DIP-8封裝單片高壓功率型開(kāi)關(guān)電源模塊

1 VIPer22A器件功能簡(jiǎn)介

VIPer22A型單片式開(kāi)關(guān)電源功率變換器的封裝形式為DIP-8：D—正端，即功率MOSFET的漏極，5p6p7p8腳(并聯(lián))；S—負(fù)端，1p2腳（并聯(lián)），即是功率MOSFET的源極；UDD—自給電源端，也是芯片外自激電源端，4腳；FB—輸出電壓反饋端，3腳。封裝形式為8腳，實(shí)際只有4端，簡(jiǎn)便好記，也易于制板，如圖1所示。

VIPer22A單片式開(kāi)關(guān)電源功率變換器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖示于圖2。由于器件正端和負(fù)端都通過(guò)較大電流，采用并聯(lián)方式以增大容量，在繪制印制板電路圖時(shí)，該兩端多制成較大面積的銅箔，并在焊裝VIPer22A器件時(shí)直接將器件底面壓貼在這大面積銅箔上，相當(dāng)于加了一個(gè)小小散熱器。

該器件雖是DIP-8封裝，卻內(nèi)置了高壓功率MOSFET，漏-源極的擊穿電壓可達(dá)730V以上，極限電流典型值為0.7A，通態(tài)電阻15Ω，輸入電壓在由85VAC～265VAC范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍可輸出12W的功率。該器件還具有過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱等帶遲滯特性的保護(hù)功能（詳見(jiàn)第3節(jié)），因此，其工作穩(wěn)定可靠性能極好，可方便地采用市電供電，制作出多種規(guī)格的低壓小功率直流電源。只要變壓器等參數(shù)設(shè)計(jì)無(wú)誤，幾乎無(wú)需調(diào)試，連通電路就能正常投入運(yùn)行。

2 采用VIPer22A器件制作的的12V開(kāi)關(guān)電源整體電路工作原理

2.1 啟動(dòng)簡(jiǎn)述

應(yīng)用單片開(kāi)關(guān)電源變換器VIPer22A制作的的12V開(kāi)關(guān)電源，其電原理圖如圖3所示。市電AC220V接通瞬間，通過(guò)高頻變壓器T1原邊繞組W1，VIPer22A變換器N1內(nèi)的高壓電流源即投入運(yùn)行，自動(dòng)開(kāi)啟芯片內(nèi)部的自給電源UDD。功率MOSFET即投入工作，T1原邊繞組W1流過(guò)電流，該電流在變壓器磁芯中產(chǎn)生磁通，各繞組中出現(xiàn)感生電壓，其方向如同名端符號(hào)所示。輔助繞組W2中的感生電壓即通過(guò)整流管VD6向電容C9充電，C9并聯(lián)于UDD端電源上，UDD端就成了連續(xù)不斷的自激式直流電源，開(kāi)始為芯片供電。至此，VIPer22A變換器就完成了啟動(dòng)程序。

2.2 電流控制模式參與穩(wěn)壓

2.2.1 電流反饋

VlPer22A啟動(dòng)瞬間，PWM輸出脈沖電壓驅(qū)動(dòng)功率MOSFET導(dǎo)通，變壓器T1初級(jí)流過(guò)迅速增大的電流ID。當(dāng)電流達(dá)到極限值時(shí)，取樣電流IS在RS上的降壓將大于0．23v，過(guò)電流比較器輸出高電平，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，功率MOSFET截止，負(fù)載電流回落。

2.2.2 電壓反饋轉(zhuǎn)換成電流反饋

當(dāng)T1副邊繞組電壓建立之后，N1的FB端得到一個(gè)與W2繞組電壓成正比的反饋電流IFB，它與取樣電流IS疊加，在電阻RS上產(chǎn)生綜合電壓。綜合電壓開(kāi)始作用于過(guò)電流比較器上，對(duì)PWM實(shí)施調(diào)整，從而穩(wěn)定了輸出電壓。

2.2.3 電流反饋的優(yōu)點(diǎn)

通常的電源芯片，其穩(wěn)壓過(guò)程僅由反饋電壓控制,反饋取樣電流僅用于過(guò)流保護(hù)；而該芯片的穩(wěn)壓過(guò)程既有反饋取樣電流，又有反饋電壓，源電壓效應(yīng)極優(yōu)，負(fù)載效應(yīng)也優(yōu)于沒(méi)有電流控制的開(kāi)關(guān)電源，確保穩(wěn)壓精度高于通常的電源芯片——既適用于市電波動(dòng)大的場(chǎng)合，也適用于負(fù)載有波動(dòng)的場(chǎng)合。電流反饋是直接顯現(xiàn)在取樣電阻RS上的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)二階電路，響應(yīng)速度快，增益大，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，可靠程度高,兼具過(guò)流和短路保護(hù)功能,也宜于多個(gè)整機(jī)均流并聯(lián)運(yùn)行。

