基于VIPer53機頂盒開(kāi)關(guān)電源的設計

1 VIPer53的工作原理
VIPer53集成了增強型電流模式PWM控制器和一個(gè)高壓MD.Mesh功率MOSFET。VIPer53內部結構如圖1所示，包括開(kāi)關(guān)電路一次側所需的全部模塊：控制部分包括該變換器啟動(dòng)用高壓電流源、脈寬調制驅動(dòng)器和各種保護功能，如過(guò)壓保護、熱關(guān)機、逐周限流和負載保護，功率MOSFET的最小擊穿電壓為620 V，通態(tài)電阻RDSFET在25％時(shí)為1Ω。引腳VDD為控制電路的電源，在啟動(dòng)階段為外部相連的電容充電，包含4個(gè)闖值電壓。VDDcm為開(kāi)啟電壓，典型值為11．5V:VDDoff為關(guān)機電壓，典型值為8．4V；VDDreg為原邊反饋工作的電壓起始點(diǎn)，精準15 V；VDDovp為過(guò)壓保護電壓，典型值為18V。引腳SOURCE為功率MOSFET的源級和電路參考地。引腳DRAIN為功率MOSFET的漏級，連接高頻變壓器的原邊繞組，在上電階段被內部高壓電流源利用，為引腳VDD外部電容充電。引腳TOVL連接一個(gè)外部電容用于產(chǎn)生過(guò)載保護延時(shí)，引腳COMP上的電壓大于4 35 v時(shí)過(guò)載保護發(fā)生。引腳OSC通過(guò)外部連接的阻容網(wǎng)絡(luò )RT一CT定開(kāi)關(guān)頻率。引腳COMP為電流模式結構的輸入和內部誤差放大器的輸出，允許通過(guò)外部無(wú)源網(wǎng)絡(luò )設定該SMPS的動(dòng)態(tài)特性，可用的電壓范圍為O．5～4．5V。低于O．5 V時(shí)功率MOSFET關(guān)閉，高于4．35V時(shí)過(guò)壓保護發(fā)生，該動(dòng)作延時(shí)時(shí)間長(cháng)短由與引腳T0VL相連的定時(shí)電容大小決定。

通過(guò)連接OSC引腳的電阻一電容網(wǎng)絡(luò )，可以從外部設置開(kāi)關(guān)頻率，最高可以設定到300kHz。當開(kāi)關(guān)電源上電時(shí)，位于漏極引腳和腳VDD之間的內部高壓電流源為器件供電，并向一個(gè)連接VDD外部電容器充電。當VDD電壓達到電壓闖值VDDon時(shí)，內部高壓電流源關(guān)閉，器件開(kāi)始正常操作，由高頻變壓器輔助繞組繼續為VIPer53器件供電。

VIPer53的反饋控制系統屬于電流控制，通過(guò)腳COMP實(shí)現系統功能。該控制是指將流經(jīng)功率MOSFET及回掃變壓器的電流與調節電路的輸出電壓產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)行比較，比較的結果決定確定MOSFET的導通時(shí)間。

VIPer53的優(yōu)點(diǎn)首先是在空載條件下將能耗降低到近乎零，使電源制造商可以達到新的更加嚴格的生態(tài)標準，如“能源之星計劃”；其次，因為通態(tài)電阻RDS(on)低，功率變換效率明顯提高，而且無(wú)需使用散熱器，從而避免了制造成本的增加。典型情況下，DIP一8封裝可輸出功率30W，Power―SO一10封裝可輸出功率40W，使用電壓范圍為ACR5～265V。

