每一个时段内某一参考点的电压值（或者该时段之平均电压值）来当作该时段的电压值，每一时段各自计算其放电容量，再将每一时段的容量加起来就成了放电容量的近似值。时段切割得越细估计越准确，但是要人工计算非常困难，因此只有具备微电脑处理能力的充电器才能做精密计算。 另一种比较简单但是误差较大的估算方式，是在放

18、电期间内任意选取几个适当的时间点（包括放电启始与终止），以梯形面积的计算公式来计算，求取每一个时间点之间的放电容量之后，将整个放电期间各放电容量加起来即可得到粗略的放电容量了。 （3）过度充电在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升，当电池储存的电量达到饱和，电极材料无法继续充电时，若继续充电则电解液会起电解，并且在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，如此会在密封的电池内部造成内部压力上升，会对电池内部结构造成破坏。像这种现象称之为过度充电。 为了避免过度充电电池遭毁损，通常将阴极之容量制作得比阳极容量大，当过度充电时阳极会先达到饱和并产生氧气，而阴极却未饱和而不会产生氢气，阳极产生的氧

19、气扩散到阴极之后会与充电产生的金属镉起化学反应吸收掉氧气，且此反应的速度与金属镉产生的速度平衡，因此可以有效地避免电池的压力上升。但是若充电电流过大（使用快充时）就会失去平衡，电池的内压过大会将电池的安全阀推开，氢气和氧气会泄漏到电池外部，直到压力降低安全阀关闭电池才又再密封起来，气体的泄漏已使得内部化学材料减少，造成电池寿命的缩短。 （4）过度放电镍镉电池的一大致命伤就是被过度放电，将放电终止电压设定在此状况下，不但没有电力可以推动负载，对电池寿命也会造成损害。而且一旦不慎让电压继续下降到几乎等於0V时，就算想终止放电把负载移走恐怕也来不及了，电池的电压无法再自动回升，一般的充电器也无法再把

20、电充进去，它的电压会一直固定住停留在0V。 （5）充电效率电池不可能充多少电量进去就能储存有多少电量，一定会有所耗损，除了阳极和阴极漏电间的绝缘体漏电之外，材料也不可能无瑕地储存所有电量。电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比，称之为充电效率。 通常电池厂商都是建议充电量必须为额定容量的1.5倍，才能将电池充饱。也就是说若以0.1C的电流充电需要充15小时，以3C的电流充电需要充半小时，虽理论填充量是额定容量的1.5倍，但实际填充量差不多刚好为额定容量。 （6）利用率虽然理论上电池的额定容量很大，但实际上充满电后再放电时可得到的电量却往往小于理论容量，表示电池可储存的实际储存容量并没

21、有那么大，此实际容量相对于理论容量的比率称之为利用率。通常电池的放电电流越大，或者周围温度降低时，利用率会减小。 （7）电池的内阻与电压电池是有内阻的电压源，可以视为是一个理想电压源（没有内阻）串联电阻输出。未接负载时电池两端测到的端电压就是理想电压源的电压，称之为开路电压，当电池外接负载时，负载与内阻串联接到理想电压源上，因此负载上所得到的分压也就是电池的端电压，会小于理想电压源的电压，称之为闭路电压。电池的内阻越高则负载可分得的电压就越小，因此理想的电池是没有内阻。2.2 电池充电的控制 （1）温度控制电池充到饱和时产生的氧气会在两极反应产生氧化热，电池的温度会开始快速上升，利用此现象测到

22、温度到达某程度时既结束充电。在同样的电量下充电电流越大此上升的温度也越高，因此若充电电流过大时，达到预定之温度时电池可能尚未饱和，若电流太小，则氧化吸收快，温度就不会明显上升，充电动作就会一直持续下去而不知终止。此外这种方式会受周围温度影响，无法判别电池的温度是内部自行产生的化学热，还是由周围环境引起的高温而误判，因此此方式在高温的环境下会充电不足而低温的环境会充电过度。 （2）电压控制当测到电池电压上升到设定的电压准位时就停止充电。这种方式是最简单的方式，只要根据电池特性知道电池的电压上升曲线，就可以将被测电压设为最接近充饱时的准位，不同款式的电池充电饱时的电压准位不大一样，新旧电池特性也不

