基于NCP1351B脑电采集仪的电源设计

    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NCP1351B，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。

　　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。