基于ＮＣＰ１３５１Ｂ的腦電采集儀的電源設計與研究
2008-04-12 00:00:00胡葉容吳朋周建芳羅曉曙
現代電子技術 2008年8期
摘 要：NCP1351B是一款新型低功耗、離線式電流模式控制芯片。該芯片保護功能完善，同時具有良好的待機能耗。對芯片的2個重要特性待機工作模式和負電流檢測技術進行研究和分析；利用這2個特性設計腦電采集儀的電源。實際生活中要求腦電采集儀在空閑時自動進入待機工作模式，一旦開始工作時，迅速進入正常工作狀態，這就要求電源有良好的待機能耗。實驗結果表明，基于NCP1351B的腦電采集儀電源的帶負載能力強、穩定性好、輸出峰峰雜音小，同時具有很低的待機能耗，達到了節能目的。
關鍵詞：NCP131B；待機工作模式；負電流檢測技術；腦電采集儀
中圖分類號：TN41;TP33文獻標識碼：A文章編號：1004-373X(2008)08-022-03
Research and Design of the EEG Acquisition Instrument Printer Power
[JZ]Supply Based on NCP1351B
HU Yerong1，WU Peng2，ZHOU Jianfang1，LUO Xiaoshu1
(1.College of Physics and Electronic Engineering，Guangxi Normal University，Guilin，541004，China;
[JZ]2.Wuhan Nentron Technologies Co.Ltd.，Wuhan，430035，China)
Abstract：The NCP1351B is a new currentmode controller with low power consumption.This chip has perfect protection function and low power consumption.Two important features (standy operation mode and the negative sensing technique) are introduced.Finally，a power supply for EEG acquisition instrument based on NCP1351B is presented.In real life，it requires EEG acquisition instrument can switch to a standy operation mode during idle time automatically，once start to work，it can go back into normal working state quickly.so powerefficient is desired.Testified by the experiment，this power supply with NCP1351B for EEG acquisition instrument has strong load capacity，outstanding reliability and small noise.It consumes less power and reduces energy loss.
Keywords：NCP1351B;standy operation mode;negative sensing technique;EEG acquisition instrument
1 引 言
隨著全球能源危機的加深，人類節能環保意識不斷加強，解決能源的浪費問題需求日趨迫切。世界各國制定相關電子電器產品的待機功耗要求。目前，歐洲委員會和歐洲消費電子制造商協會（EACEC）為消費品制定了法律，要求所有的電源產品的最大空栽功耗不得大于0.3 W。
傳統的單端反激式電源采用經典的UC3843控制芯片。UC3843是一款脈寬調制型（PWM）芯片。他是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調節占空比。其缺點是受驅動脈沖傳輸延時的影響，負載變輕時，調節范圍變窄[12]。
另外輸出端一般要接假負載，以防止空載時輸出電壓升高。由于上述原因，采用UC3843控制的腦電采集儀電源的待機功耗偏大，無法滿足現代的節能要求。
安森美公司推出了綠色節能型芯片NCP1351B，該芯片采用固定峰值電流技術（類似于固定Ton），本文采用該芯片設計的腦電采集儀電源通過降低空載時的工作頻率，滿足了待機低功耗的要求；輸出端不接假負載，輸出電壓也不會升高，能夠提供高穩壓、高精度的電源。
2 NCP1351B簡介
NCP1351B只需要極小的啟動電流（≤20 μA），工作功耗小。其完善的保護功能，可以用來設計多種用途的電源：如輔助電源；低待機功耗的腦電采集儀電源；電池充電器等。各管腳的功能簡述如下：
FB：反饋輸入端。流進該端的電流決定芯片的工作頻率。
Ct：定時電容。定時電容容量決定無反饋電流時最大工作頻率。
CS:電流檢測端。接外部開關管的過電流檢測電阻。
GND：地。
DRV：驅動脈沖輸出端。接開關管的柵極。
Vcc：電源端。