23、一样，用此方法无法设定理想电压。第3章 电源原理与设计电池充电装置总共分为了两部分：（1） 电源部分。（2） 充电器部分。 电源按稳压对象可分为直流稳压电源和交流稳压电源。直流稳压电源输出电压为直流量，交流稳压电源输出为交流量，这两种电源都是用交流供电6。由于对电池充电需要的是直流电压，所以电源的输出电压应为直流，因此选用的电源为直流稳压电源。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。课题设计对电源的要求是:输入电压200V240V，输出电

24、压不小于7W。3.1 直流稳压电源3.1.1 整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中（1kW），常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式等整流电路。（1）单相半波整流单相半波整流电路是出现最早的也是最简单的整流电路，如图3-1，电路中只有一个二极管。当且仅当交流电正半周时，电路导通。负载R电压极性上正下负，只有半个周期15。图3-1 单相半波整流电路（2）单相桥式整流电路电路如图3-2所示，图R是要求直流供电的负载电阻，四支整流二极管D1D4接成电桥形式，故有桥式整流电路之称16。 图3-2

25、 单相桥式整流电路为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在交流电的正半周，电流从1端流出，只能经过二极管D1流向R，再由二极管D3流回2端，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在交流电的负半周，电流从2端流出，只能经过二极管D2流向R，再由二极管D4流1端，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过R时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同17。综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导通性，将四个二极管分为两组，根据交流电压的极性分别导通，将交流电压的正极端与负载电阻的上端相连，负极端与

26、负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。3.1.2 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及电容电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图3-3所示。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减少时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用18。滤波

27、电路又分为电容输入式（电容器C接在最前面，如图3-3中的a，c）和电感输入式（电感器L接在最前面，如图3-3中的b）。前一种滤波电路多用(a) C性滤波电路(b) 倒L型滤波电路(c) 型滤波电路图3-3 滤波电路的基本形式于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且电流很大时一般使用电感器与负载串联的方法）。3.1.3 稳压电路电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）和负载和温

28、度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出支流电压的稳定19。a、二极管稳压电路二极管稳压电路利用硅稳压二极管的稳压特性，实现直流工作电压的稳压输出。这种直流稳压电路的稳压特性一般，通常只用于稳定局部的直流电压，在整机电源电路中一般不用。b、串联调整管稳压电路这种稳压电路利用了三极管集电极与发射极之间阻抗随基极电流大小变化而变化的特性，对直流输出电压的进行调整，实现直流输出电压的稳定。在这种稳压电路中的三极管一直处于导通状态。c、开关型稳压电路这是一种高性能的直流稳压电路，稳压原理比较复杂。电路中的三极管处于导通、截止两

29、种状态的转换中，即工作在开关状态，所以名为开关型稳压电路。d、三端集成稳压电路这是一种集成的稳压电路，其功能是稳定输出直流电压。这种集成电路只有三根引脚，使用很方便，在许多场合都有着广泛应用20。3.2 集成稳压电源对于直流稳压电源，有以下二种选择：（1） 分离器件组成的直流稳压电源；（2） 集成稳压电源。集成稳压电源在近二十年发展很快，目前国内外以发展到几百个品种。集成稳压电源按电路的工作方式分，有线性集成稳压电源和开关式集成稳压电源；按电路结构形式分，有单片式集成稳压电源和组合式稳压集成电源；按管脚连接方式分，有三端式集成稳压电源和多端式集成稳压电源；按制造工艺分，有半导体集成稳压电源、薄