VlPer53的一個(gè)重要功能是指通過(guò)腳TOVL完成的過(guò)載延時(shí)。如果引腳COMP電壓超過(guò)4.35V，過(guò)載保護就會(huì )啟動(dòng)，連接引腳TOVL的外部電容器就開(kāi)始充電，同時(shí)MOSFET開(kāi)始不斷地開(kāi)關(guān)操作。在這個(gè)期間，漏極電流限制在1．6A。如果過(guò)載狀態(tài)維持不變，待TOVL電容電壓達到閾值電壓VOVLth,MOSFET關(guān)斷。此時(shí)，VDD電壓下降，當達到VDDoff閩值電壓時(shí)，內部高壓電流源接通，則一個(gè)新的啟動(dòng)周期開(kāi)始。如果過(guò)載或短路狀態(tài)繼續存在，VIPer53將進(jìn)入無(wú)休止的重啟序列。引腳TFOVL的外接電容充電時(shí)間為延時(shí)時(shí)間，該時(shí)間tOVL必須大于該開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間tss因為這段時(shí)間內輔助繞組無(wú)法向系統提供充足的電能。

2 機頂盒電源的要求

在數字機頂盒的所有功能模塊中，從接收器、32位微處理器、不同偏壓的數字電路到周邊設備，以及輸入／輸出電路，都各有特定的電源電壓要求。數字機頂盒使用數字信號處理器(DSI，)和微處理器(MPU)并且支持嵌入式操作系統以滿(mǎn)足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用對高速運算和低功耗的要求。為了充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)電源管理能力，部分處理器內部集成有一個(gè)片內開(kāi)關(guān)穩壓器，它利用2．25～3．6V外接電源電壓可產(chǎn)生0．7～1．2 V可設置的內核工作電壓，從而節省了外部電源元器件。在機頂盒供電中，除了+3 3V以及+5V輸出為數字信號處理器、微處理器等控制芯片組供電外，還需要+12V、+24V和+30V輸出，例如在新一代機頂盒中，很多外設如硬盤(pán)、DVD等，都需要+12V電源。對于機頂盒電源而言，由于輸出功率高，輸出路數多，而且由于線(xiàn)性穩壓電源的效率低、適應電網(wǎng)電壓范圍窄，穩壓性能差、笨重等，趨向于采用技術(shù)成熟的開(kāi)關(guān)電源。

3 30W機頂盒開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的設計
一種5路輸出的機頂盒電源的技術(shù)指標如下：
1)輸出3.3V／2A；
2)輸出5.V／l A：
3)輸出12V／100mA；
4)輸出24V／500mA；
5)輸出30V／50 rnA；
6)總功率輸出接近30W。

利用反激式開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器一般設計方法或專(zhuān)用的VIPERSCOFT軟件設計機頂盒的高頻變壓器。輔助繞組用來(lái)提供15V工作電壓，由于與腳VDD相連的誤差放大器設定值為15V，因此副邊繞組的匝數必須通過(guò)副邊繞組與輔助繞組匝數比來(lái)建立。首先選定原級與電壓輸出最低的次級的匝比，Np／NoL，然后計算每匝電壓值V1,V1=(VOL十VD)／NoL,VD為二極管正向導通壓降，PN結二極管取O．7V，肖特基二極管取O．4V。最終確立了一組高頻變壓器參數，如圖2所示。

技術(shù)要求：磁芯為EE28立式，磁芯材料為PC40。變壓器經(jīng)過(guò)油浸處理，各個(gè)繞組之間的絕緣耐壓不低于A(yíng)C 2500V，lmin；各層之間的絕緣電壓不低于A(yíng)C 1500V，l min。所有線(xiàn)圈與外殼絕緣電壓不低于A(yíng)C 2500V，lmin。

4 機頂盒開(kāi)關(guān)電源的電路設計
VIPer53與外圍器件以及整個(gè)變壓器輸入側與輸出側電路與參數如圖3所示。輔助繞組通過(guò)二極管DlD直接向VIPer53提供穩定15V電壓。過(guò)載延時(shí)電路由腳TOVL外R2D”和C3D組成，器件參數確保了延時(shí)時(shí)間大于該開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間。增強電流模式控制外圍電路由R3D、C4D與C5D構成，能夠設置該開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性。