2.2.4 實(shí)屬電流與電壓雙環(huán)控制的混合工作模式

通過(guò)以上敘述可看出，電流控制型PWM并非僅有電流控制，實(shí)際上是雙環(huán)控制。電流控制封裝在芯片內(nèi)環(huán)，如圖2所示，無(wú)需在外部實(shí)施，主要應(yīng)對(duì)源電壓（包括工頻整流電壓）波動(dòng)和T1原邊電流波動(dòng)。電壓控制則在外環(huán)，如圖3所示，反饋電壓通過(guò)N2和N3等元器件施加于芯片的反饋端FB，像普通電源芯片一樣，可以同時(shí)應(yīng)對(duì)負(fù)載波動(dòng)和源電壓波動(dòng)。

2.3 自給電源加自激電源

值得一提的是，圖3所示的功率型開(kāi)關(guān)電源中，沒(méi)有一般開(kāi)關(guān)電源中那樣的輔助電源，當(dāng)來(lái)自高壓電流源的UDD端電壓達(dá)到開(kāi)啟電壓值Vdd（on）＝14.5V時(shí)，高壓電流源被關(guān)斷；當(dāng)UDD端電壓降至為芯片關(guān)斷值Vdd（off）＜8V時(shí)，高壓電流源又自動(dòng)開(kāi)啟。UDD端先是N1內(nèi)的自給電源起作用，功率MOSFET投入工作后，N1外的T1輔助繞組W2等構(gòu)成的自激電源又并接于UDD端。就這樣，“自給”加“自激”，確保了N1的持續(xù)振蕩，但又不是通常所說(shuō)的那種不太穩(wěn)定的自激振蕩頻率，而是N1內(nèi)穩(wěn)定的他激振蕩頻率60kHz，獨(dú)樹(shù)起該集成電路的鮮明特性，故而電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，穩(wěn)定可靠程度高。輸出電壓反饋端FB的電壓范圍在0V～1V之間。

2.4 穩(wěn)壓過(guò)程

2.4.1 單端反激式變換器的特點(diǎn)

圖3電路，在功率MOSFET導(dǎo)通瞬間，繞組W3同名端與W1相反，整流管VD7呈反向偏置狀態(tài)；功率MOSFET截止時(shí)，VD7導(dǎo)通，故稱此變換器為單端反激式變換器，也稱電感儲(chǔ)能式變換器—向電容C10和C12充電，即變壓器T1繞組有電感的作用，平波電感L1的數(shù)值在幾十µH即可滿足對(duì)紋波電壓的要求，甚至可以不用L1。單端反激式變換器的整流脈寬可超1／2周期，故在市電波動(dòng)較大的場(chǎng)所仍能保有良好的電壓調(diào)整率。

2.4.2 源電壓波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)壓過(guò)程

當(dāng)市電AC220V出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，T1原邊繞組W1中的的電流幅值也會(huì)相應(yīng)變化，立即顯現(xiàn)到芯片內(nèi)取樣電阻RS上，過(guò)電流比較器即調(diào)節(jié)PWM脈寬，相應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電壓。該過(guò)程在整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程中，起著絕對(duì)主導(dǎo)作用。與此同時(shí)，集成可調(diào)基準(zhǔn)穩(wěn)壓器N3輸入端1腳的電壓相應(yīng)變化，引起其輸出端3腳電壓反向的變化，再通過(guò)光耦N2使集成電源變換器N1的控制端3腳FB電壓，使N1內(nèi)的功率MOSFET的柵極脈寬和輸出端電壓反向變化，從而將輸出電壓最大限度地恢復(fù)到外電壓波動(dòng)前的數(shù)值上。即：源電壓的波動(dòng)，得到電流控制工作模式的及時(shí)應(yīng)對(duì)，內(nèi)環(huán)控制的采樣電路置于過(guò)電流比較器反相輸入端，源電壓效應(yīng)優(yōu)于0.01％。外環(huán)的電壓控制工作模式也參與應(yīng)對(duì)，其作用小于電流控制模式，響應(yīng)速度也較低。

2.4.3 負(fù)載波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)壓過(guò)程

（1） 負(fù)載波動(dòng)時(shí)工頻整流濾波電壓相應(yīng)波動(dòng)