30、膜混合集成稳压电源和厚膜集成稳压电源21。3.3开关式稳压电源开关式稳压电源和串联反馈式稳压电路相比，电路增加了LC滤波电路以及产生固定波频率的三角波电压发生器和比较器组成的控制电路。在闭环情况下，电路能自动地调节输出电压。设在某一正常工作状态时，输出电压为某一预定值Vset，反馈电压VF=FVVset=VRET，比较放大器输出电压vA为零，比较器C输出脉冲电压vB的占空比q=50%。当输入电压VI增加致使输出电压VO增加时，VFVREF，比较放大起输出电压vA为负值，vA与固定频率三角波电压vT相比较，得到vB的波形，起占空比q50%，使输出电压下降到固定的稳压值Vset。同理，VI下降时，

31、VO也下降，VFVREF，vA为正值，vB的占空比q50%，输出电压VO上升到预定值。总之，当VI或负载R变化时，可自动调整脉冲波形的占空使输出电压维持恒定。为了提高开关稳压电源的效率，开关调整管应选取饱和压降VCES及穿透电流ICEO均小的功率BJT，而且为减小管耗，通常要求开关转换时间 （3-1）fk为开关转换频率，T为开关转换周期。开关调整管一般选用 （3-2）的高频率BJT。续流二极管D的选择也要考虑导通，截止和转换三部分的损耗，所以选用正向压降小，反向电流小及存储时间短的开关二极管，一般选用肖特基二极管。输出端滤波电容使用高频电解电容。开关稳压电源的控制电路一般用“电压-脉冲宽度调制

32、器（脉宽调制器）”。开关频率fk的选择对开关稳压器的性能影响也很大。fk越高，需要使用的L、C值越小。这样系统的尺寸和重量将会减小，成本随之降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加，使开关调整管的功耗增加，而效率降低。随着开关BJT、电容、电感材料及工艺性能的改进，fk可提高到15kHz到500kHz以上。3.4开关式电源的控制芯片3.4.1 M51995AM51995A是MITSBISHI公司推出的专门为AC/DC变换而设计的离线式开关电源初级PWM控制芯片。该芯片内置大容量图腾柱电路，可以直接驱动MOSFET。M51995A不仅具有高频振荡和快速输出能力，而且具有

33、快速响应的电流限制功能。它的另一大特点是过流时采用断续方式工作。芯片的主要特征如下：（1） 500kHz工作频率；（2） 输出电流达2A，输出上升时间60s，下降时间40s；（3） 起动电流小，典型值为90A；（4） 起动电压和关闭电压间压差大：起动电压为16V，关闭电压为10V；（5） 改进图腾柱输出方法，穿透电流小；（6） 过流保护采用断续方式工作；（7） 用逐脉冲方法快速限制电流；（8） 欠压、过压锁存电路。3.4.2 NCP1215NCP1215是安森美（Ansemi）公司生产的低功耗离线回扫开关模式电源供点（SMPS）控制器，具有体积小、重量小、成本约束低以及良好的低待机功耗等特点。

34、采用轻负载时缩短关闭时间来降低开关频率的工作原理。同时，当关闭时间延长时，峰值电流逐步降低到最大峰值电流的1/4左右，以避免激励变压器的机械谐振。这样既可以保持良好的待机功效又可以极大的消除噪声影响。内部低功耗电源功能块也可保证启动时的极低电流消耗，并且不会影响待机功耗性能。特殊的初级电流传感技术可以使SMPS开关模式对控制IC工作的影响最小。可以选择电流传感电阻的峰值电压，这样可以进一步降低消耗。负电流传感技术优于传统方式，采用这种技术可以避免传统MOSFET电源传感引发的压降。IC的驱动能力因而得到极大的改善。最后，大量的输入纹波保证了自然频率抖动，减少了电磁干扰（EMI）。NCP1215

35、特性： （1） 可变关闭时间控制方式； （2） 启动时极低的电流消耗； （3） 自然频率抖动用于改善电磁干扰； （4） 电流方式控制工作； （5） 峰值电流压缩可降低变压器噪声； （6） 可编程电流传感电阻峰值电压； （7）欠压闭锁。3.5 电源的设计3.5.1 设计电源的思路由于对电池充电需要的是直流电压，所以电源的输出电压应为直流，因此选用的电源为直流稳压电源。相对于分离器件稳压电源，集成稳压电源充分利用了其集成技术的优势，在线路结构和制造工艺上都采用了很多基本的模拟集成电路方法，尤其是采用开关式稳压直流电源。开关式稳压电源中的调整管工作在开关状态。由于管子饱和导通时管压降和截止时管子的电

