VIPer50單片智能開關(guān)電源及其應(yīng)用

1 引言

　　低成本、高效率、小型化、離線式調(diào)節(jié)是開關(guān)電源發(fā)展的必然趨勢(shì)。意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的VIPer50是將功率MOSFET與PWM控制器集成在同一芯片的單片開關(guān)電源集成電路，它是目前最具代表性的五端單片開關(guān)電源器件。該芯片簡(jiǎn)化了50W以下開關(guān)電源電路的拓樸結(jié)構(gòu)，使得開關(guān)電源的效率和可靠性大幅度提高，同時(shí)大大降低了電源電路的體積與制造成本。

2　VIPer50的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　VIPer50在芯片上集成了開關(guān)管、驅(qū)動(dòng)級(jí)、振蕩器、PWM控制器、欠壓鎖存電路、寬帶誤差放大器、延遲電路、消隱電路、過載和超溫保護(hù)電路等，實(shí)現(xiàn)了單片集成化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　VIPer50內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　VIPer50的主要特點(diǎn)如下：

　?。?）集優(yōu)化的高壓縱向功率MOSFET、脈寬調(diào)制器（PWM）和各種保護(hù)電路于一體，使外圍元件減少20~50個(gè)，提高了系統(tǒng)的可靠性并降低成本。
　　（2）工作電壓范圍為85~265VAC，適合于世界各地的工頻電源，無需電壓選擇開關(guān)。
　?。?）轉(zhuǎn)換效率高，待機(jī)電流小。具有獨(dú)特的突發(fā)模式控制功能，當(dāng)電源處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式，消耗功率低于1W，符合歐洲“藍(lán)天使”的待機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）既可工作于固定頻率（約200kHz）方式，也可工作于用戶調(diào)整方式或同步方式，最高工作頻率可設(shè)置為300kHz。
　　（5）開機(jī)軟啟動(dòng)，并具備完善的保護(hù)功能，例如欠壓磁滯鎖存、超溫關(guān)機(jī)、過壓限制保護(hù)等。
　　（6）不需要外圍電流檢測(cè)電路，利用MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（on）來檢測(cè)和控制流它的電流，與分立MOSFET的作用不相同。

3　VIPer50的引腳功能

　　VIPer50采用了PENTAWATT　HV、PENTAWATT　HV（220）、PowerSO-TOTM三種的封裝，各引腳功能描述如下：

　　漏極引腳（DRAIN），內(nèi)部連接高壓功率MOSFET的漏極引腳。在電源啟動(dòng)期間，通過高壓電流源為內(nèi)部控制電路提供偏置電流，在電源正常工作期間關(guān)閉高壓電流源。
　　源極引腳（SOURCE），內(nèi)部連接功率MOSFET的源極引腳。
　　電源供電引腳（VDD），該引腳有兩種功能：（1）給內(nèi)部控制電路提供電源電壓，當(dāng)VDD引腳電壓低于8V時(shí)，功率MOSFET關(guān)斷，啟動(dòng)電流源被激活， VDD引腳偏置電流約2mA，COMP對(duì)地短路。當(dāng)VDD電壓升高到11V閾值電壓時(shí)，啟動(dòng)電流源自動(dòng)關(guān)閉，器件開始轉(zhuǎn)換，變壓器向負(fù)載供電。（2）內(nèi)部連接誤差放大器，允許初級(jí)調(diào)節(jié)設(shè)置和次級(jí)調(diào)節(jié)設(shè)置。
　　控制引腳（COMP），該引腳有兩種功能：（1）它是誤差放大器的輸出端，外部連接RC網(wǎng)絡(luò)用于回路補(bǔ)償。（2）當(dāng)電子設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)，COMP引腳將電壓低于0.5V，器件能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到突發(fā)模式（低頻工作模式），從而降低了開關(guān)電源的損耗。
　　頻率調(diào)整引腳（OSC），該引腳通過偏置電阻Rt連接到VDD，Rt、Ct網(wǎng)絡(luò)決定了內(nèi)部振蕩頻率。改變Rt、Ct的參數(shù)，可使振蕩頻率在30kHz~1000kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。Rt、Ct的取值與與振蕩頻率FSW之間的關(guān)系滿足：

　　當(dāng)Rt>1.2kΩ，Ct≥15nF時(shí)，F(xiàn)SW≤40kHz。
　　用光電耦合器取代Rt、Ct網(wǎng)絡(luò)，在其發(fā)光二極管端引入外部時(shí)鐘脈沖，電路工作在外同步模式，如圖2所示。