當(dāng)市電電壓不變，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，電容C6上的電壓相應(yīng)波動(dòng)，圖2中RS上電壓相應(yīng)變化，過(guò)電流比較器及之后環(huán)節(jié)及時(shí)實(shí)施脈寬調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度優(yōu)于0.01%，即C6上的電壓變化時(shí)，輸出脈寬反向變化，確保圖3電路輸出電壓不變。這實(shí)際就是2.4.2條的電流控制的穩(wěn)壓過(guò)程，VIPer22A型電源的負(fù)載調(diào)整率就有條件優(yōu)于普通變換器型開(kāi)關(guān)電源。

（2） 負(fù)載波動(dòng)時(shí)高頻變壓器原邊繞組電流相應(yīng)波動(dòng)

當(dāng)市電電壓不變，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，W1繞組電流相應(yīng)波動(dòng)，圖2中過(guò)電流比較器的同相輸入端電壓也相應(yīng)變化，并及時(shí)調(diào)節(jié)脈寬，保有優(yōu)于0.01％穩(wěn)定精度。

（3） 負(fù)載波動(dòng)時(shí)VIPer22A中功率MOSFET漏-源極間電壓隨之波動(dòng)

負(fù)載波動(dòng)所引起的變壓器原邊和功率MOSFET上漏-源極間（導(dǎo)通電阻為15Ω）的電壓降波動(dòng)，必然引發(fā)取樣電阻RS上的電流和電壓波動(dòng)，反饋到過(guò)電流比較器的反相輸入端，內(nèi)環(huán)控制PWM,將影響降至最低，確保輸出電壓的穩(wěn)定，調(diào)整精度優(yōu)于0.01%。即VIPer22A內(nèi)環(huán)的電流控制將變壓器副邊及副邊以前的電壓波動(dòng)所產(chǎn)生的影響降至微乎其微。

（4） VIPer22A低負(fù)荷條件下的自動(dòng)間歇工作模式也優(yōu)化了負(fù)載調(diào)整率

該芯片另外還有低負(fù)荷條件下的自動(dòng)間歇工作模式（見(jiàn)以下3．2．4），抑制了輕載時(shí)的輸出電壓上升。該電路的以上4個(gè)特點(diǎn)，是普通電壓控制型開(kāi)關(guān)電源所沒(méi)有的，因此能確保其負(fù)載效應(yīng)顯著優(yōu)于普通電電壓控制型開(kāi)關(guān)電源。

（5） 外環(huán)的電壓控制模式也參與穩(wěn)定負(fù)載變化所引起的輸出電壓波動(dòng)

與此同時(shí)，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，W3繞組及其輸出端電壓也有波動(dòng)，所以處于芯片外環(huán)的電壓控制模式投入運(yùn)行應(yīng)對(duì)，以保持輸出電壓穩(wěn)定，但精度與響應(yīng)速度都劣于內(nèi)環(huán)。

（6） VIPer22A負(fù)載效應(yīng)優(yōu)于電壓控制型開(kāi)關(guān)電源，但仍劣于自身的源電壓效應(yīng)

市電供電的變換器型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其源電壓效應(yīng)優(yōu)于負(fù)載效應(yīng)是一規(guī)律。VIPer22A電源負(fù)載效應(yīng)雖優(yōu)于普通變換器電壓控制型開(kāi)關(guān)電源，但也劣于自身的源電壓效應(yīng)，未超越這一規(guī)律。

3. 過(guò)熱、過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)功能與自動(dòng)重啟

3.1 過(guò)熱保護(hù)

圖3所示的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，芯片N1中封裝著發(fā)熱的主要元件功率MOSFET和過(guò)熱保護(hù)環(huán)節(jié)，一旦芯片出現(xiàn)170℃高溫，保護(hù)環(huán)節(jié)輸出信號(hào)作用于RS觸發(fā)器，即截?cái)嗔斯β蔒OSFET上的觸發(fā)脈沖，參見(jiàn)圖2。芯片關(guān)斷后，溫度逐漸下降，下降到40℃后，才能恢復(fù)運(yùn)行，遲滯溫度為40℃。

3.2 過(guò)流保護(hù)

3.2.1 電流取樣的特點(diǎn)

通常的功率MOSFET電流取樣，都是在S極，全電流，耗損大；VIPer22A則在臨近S極的感應(yīng)極取樣，其流過(guò)電阻RS的感應(yīng)電流IS (如圖2所示)，正比于流過(guò)功率MOSFET的D極電流ID，IS／ID＝1／560，功耗甚微，這是該器件的另一大優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 過(guò)流保護(hù)過(guò)程