輸入EMI濾波器采用共模線(xiàn)圈、共模和差模電容構成的濾波網(wǎng)絡(luò )，能夠同時(shí)濾除差模和共模干擾，見(jiàn)圖3所示的電源輸和入端。電源輸入端增加了一個(gè)NTC電阻，以便限制系統上電時(shí)涌流的幅值。高頻變壓器原級采用標準的RCD鉗位電路，也可以采用TRANSIL電路來(lái)降低待機損耗。電容ClE和C2F用于降低高頻變壓器的產(chǎn)生共模干擾。開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，通過(guò)電阻RlD和ClD―n設定。在待機和輕載時(shí)，內置突發(fā)模式電路能夠跳過(guò)一些開(kāi)關(guān)周期，降低等效的開(kāi)關(guān)頻率。根據腳COMP的電壓大小，VIPer53提供一個(gè)雙值消隱時(shí)間，即電壓為0．5 V和lV時(shí)消隱時(shí)間為150 ns和400ns．

本設計中負載功率和輸出電流最大的輸出為+3 3V、+5V和+24V輸出，鑒于24V為選用輸出，+3．3V與+5V輸出功率接近，因此主電壓反饋采用+3 3V和5V輸出。通過(guò)一個(gè)可調精密并聯(lián)穩壓器TL431和一個(gè)光耦提供反饋電壓，光耦集電極的電壓可以確定BIPer53的峰值漏極電流，反饋比較電路跨接在TL431的陰極和參考引腳上。C6D與R5D為T(mén)L43l的頻率補償網(wǎng)絡(luò )。R7D、R8D和R9D為比例反饋電阻，使得+3．3V和+5V輸出按照一定的比例進(jìn)行反饋，使得兩路輸出電壓的負載調整率均可達5％。其余各路輸出均按照高頻變壓器的匝數比來(lái)決定．鑒于+3 3V、+5V和+24v輸出功率較大，都增加了后級Lc濾波器，以便減少紋波電壓。

5 實(shí)驗結果與分析
在實(shí)驗室完成了對該機頂盒開(kāi)關(guān)電源的制作和實(shí)驗，電路板尺寸為74mm186mm。實(shí)測最小輸入交流電壓85V時(shí)的最大占空比為45%，額定輸入交流電壓220V時(shí)最大占空比為28%。電源輸入端連續傳導騷擾的準峰值和平均值曲線(xiàn)均符合EN55022CLASSB標準。交流220V供電時(shí)，輕載與滿(mǎn)載時(shí)輔助繞組提供的工作電源均為15V，最大工作電流20mA。輕載時(shí)+3．3V、+5V、+12V、+24V和+30V輸出平均值分別為3．48V、5.52V、14．0V、25．0V和30．8V,最大紋波電壓峰峰值小于20mV。滿(mǎn)載時(shí)分別輸出3．20V、5．20V、12．1V、23．1V和30．OV，最大紋波電壓峰峰值分別為175mV、150mV、250mV、80mV和80mV。滿(mǎn)載時(shí)+3．3V、+5V和+24V輸出的輸出電壓波形和對應的紋波電壓波形分別如陶4、圖5和圖6所示．功率M0SFET的集電極D與發(fā)射極S之間的電壓VCE如圖7所示，可見(jiàn)占空比為28％，小于50％，VCE峰值為540V，另外空載時(shí)VCE峰值為450V，均小于MOSFET的擊穿電壓620V。

6 結語(yǔ)
本文在分析機頂盒對開(kāi)關(guān)電源要求的基礎上，利用功率集成電路VIPer53給予了一種實(shí)現具有5路輸出，適用于通用交流輸入，具有良好的傳導EMI性能的電源。實(shí)驗表明利用VIPer53的機頂盒電源具有設計方便、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且待機損耗小，無(wú)需額外散熱器，是一種理想的開(kāi)關(guān)電源用功率IC。