VIPer50單片智能開(kāi)關(guān)電源及其應用
低成本、高效率、小型化、離線(xiàn)式調節是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的必然趨勢。意法半導體公司生產(chǎn)的VIPer50是將功率MOSFET與PWM控制器集成在同一芯片的單片開(kāi)關(guān)電源集成電路,它是目前最具代表性的五端單片開(kāi)關(guān)電源器件。該芯片簡(jiǎn)化了50W以下開(kāi)關(guān)電源電路的拓樸結構,使得開(kāi)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的結構特點(diǎn)
VIPer50在芯片上集成了開(kāi)關(guān)管、驅動(dòng)級、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(guò)載和超溫保護電路等,實(shí)現了單片集成化,內部結構框圖如圖1所示。

VIPer50的主要特點(diǎn)如下:
?。?)集優(yōu)化的高壓縱向功率MOSFET、脈寬調制器(PWM)和各種保護電路于一體,使外圍元件減少20~50個(gè),提高了系統的可靠性并降低成本。
?。?)工作電壓范圍為85~265VAC,適合于世界各地的工頻電源,無(wú)需電壓選擇開(kāi)關(guān)。
?。?)轉換效率高,待機電流小。具有獨特的突發(fā)模式控制功能,當電源處于待機狀態(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“藍天使”的待機標準。
?。?)既可工作于固定頻率(約200kHz)方式,也可工作于用戶(hù)調整方式或同步方式,最高工作頻率可設置為300kHz。
?。?)開(kāi)機軟啟動(dòng),并具備完善的保護功能,例如欠壓磁滯鎖存、超溫關(guān)機、過(guò)壓限制保護等。
?。?)不需要外圍電流檢測電路,利用MOSFET的導通電阻RDS(on)來(lái)檢測和控制流它的電流,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),內部連接高壓功率MOSFET的漏極引腳。在電源啟動(dòng)期間,通過(guò)高壓電流源為內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)給內部控制電路提供電源電壓,當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對地短路。當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(kāi)始轉換,變壓器向負載供電。(2)內部連接誤差放大器,允許初級調節設置和次級調節設置。
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 )用于回路補償。(2)當電子設備進(jìn)入待機狀態(tài)時(shí),COMP引腳將電壓低于0.5V,器件能自動(dòng)轉換到突發(fā)模式(低頻工作模式),從而降低了開(kāi)關(guān)電源的損耗。
頻率調整引腳(OSC),該引腳通過(guò)偏置電阻Rt連接到VDD,Rt、Ct網(wǎng)絡(luò )決定了內部振蕩頻率。改變Rt、Ct的參數,可使振蕩頻率在30kHz~1000kHz范圍內調節。Rt、Ct的取值與與振蕩頻率FSW之間的關(guān)系滿(mǎn)足:

當Rt>1.2kΩ,Ct≥15nF時(shí),FSW≤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。

4 典型應用電路
4.1 通用型開(kāi)關(guān)電源
由VIPer50構成的通用型開(kāi)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構,交流輸入電壓范圍為85~265V,輸出功率為30W(+5V、6A),效率達85%,負載調整率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(kāi)關(guān)變壓器T1初級繞組N1,給VIPer50提供開(kāi)機電壓。反饋繞組N2上的感應電壓通過(guò)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(guò)振蕩電阻R4送至頻率調整端,為振蕩電容C5提供充電電壓。從T1次級繞組N3輸出的PWM功率信號,經(jīng)過(guò)VD2整流及C9、L2、C10濾波后,產(chǎn)生+5V的穩壓輸出。
為防止剛開(kāi)機時(shí)輸入濾波電容C2上的充電電流過(guò)大,在交流輸入端串聯(lián)了一只負溫度系數的熱敏電阻R1。電容C1與扼流圈L2構成簡(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組成鉗位保護電路,可將開(kāi)關(guān)變壓器T1初級繞組上的高壓感應電動(dòng)勢衰減到安全范圍內,避免損壞芯片。VD1為阻塞二極管,實(shí)選BYD37J型600V/1.5A快恢復二極管;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)硅整流管構成的橋式整流器。VD3采用高頻開(kāi)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組成了回路補償電路,它們能改善內部誤差放大器的頻率響應。為抑制共模干擾,在開(kāi)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)。

4.2 30W精密開(kāi)關(guān)電源
圖3所示的開(kāi)關(guān)電源不足之處在于負載調整率較高(S1在4%~6%),難以滿(mǎn)足精密穩壓的要求。由VIPer50構成的30W精密開(kāi)關(guān)電源電路如圖4所示。該電源的負載調整率S11%,與圖3比較主要有以下區別:
?。?)電路中增加了由TL431可調式并聯(lián)穩壓器和光電耦合器組成的光耦反饋式電路,通過(guò)TL431內部2.5V基準電壓和采樣電壓比較,改變光耦的工作電壓的大小,再由光耦調節VIPer50的占空比,即可實(shí)現精密穩壓的目的。光耦工作在線(xiàn)性狀態(tài),CTR(電流放大率)太大,容易造成VIPer50過(guò)壓保護;若CTR太小,占空比D將不能隨反饋電流的增大而減小,從而導致過(guò)流。因此,應選取CTR范圍接近100%的光耦,例如SFH610A-2型光耦。
?。?)在VDD引腳中增加了由C6、R4組成的輸入浪涌電流保護電路。在接通電源時(shí),開(kāi)關(guān)電源并不立即啟動(dòng),而是通過(guò)R4對C6進(jìn)行充電,等VDD引腳上電壓達到8V時(shí),開(kāi)關(guān)電源才逐漸開(kāi)始工作,確保芯片在開(kāi)機瞬間各部分處于低電壓、小電流的工作狀態(tài),防止內部功率MOSFET被浪涌電流和開(kāi)關(guān)變壓器的高壓感應電動(dòng)勢損壞。

4.3 由微處理器控制的VIPer50開(kāi)關(guān)電源
由微處理器控制的VIPer50開(kāi)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和穩壓管VD4等組成的待機控制電路,其中VD4跨接在COMP引腳與VT1的集電極之間。開(kāi)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。當微處理器發(fā)出關(guān)機信號時(shí),在VT1的基極輸入高電平,VT1、VT2和VD4都導通,COMP引腳立即被鉗位到低電平,VIPer50進(jìn)入低功耗待機模式,封鎖輸出。這種電源電路特別適合在液晶顯示器、打印機、DVD等有待機控制要求的設備中應用。

5 結語(yǔ)
以VIPer50為核心的開(kāi)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、打印機電源、VCR和DVD播放機電源等領(lǐng)域中具有廣泛的應用前景。
參考文獻:
1. 沙占友等. AC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊的電路設計. 電測與儀表[J] .1999(9)
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