LATCH：鎖定輸出端。當該端電壓超過VLATCH(一般為5 V)，將關閉驅動脈沖。
TIMER：定時器設置端。外接電容，將設置保護電路的動作時間。NCP1351B具有如下獨特的特性：
(1) 類似固定導通時間（Ton），改變關斷時間（Toff）的電流模式控制;
(2) 極低的啟動電流;
(3) 峰值電流補償，減小變壓器的噪音;
(4) 可編程峰值電流檢測電壓，實現功耗的優化;
(5) 具有完善的保護功能，包括帶滯后特性的欠電壓保護（UVLO）、過電流保護（亦稱過載保護，OPP）、過熱保護（OTP）、輸出短路保護、控制環路的開環保護等功能;
(6) 輕負載時，增加關斷時間（Toff），滿足低待機功耗的要求。
3 NCP1351B的關鍵技術分析
3.1 待機工作模式
NCP1351B的待機工作模式基于輕負載時，反饋電流將減小，改變定時電容Ct的充電電壓，調節時鐘比較器翻轉的時間，從而改變工作頻率。
從NCP1351B的反饋輸入端FB端流進光藕傳遞過來的反饋電流。實際上，FB端相對控制地可以等效一個二極管DFB，受控電流源IFB從控制地流出，在RB偏置電阻產生一個負壓降。此時，時鐘發生器的比較基準電壓值大約等于：
[JZ]VCLOCK=Voffset－IFB×RFB
在空載或短路時，IFB幾乎接近于0，VCLOCK電壓達到最高，定時電容的充放電時間將延長，時鐘發生器的翻轉周期（T）將減小（也就是工作頻率增加）。
在峰值電流控制模式下，空載時降低工作頻率。工作頻率會下降到人耳的可聽頻段，產生機械振蕩，很容易發出音頻噪音。NCP1351B通過固定峰值電流檢測，在輕載時、頻率下降，同時峰值電流大約只有最大峰值的30%，以免變壓器發生機械振蕩，產生音頻噪音，維持良好的待機能耗表現。
3.2 負電流檢測技術
3.2.1 正電流檢測技術的缺點
傳統的電流型控制芯片，一般采用正電流檢測技術，這種檢測技術有以下缺點：
(1) 無法調節峰值電流的檢測電壓，基準電壓集成在控制芯片內部；
(2) 門電壓等于驅動電壓減去峰值電流檢測電阻（Rsense）上的電壓。
如果VCC=7 V，假設滿載，此時：
[JZ]Vsense1 V， Vgs=7 V-1 V=6 V。
(3) MOS管開通時（由于Ciss存在），在Rsense上會產生一尖峰電壓，干擾控制環路，使電源穩定性降低。而負峰值電流檢測技術可以解決上面問題。
3.2.2 電路工作原理
電路工作原理描述如下：
VCS=Roffset×ICS-Rsense×ILp。
(1) 當VCS＞Vth，電流誤差放大器輸出低電平，不動作。
(2) 當VCS＜Vth，電流誤差放大器輸出高電平，關閉驅動脈沖。
在輕載時，ILp很小，VCSRoffset×ICS。ICS最大值為270 μA，通過改變Roffset的阻值，可以減小VCS，調節負峰值電流的檢測電壓。由于控制地與MOS管的源極相連，所以門電壓等于驅動電壓。
4 NCP1351B在腦電采集儀電源設計中的應用
4.1 基于NCP1351B的腦電采集儀電源樣機原理圖
腦電采集儀是醫院中檢測病人腦電圖的常見的設備，由于病人的到來具有不確定性和間隔性，因此其待機工作時間長，這就要求電源在腦電采集儀空閑時自動進入待機工作模式，一旦開始工作時，迅速進入正常工作狀態。要求電源動態響應快，能根據負載情況，自動切換
。
基于NCP1351B設計的“綠色節能”腦電采集儀電源樣機原理圖如圖1，2所示。
圖1 基于NCP1351B芯片的核心電路原理圖
R1，R2是啟動電阻，提供芯片的啟動電流。
電源第一次啟動時，通過R1，R2和EC2，C8提供工作電源。電源啟動后，輔助繞組給芯片供電。由于變壓器漏感以及PCB板寄生參數的影響，MOS管關斷時會產生很高的尖峰電壓。R3，C2，D5組成一個簡單的RCD鉗位電路，防止MOS管擊穿。R4，C5組成一個低通濾波器，有效抑制尖峰電流的干擾。U3(431) 提供2.5 V的基準，與U2B構成輸出級的電壓反饋，通過U2A流過的電流在R上形成反饋電壓，構成一個完整的閉環電路，使輸出級電壓恒定不變。
4.2 實驗結果分析
在輸入電壓220 V時，空載功耗為180 mW；在輸入電壓100 V時，空載功耗為210 mW。
實驗波形如圖3所示：
經過測試，基于NCP1351B的腦電采集儀電源樣品空載功耗小于300 mW，符合目前電源產品的最大空栽功耗不得大于0.3 W的要求。
圖2 腦電采集儀的輸出級電路原理圖[LL]
5 結 語
本文利用NCP1351B芯片良好的待機能耗和完善的保護功能的優點，簡化了腦電采集儀電源的外圍電路設計，從而減小體積、降低成本。
實驗結果表明基于NCP1351B的腦電采集儀電源的負載效應小、穩壓精度高、輸出峰峰雜音小，基本上滿足現有各種電源的要求。
圖3 實驗波形
參 考 文 獻
［1］沙占友.新型單片開關電源設計與應用技術\\[M\\].北京：電子工業出版社，2004.
［2］徐德鴻，沈旭.開關電源設計指南\\[M\\].北京：機械工業出版社，2004.
［3］鄭耀添.L4960單片開關電源設計\\[J\\].現代電子技術，2007，30(12):2931，34.
作者簡介 胡葉容 女，漢族，1981年出生，廣西師范大學電路與系統工程碩士研究生。研究方向為腦電信號處理。
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