當(dāng)功率MOSFET電流ID增大到某一個(gè)數(shù)值時(shí),電流取樣電阻上的電壓≥0.23V ，即

過(guò)電流比較器輸出高電平，通過(guò)前沿閉鎖電路和RS觸發(fā)器，將功率MOSFET柵極脈沖關(guān)閉，達(dá)到了過(guò)電流保護(hù)的目的。過(guò)電流過(guò)后，電路自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

3.2.3 無(wú)反饋時(shí)的過(guò)流保護(hù)過(guò)程

當(dāng)FB端接地，也即無(wú)外環(huán)反饋時(shí)，輸出電壓增大，電流增大，漏極電流ID將比上節(jié)所述大，由圖2可知，相當(dāng)于RS與R1并聯(lián)，阻值減小,流過(guò)功率MOSFET的D極的電流增大，達(dá)極限電流，即

但不會(huì)無(wú)限增大，最大是芯片的極限值0.7A。

3.2.4 低負(fù)荷條件下的自動(dòng)間歇模式

當(dāng)電源空載或是流過(guò)功率MOSFET的漏極電流小于或等于極限值的12％—約為85mA時(shí)，芯片N1會(huì)自動(dòng)進(jìn)入間歇工作狀態(tài)，既保證低負(fù)載時(shí)的正常運(yùn)行，又可以降低整機(jī)功耗，安全系數(shù)也會(huì)更高。

3.3 過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)某種原因引起輸出電壓驟升，T1輔助繞組W2以及UDD端的電壓同比例上升，過(guò)壓比較器（參見(jiàn)圖2）上的同相端電壓若超過(guò)42V，即VDD≥42V，該比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在其后的RS觸發(fā)器作用下，功率MOSFET柵極觸發(fā)脈沖截止，停止輸出電壓。過(guò)電壓過(guò)后，電路自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

3.4 防止輸出過(guò)載p短路或過(guò)壓導(dǎo)致?lián)舸┕收系拇蜞茫℉ICCUP）模式

當(dāng)電源過(guò)載p短路或過(guò)壓時(shí)，VIPer22A器件保護(hù)動(dòng)作，使占空比減小，輸出電壓降低，UDD端電壓也跟著降低。當(dāng)?shù)偷?V以下時(shí)，整個(gè)電路關(guān)閉，隨后靠?jī)?nèi)部高壓恒流源開(kāi)始下一個(gè)間歇式啟動(dòng)過(guò)程。該過(guò)程稱為“打嗝”式(hiccup)保護(hù)，工作時(shí)間很短，僅有xxμs,停止時(shí)間很長(zhǎng)，周期約為260ms，因此平均功率極低，保護(hù)電源免于損壞。一旦故障排除，電源即投入正常運(yùn)行，便于操作。不難理解，該工作模式隸屬于過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)，是這兩種功能之外在表露，其周期與下面4.2.1節(jié)所述故障的間歇周期有相似之處。

3.5 欠壓鎖定

當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)低，或電源故障導(dǎo)致UDD端電壓低于8V時(shí)，芯片即停止輸出觸發(fā)脈寬，電源也就停止輸出；電網(wǎng)電壓回升，或電源故障排除后，UDD端電壓恢復(fù)到(8-14.5 )V范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4．主要故障實(shí)例

4.1 直流輸出端電壓為零

4.1.1 電源變壓器原邊繞組斷路

由于變壓器功率小和輸入電壓高，原邊繞組導(dǎo)線就較細(xì)，線徑通常為0.2mm上下。若繞制工藝不完善，導(dǎo)線端頭在與骨架端子連接處較容易腐蝕或折斷。這樣的故障約占電源總故障的15，變壓器內(nèi)部的毀壞率卻為零。導(dǎo)致原邊繞組端頭斷路的原因有二。

（1） 漆包線與骨架接觸處出廠不久斷連

繞線工為新手，細(xì)漆包線端頭固定于骨架端子之后用較大拉力拉緊再繞線，使導(dǎo)線與骨架接觸處承受了較大預(yù)應(yīng)力，故漆包線與骨架接觸處出廠不久斷連情況較多——繞線人人會(huì)繞，質(zhì)量卻大相徑庭。

（2） 漆包線端頭被脫漆劑腐蝕斷掉

變壓器制作廠家為圖便捷，漆包線端頭上的漆膜往往采用漆包線脫漆劑來(lái)清除。漆膜清除之后，卻不清洗殘留在端頭上的的脫漆劑，脫漆劑與銅的化學(xué)反應(yīng)也很強(qiáng)烈——其中含有硫酸成分，不久就會(huì)將漆包線端頭腐蝕到完全斷掉。這是必須引起變壓器廠家注意的。