36、流都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高80%90%，所以其体积小、重量轻，它的主要缺点是输出电压中含有纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件的要求较高。目前正寻求克服这些缺点的方法。但由于优点突出，已成为宇航、计算机、通信和功率较大电子设备中的主流，应用日趋广泛。设计决定选择开关式稳压电源。目前有很多公司生产开关电源集成芯片。安森美是全球高性能电源解决方案的首要供应商。它凭借强势的产品系列以及经验，丰富的支援和物流系统，已经成为全球计算机、通信、消费者和工业系统的设计人员的首选电源元件和系统供应商。NCP1215对电流模式SMPS进行控制，其关闭时间可变，取

37、决于输出功率需求。它的设计使其所需求的外部元件个数最小。NCP1215使用一项专利技术，可以消隐寄生尖峰信号。同时，将初级电流固定为最大值可以设置最大功率极限。因此，设计决定使用NCP1215做为开关电源的控制芯片。3.5.2 NCP1215引脚图及功能（1） NCP1215引脚图： 图3-4 NCP1215引脚图（2）NCP1215引脚功能表3-13.5.3 NCP1215应用资料NCP1215对电流模式SMPS进行控制，其关闭时间可变，取决于输出功率需求。从NCP1215的典型应用范围可知它的设计使其所需要的外部元件个数最小。NCP1215具有以下特点：（1） 频率返送：因为在功率需求降低

38、时间关断时间增加，开关频率在轻负载条表3-1 NCP1215引脚功能表SO-8符号 说 明 1FBFB引脚提供电压反馈环路。输入该引脚的电流决定初级开关关闭时间间隔。该引脚对初级电流的峰值也有影响。 2CT外部定时编程电容的连接端。 3CSCS引脚检测电源开关电流。 4GND初级与内部连接地。 5GATE外部功率MOSFET的输出驱动端。 6 VCC电源电压和欠压闭锁。 7NC未连接引脚。 8NC未连接引脚。件下自然会降低。这有助于使开关损耗最小并提供良好的待机功耗性能。 （2） 极低的启动电流：MAX公司专利内部电源块专用于在启动时使电流消耗极低。允许使用极高阻值的外部启动电阻，这样可以极大

39、地降低损耗、改善效率并最小化待机功耗。（3） 自然频率抖动：准固定Ton工作模式可改善EMI，因为开关频率随自然高纹波电压变化。 （4） 峰值电流压缩：随着负载逐步变轻，频率也下降而且可以进入音频范围。为避免激励变压器的机械谐振，因而产生噪声，NCP1215使用了一项专利技术，可令峰值电流随功率降低。对此，可使用廉价的变压器并且没有噪声问题。 （5） 负初级电流传感：通过检测总电流，此项技术在开关方式中不会修改MOSFET的驱动电压（Vgs）。而且，编程电阻与引脚电容构成一个残留噪声滤波器，可以隐寄生尖峰信号。同时，将初级电流固定为最大值可以设置最大功率极限。 （6）可编程初级电流传感：它提供

40、第二个峰值电流调整变量，可提高设计的灵活度。 （7） 次级或初级调节：反馈环路设置允许进行简单的次级或初级侧边调节，而且不会增加很多外部元件。3.5.4NCP1215内部功能块（1） 反馈环路控制：反馈环路功能块的主要任务是通过改变初级开关关闭时间间隔来控制SMPS的输出电压。他设置定时电容的峰值电压，这一峰值电压随输出功率要求而变化。图3-5是内部简单示意图。图3-5 反馈环路关闭时间控制在电流通过FB引脚时，检测电压反馈信号。反馈环路控制功能块的传输特性（输出电压到输入电压）见图3-6。VDD指内部稳定电源，而偏移值则在没有光耦合器电流条件下设置最大开关频率（例如，输出短路）。图3-6 F

