基于NCP1351B的脑电采集仪的电源设计

2008-11-30 12:11:30来源: 现代电子技术 关键字:功耗  脉冲  负载  传输  输出  节能

  1 引 言

  随着全球能源危机的加深,人类节能环保意识不断加强,解决能源的浪费问题需求日趋迫切。世界各国制定相关电子电器产品的待机功耗要求。目前,欧洲委员会和欧洲消费电子制造商协会(EACEC)为消费品制定了法律,要求所有的电源产品的最大空载功耗不得大于0.3 W。

  传统的单端反激式电源采用经典的UC3843控制芯片。UC3843是一款脉宽调制型(PWM)芯片。他是固定开关频率,通过改变脉冲宽度来调节占空比。其缺点是受驱动脉冲传输延时的影响,负载变轻时,调节范同变窄。

  另外输出端一般要接假负载,以防止空载时输出电压升高。由于上述原因,采用UC3843控制的脑电采集仪电源的待机功耗偏大,无法满足现代的节能要求。

  安森美公司推出了绿色节能型芯片NCP13.1B,该芯片采用固定峰值电流技术(类似于固定Ton),本文采用该芯片设计的脑电采集仪电源通过降低空载时的工作频率,满足了待机低功耗的要求;输出端不接假负载,输出电压也不会升高,能够提供高稳压、高精度的电源。

  2 NCP1351B简介

  NCP1351B只需要极小的启动电流(≤20μA),工作功耗小。其完善的保护功能,可以用来设计多种用途的电源:如辅助电源;低待机功耗的脑电采集仪电源;电池充电器等。各管脚的功能简述如下:

FB:反馈输入端。流进该端的电流决定芯片的工作频率。

Ct:定时电容。定时电容容量决定无反馈电流时最大工作频率。

CS:电流检测端。接外部开关管的过电流检测电阻。

GND:地。

DRV:驱动脉冲输出端。接开关管的栅极。

Vcc:电源端。

LATCH:锁定输出端。当该端电压超过VLATCH(一般为5 V),将关闭驱动脉冲。

TIMER:定时器设置端。外接电容,将设置保护电路的动作时间。NCP1351B具有如下独特的特性:

  (1)类似固定导通时间(Ton),改变关断时间(Toff)的电流模式控制;

  (2)极低的启动电流;

  (3)峰值电流补偿,减小变压器的噪音;

  (4)可编程峰值电流检测电压,实现功耗的优化;

  (5)具有完善的保护功能,包括带滞后特性的欠电压保护(UVLO)、过电流保护(亦称过载保护,OPP)、过热保护(OTP)、输出短路保护、控制环路的开环保护等功能;

  (6)轻负载时,增加关断时间(Toff),满足低待机功耗的要求。

  3 NCP1351B的关键技术分析

  3.1待机工作模式

  NCP1351B的待机工作模式基于轻负载时,反馈电流将减小,改变定时电容Ct的充电电压,调节时钟比较器翻转的时间,从而改变工作频率。

  从NCP135 1B的反馈输入端FB端流进光藕传递过来的反馈电流。实际上,FB端相对控制地可以等效一个二极管DFB,受控电流源IFB从控制地流出,在RB偏置电阻产生一个负压降。此时,时钟发生器的比较基准电压值大约等于:

  在空载或短路时,IFB几乎接近于0,VCLOCK电压达到最高,定时电容的充放电时间将延长,时钟发生器的翻转周期(T)将减小(也就是工作频率增加)。

  在峰值电流控制模式下,空载时降低工作频率。工作频率会下降到人耳的可听频段,产生机械振荡,很容易发出音频噪音。NCP1351B通过固定峰值电流检测,在轻载时、频率下降,同时峰值电流大约只有最大峰值的30%,以免变压器发生机械振荡,产生音频噪音,维持良好的待机能耗表现。

  3.2负电流检测技术

  3.2.1 正电流检测技术的缺点

  传统的电流型控制芯片,一般采用正电流检测技术,这种检测技术有以下缺点:

  (1)无法调节峰值电流的检测电压,基准电压集成在控制芯片内部;

  (2)门电压等于驱动电压减去峰值电流检测电阻(Rsense)上的电压。

  如果VCC=7 V,假设满载,此时:

  (3)MOS管开通时(由于Ciss存在),在Rsense上会产生一尖峰电压,干扰控制环路,使电源稳定性降低。而负峰值电流检测技术可以解决上面问题。

  3.2.2 电路工作原理

  电路工作原理描述如下:

  (1)当VCS>Vth,电流误差放大器输出低电平,不动作。

  (2)当VCS

  在轻载时,ILp很小,VCS Roffset×ICS。ICS最大值为270μA,通过改变Roffset的阻值,可以减小VCS,调节负峰值电流的检测电压。由于控制地与MOS管的源极相连,所以门电压等于驱动电压。

  4 NCP1351B在脑电采集仪电源设计中的应用

  4.1 基于NCP1351B的脑电采集仪电源样机原理图

  脑电采集仪是医院中检测病人脑电图的常见的设备,由于病人的到来具有不确定性和间隔性,因此其待机工作时间长,这就要求电源在脑电采集仪空闲时自动进入待机工作模式,一旦开始工作时,迅速进入正常工作状态。要求电源动态响应快,能根据负载情况,自动切换。

  基于NCP1351B设计的“绿色节能”脑电采集仪电源样机原理图如图1,2所示。

  R1,R2是启动电阻,提供芯片的启动电流。

  电源第一次启动时,通过R1,R2和EC2,C8提供工作电源。电源启动后,辅助绕组给芯片供电。由于变压器漏感以及PCB板寄生参数的影响,MOS管关断时会产生很高的尖峰电压。R3,C2,D5组成一个简单的RCD钳位电路,防止M()S管击穿。R4,C5组成一个低通滤波器,有效抑制尖峰电流的干扰。U3(431)提供2.5 V的基准,与U2B构成输出级的电压反馈,通过U2A流过的电流在R上形成反馈电压,构成一个完整的闭环电路,使输出级电压恒定不变。

  4.2 实验结果分析

  在输入电压220 V时,空载功耗为180 mW;在输人电压100 V时,空载功耗为210 mW。

  实验波形如图3所示:

  经过测试,基于NCP1351B的脑电采集仪电源样品空载功耗小于300 mW,符合目前电源产品的最大空栽功耗不得大于0.3 W的要求。

  5 结 语

  本文利用NCP1351B芯片良好的待机能耗和完善的保护功能的优点,简化了脑电采集仪电源的外围电路设计,从而减小体积、降低成本

  实验结果表明基于NCP1351B的脑电采集仪电源的负载效应小、稳压精度高、输出峰峰杂音小,基本上满足现有各种电源的要求。

 

关键字:功耗  脉冲  负载  传输  输出  节能

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/1130/article_434.html
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