4.1.2 電源變壓器副邊斷路

原因與3.1.1大致相同。

4.1.3 電源變換器模塊N2內(nèi)部燒斷

這種采用VIPer22A器件制作的小功率直流電源，當(dāng)供電電源端不接保護(hù)零線（PE）時(shí)，來(lái)自外界的意外高電壓將可能通過(guò)機(jī)箱作用于該直流電源電路上，致使N2器件和相關(guān)元件毀壞。當(dāng)該電源僅作為大型電路的輔助電源應(yīng)用時(shí)，尤其是作為高壓電源的輔助電源時(shí)，往往也會(huì)因?yàn)橹麟娫词褂蒙系膯?wèn)題，波及輔助電源。

因此，為保護(hù)該電源可靠安全運(yùn)行，在市電輸入端加接保護(hù)零線（PE）是必要的。如今的市電配電線路，不論是工業(yè)用電還是居民用電，都是相線(L)p零線(N)和保護(hù)零線（PE）俱全的。實(shí)踐表明，當(dāng)在電源端加接保護(hù)零線（PE）之后，VIPer22A器件具有極高的穩(wěn)定可靠程度。

4.1.4 整流管VD7斷路斷

造成整流管VD7燒斷的原因有：① 焊裝前未檢測(cè)額定參數(shù)；② 變壓器磁隙未調(diào)整到位，導(dǎo)致輸出尖峰電壓較大，VD7管反向電壓超過(guò)或接近額定反向電壓，調(diào)試時(shí)又未發(fā)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)電源中，變壓器的制作和檢驗(yàn)很重要。

4.2 直流輸出端電壓呈脈動(dòng)狀，脈動(dòng)幅值等于12V

正常情況下，接通電源瞬間，VIPer22A變換器內(nèi)的高壓電流源投入運(yùn)行，并自動(dòng)啟動(dòng)電源，當(dāng)UDD端電壓達(dá)到開(kāi)啟電壓值VDDON＝14.5V（典型值）時(shí)，高壓電流源被關(guān)斷，功率MOSFET投入工作，輔助繞組W2也即開(kāi)始為芯片供電。至此，VIPer22A變換器完成啟動(dòng)程序。

當(dāng)輔助繞組W2回路斷路，或UDD端對(duì)N2器件負(fù)端（1p2腳）短路時(shí)，僅靠變換器內(nèi)的高壓電流源自動(dòng)間歇性地啟動(dòng)電源，UDD端上的電壓不能維持在（8—14.5）V范圍內(nèi)，N1就會(huì)在低于8V以下的時(shí)候停止運(yùn)行，所以輸出端電壓就呈現(xiàn)脈動(dòng)狀，如圖4所示。之所以脈動(dòng)幅值仍等于12V，就是因?yàn)槌儔浩鬏o助繞組W2回路斷路之外，輸出繞組W3及取樣電壓、基準(zhǔn)電壓和光耦等環(huán)節(jié)依然運(yùn)行正常，限制著輸出電壓的幅值。

變壓器輔助繞組W2回路包括：輔助繞組本身；整流管VD6；電容器C9；相關(guān)的印制板銅箔連線。由此也可驗(yàn)證前面工作原理所述的內(nèi)容：VIPer22A變換器內(nèi)的高壓電流源，僅僅是在接通市電AC220V瞬間，和UDD端電壓低至8V時(shí)，才投入運(yùn)行，且有一定的工作周期；其它情況下則都處于關(guān)斷狀態(tài)。

5 結(jié)論

普通DIP-8封裝的單片式開(kāi)關(guān)電源功率變換器模塊VIPer22A，內(nèi)設(shè)電流控制PWM，有自給電源，開(kāi)啟后，又自動(dòng)加入自激電源；同時(shí)，還內(nèi)置了730V／0.7A的功率MOSFET。電路結(jié)構(gòu)精練，過(guò)熱p過(guò)流和過(guò)壓等保護(hù)功能齊全，穩(wěn)壓精度高，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定可靠程度高，適用于電網(wǎng)波動(dòng)大和負(fù)載有變化的場(chǎng)合，也易于并聯(lián)運(yùn)行。應(yīng)用該集成電路制作的開(kāi)關(guān)電源，像其它電子產(chǎn)品一樣，若能在裝焊p調(diào)試等工藝及使用中，規(guī)范以下事項(xiàng)：① 市電輸入端接好保護(hù)零線（PE），② 規(guī)范變壓器制作工藝，③ 穩(wěn)定電子元器件進(jìn)貨渠道，④ 增加工序間檢測(cè)，⑤ 整機(jī)進(jìn)行滿功率測(cè)試考核，整機(jī)運(yùn)行就會(huì)臻于完美無(wú)缺。