圖2　VIPer50工作在外同步模式
4 典型應(yīng)用電路

4.1　通用型開關(guān)電源

　　由VIPer50構(gòu)成的通用型開關(guān)電源電路如圖3所示，該電路采用了典型的單端反激式拓樸結(jié)構(gòu)，交流輸入電壓范圍為85~265V，輸出功率為30W（+5V、6A），效率達(dá)85%，負(fù)載調(diào)整率S1在4%~6% 。接通電源后，220V交流電首先經(jīng)EMI濾波、橋式整流、C2濾波，得到約300V直流高壓，再經(jīng)開關(guān)變壓器T1初級(jí)繞組N1，給VIPer50提供開機(jī)電壓。反饋繞組N2上的感應(yīng)電壓通過R3、VD3、C4整流濾流后，得到反饋電壓，分成兩路：一路加至VDD引腳，為芯片提供電源電壓；另一路則通過振蕩電阻R4送至頻率調(diào)整端，為振蕩電容C5提供充電電壓。從T1次級(jí)繞組N3輸出的PWM功率信號(hào)，經(jīng)過VD2整流及C9、L2、C10濾波后，產(chǎn)生+5V的穩(wěn)壓輸出。

　　為防止剛開機(jī)時(shí)輸入濾波電容C2上的充電電流過大，在交流輸入端串聯(lián)了一只負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R1。電容C1與扼流圈L2構(gòu)成簡(jiǎn)單的EMI濾波器，用于抑制交流電網(wǎng)中的高頻噪聲。VD1、R2、C3組成鉗位保護(hù)電路，可將開關(guān)變壓器T1初級(jí)繞組上的高壓感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減到安全范圍內(nèi)，避免損壞芯片。VD1為阻塞二極管，實(shí)選BYD37J型600V／1.5A快恢復(fù)二極管；C3優(yōu)選耐壓高、漏電小的陶瓷電容（2200pF/1kV）；BR1選擇由4只IN4007（1A/1kV）硅整流管構(gòu)成的橋式整流器。VD3采用高頻開關(guān)二極管1N4148；VD2須選用10A/30V以上的肖特基二極管，例如B82-004型（15A/40V）。C6、C7和R5組成了回路補(bǔ)償電路，它們能改善內(nèi)部誤差放大器的頻率響應(yīng)。為抑制共模干擾，在開關(guān)變壓器N2、N3繞組的同名端之間，還并聯(lián)了一只高壓陶瓷電容（1000pF/3kV）。

圖3　由VIPer50構(gòu)成的通用型開關(guān)電源電路
4.2　30W精密開關(guān)電源

　　圖3所示的開關(guān)電源不足之處在于負(fù)載調(diào)整率較高（S1在4%~6%），難以滿足精密穩(wěn)壓的要求。由VIPer50構(gòu)成的30W精密開關(guān)電源電路如圖4所示。該電源的負(fù)載調(diào)整率S11%，與圖3比較主要有以下區(qū)別：

　?。?）電路中增加了由TL431可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器和光電耦合器組成的光耦反饋式電路，通過TL431內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓和采樣電壓比較，改變光耦的工作電壓的大小，再由光耦調(diào)節(jié)VIPer50的占空比，即可實(shí)現(xiàn)精密穩(wěn)壓的目的。光耦工作在線性狀態(tài)，CTR（電流放大率）太大，容易造成VIPer50過壓保護(hù)；若CTR太小，占空比D將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導(dǎo)致過流。因此，應(yīng)選取CTR范圍接近100%的光耦，例如SFH610A-2型光耦。

　　（2）在VDD引腳中增加了由C6、R4組成的輸入浪涌電流保護(hù)電路。在接通電源時(shí)，開關(guān)電源并不立即啟動(dòng)，而是通過R4對(duì)C6進(jìn)行充電，等VDD引腳上電壓達(dá)到8V時(shí)，開關(guān)電源才逐漸開始工作，確保芯片在開機(jī)瞬間各部分處于低電壓、小電流的工作狀態(tài)，防止內(nèi)部功率MOSFET被浪涌電流和開關(guān)變壓器的高壓感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)損壞。

圖4　由VIPer50構(gòu)成的30W精密開關(guān)電源電路
4.3 由微處理器控制的VIPer50開關(guān)電源

　　由微處理器控制的VIPer50開關(guān)電源如圖5所示。該電源電路的特點(diǎn)是在VIPer50的VDD、COMP引腳之間增加由三極管VT1、VT2和穩(wěn)壓管VD4等組成的待機(jī)控制電路，其中VD4跨接在COMP引腳與VT1的集電極之間。開關(guān)電源正常工作時(shí)，VDD經(jīng)R5、R7、VD4加到COMP引腳，因VDD小于VD4的反向擊穿電壓，故COMP引腳電壓不受VDD電壓的影響，只受光耦I(lǐng)C3的控制。當(dāng)微處理器發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào)時(shí)，在VT1的基極輸入高電平，VT1、VT2和VD4都導(dǎo)通，COMP引腳立即被鉗位到低電平，VIPer50進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，封鎖輸出。這種電源電路特別適合在液晶顯示器、打印機(jī)、DVD等有待機(jī)控制要求的設(shè)備中應(yīng)用。

圖5 由微處理器控制的VIPer50開關(guān)電源

5 結(jié)語

　　以VIPer50為核心的開關(guān)電源，具有外圍電路簡(jiǎn)單、使用靈活、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此在液晶顯示器電源、打印機(jī)電源、VCR和DVD播放機(jī)電源等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

1. 沙占友等. AC/DC開關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì). 電測(cè)與儀表[J] .1999（9）