41、B环路输出特性为了在轻负载条件下将开关频率保持在音频范围以上，FB引脚也爱一定范围内调节峰值初级电流。相应方框图见3-7。 图3-7 反馈环路电流传感控制由图3-8可知相应的电流传感调节特性。在负载变轻时，压缩电路降低峰值电流。这会稍稍增高开关频率但所选择的压缩比并不会影响待机功耗。（2） 关闭时间控制：环路信号与内部电流源一起通过外部电容控制关闭时间。如图3-8所示。图3-8 关闭时间控制在接通期间，Ct电容通过MOSFET开关放电。一旦闭锁输出变为低电平状态，流经Ct的电压由内部电流源产生，并开始斜升直达到反馈环路要求的门限为止。Ct引脚上可检测到的电压如图3-9所示。加粗了的波形显示了最

42、小关闭时间的最大输出功率。NCP1215允许的关闭时间为几秒钟。图3-9 引脚电压（3） 初级电流传感：图3-10是初级电流传感电路图。当初级开关接通时，电阻RCS。该电流产生电压VCS，VCS是相对于GND的负电压。因为连接到CS引脚的比较器要求一个正电压，流过电阻Rshift由电流源提供，该电流源对负电压VCS进行电平移动。电平移动电流的范围从12.5A到50A，这取决于反馈环路控制功能块信号。 图3-10 初级电流传感因此，峰值齿及电流等于 （3-3）典型的CS引脚电压波形见图3-11。图3-11也显示了不同的输出功率要求条件下传感器电流的效应。此初级电流传感方法与传统方法相比有以下优势

43、：a、 经过电流传感电阻的最大峰值电压可由移位电阻的阻值确定与优化。 图3-11 CS引脚电压b、CS引脚不受负向电压影响，而且会将寄生基底电流引入IC，使周围内部电路失真。c、门极驱动能力得到了改善，因为电流传感电阻位于门驱动器环路之外，不会影响接通于关断门极驱动幅度。（4）门驱动器：门驱动器含有一个CMOS缓冲器，用于直接驱动功率MOSFET。门驱动器具有不平衡流出与吸收能力以便在没有附加外部元件的条件下使接通与关断性能最优化。因为功率MOSFET在高漏极电流时关断，为了使关断损耗最小，门驱动器的吸收两增大以使关断更快。反之，在接通时流出两则较低以减缓功率MOSFET，降低EMI噪声。只要

44、IC电源电压低于欠压门限，门驱动器则为低，将门极拉低到地线。这样就不需要外部电阻。（5） 启动电路：外部启动电阻连接爱输入大容量电容器的高电位端与VCC电源电容之间。该电阻的值可由以下等式算出： （3-4）因为Vbulk电压明显高于Vstart-up，则等式可以化简为以下形式： （3-5） 启动电流可由以下等式算得： （3-6）3.5.5电源电路的计算电源适配器可以在200AVC到240AVC的输入电压范围内正常工作。大容量电容器的电压可由以下等式算出： （3-7） （3-8）要求输出功率不低于7W，假设效率为80%，则输入功率为： （3-9）最小输入电压条件下的平均输入电流值为： （3-10）对于600V额定MOSFET开关，适合的反射初级绕组电压为： （3-11）利用算得的回扫电压，则可得出最大占空比为： （3-12）由以下等式可确定峰值初级电流： （3-13）最小输入电压时，预计最大开关频率为68kHz。在最高输入电压条件下开关频率值可由： （3-14）这一频率小于136，因此预计频率可以进一步用于计算初级电感的值： （3-15）为变压器选择EE16内核。它具有Ae=20.0mm的横截面。N67磁体允许使用最大的工作磁通密度T。则初级绕组的圈数为： （3-16）变压器内核的AL因数也可算得： （3-17）若电源的输出电压为6.5V，且在考虑输出整流器的肖特基二极管的条件下，