在非隔離脫機應用中使用VIPer12A智能功率IC的低成本電源

在工業(yè)及家電業(yè)中，低成本應用非隔離脫機電源的普及程度日益提高。電源尺寸是一個(gè)關(guān)鍵因素，業(yè)界一直在尋求不使用體積龐大的50/60Hz變壓器的新型有效解決方案。內在的簡(jiǎn)易性和易用性，使智能功率技術(shù)的應用程度不斷提高。意法半導體(ST)開(kāi)發(fā)的VIPer12A是一款單片智能功率IC，其組件包括一個(gè)60KHz的集成脈寬調制控制器和一個(gè)擊穿電壓為730V的高壓功率MOSFET。與同等級別的分立器件相比，這款智能功率IC具有功率轉換效率高、成本低廉和空間小的優(yōu)點(diǎn)。
本文主要分析了幾個(gè)采用功率IC的非隔離拓撲，例如標準降壓、降壓/升壓配置，以及一個(gè)雙輸出拓撲和一種帶雙重互補性輸出的創(chuàng )新拓撲。這些拓撲涵蓋了工業(yè)及家電市場(chǎng)上低功率應用的主要方面。另外，本文還給出了設計建議及應用實(shí)例，同時(shí)還介紹了智能功率IC的特性，如啟動(dòng)功能、過(guò)熱和過(guò)流集成保護及反饋電路等，以及它們是如何簡(jiǎn)化小型電源的。
近年來(lái)，在工業(yè)及家電市場(chǎng)，興起一股以降低變換器尺寸和成本為目標、從線(xiàn)性向開(kāi)關(guān)電源變遷的潮流。由于國際標準、推薦規范和市場(chǎng)前景等原因，效能高的解決方案成為各廠(chǎng)商的首選甚至成為強制性的標準，使得舊項目必須更新，從50/60Hz變壓器和線(xiàn)性調節器向高頻電力變流器過(guò)渡。此外，新的成本優(yōu)化設計，喚起了廠(chǎng)商對適用于全球應用開(kāi)發(fā)的構想，開(kāi)始考慮寬范圍的輸入電壓。由于開(kāi)關(guān)電源方案建立在對功率半導體開(kāi)關(guān)導通時(shí)間的調制基礎之上，因此，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為廠(chǎng)商實(shí)現自己的構想提供了可能性。在工業(yè)和家電市場(chǎng)上，產(chǎn)品規格是很好的標準，因為系統通常由微控制器、繼電器、LED、顯示器、低功率電機控制器的雙向晶閘管或隔離柵器件的門(mén)極驅動(dòng)器組成。因此，所需的直流電壓通常是：門(mén)極驅動(dòng)器為+15V；微控制器和LED為+5V；繼電器為24V或12V等。系統的復雜性以及給這些器件饋電的電源，產(chǎn)生了不同應用之間的差異。
智能功率IC的控制器和功率器件都是板上集成的，而且不需要處理功率器件的驅動(dòng)問(wèn)題及有關(guān)電源核心塊的布局問(wèn)題，因此，通過(guò)簡(jiǎn)化設計過(guò)程，智能功率技術(shù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了這種電源的設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文概述了非隔離拓撲，并分析了一些采用VIPer12A智能功率集成技術(shù)的典型應用。

脫機低功率拓撲概述
通過(guò)調整電源開(kāi)關(guān)的工作比，脫機非隔離拓撲無(wú)需任何隔離變壓器就可把交流電源轉變成一個(gè)穩定的直流電壓源。把能量從輸入傳輸到輸出的是一個(gè)低成本的電感器。
如圖1所示，通過(guò)兩個(gè)拓撲，可以產(chǎn)生分別對應降壓和降壓/升壓拓撲輸入電壓的公共端子的正電壓或負電壓。
兩個(gè)拓撲都使用一個(gè)電感器儲存能量，在電源開(kāi)關(guān)接通時(shí)充電。電感電流波形決定變換器的工作模式，如“連續式”或“不連續式”。在連續式操作中，電感電流從來(lái)不歸零，而在不連續式中，在規定的時(shí)間電感電流是零。談到電感電流的單一零點(diǎn)，我們定義了一種“邊界模式”。
在連續模式中，利用開(kāi)關(guān)的工作比D，通過(guò)電子方式對電壓進(jìn)行控制，兩個(gè)變換器工作方式就像一個(gè)變壓器。根據(1)和(2)，工作比D由導通時(shí)間ton和開(kāi)關(guān)時(shí)間TS的比來(lái)決定。
   降壓變換器    (1)
降壓/升壓變換器  (2)
當開(kāi)關(guān)接通時(shí)，輸出電感器上(Vi-Vo)上出現一個(gè)恒壓，使電感器上的電流按照公式(3)計算出的速率di/dt線(xiàn)性上升。
     (3)
當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感器上的電壓極性相反，并設法維持電流與關(guān)斷前相同。二極管導通，并限制電感器電壓至理想的零狀態(tài)。L上電壓是V0，其電流以式(4)給出的速率下降。
   (4)
開(kāi)關(guān)再次接通時(shí)，L上的電流從D轉向開(kāi)關(guān)S，向二極管施加反饋偏壓。電感器L上的電流包括當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)二極管的開(kāi)關(guān)電流。電感電流圍繞直流電流值I0，以L(fǎng)值決定的波動(dòng)系數上下波動(dòng)。
由于起源于基本拓撲，因此，使用低成本器件就可以實(shí)現雙輸出變換器，如圖2所示。這些拓撲特別適用于降壓變換器，但也適用于降壓-升壓變換器。如圖2(a)所示，在這種拓撲中，輸出電感器的兩個(gè)線(xiàn)圈以回掃方式耦合，并且匝數n正確。第二種拓撲描述了一種創(chuàng )新的配置，適用于供給雙重互補性輸出，見(jiàn)圖2(b)。因為使用標準單線(xiàn)圈電感器，所以成本優(yōu)化是這種配置的主要優(yōu)勢。在電感電流處于續流狀態(tài)時(shí)，給電容器充電可以產(chǎn)生第二個(gè)互補性輸出。借助一個(gè)數值恰當的齊納二極管，可以調節電容器上的電壓。
在標準降壓拓撲中(見(jiàn)圖3)，節點(diǎn)1的電壓由二極管D鉗制，使電感電流可以繼續流動(dòng)。在此方案中，齊納二極管Dz鉗制節點(diǎn)1的電壓為(Vd+Vz)，其中Vd是二極管上的壓降，Vz是齊納二極管的電壓。如果電容跨接齊納二極管和地線(xiàn)，則會(huì )生成一個(gè)負電壓源。根據電路工作原理，第二個(gè)輸出供給的電流不能超過(guò)第一個(gè)。開(kāi)關(guān)周期基本上可以分為兩個(gè)時(shí)段，如圖3所示。對于不連續導通模式DCM，在開(kāi)關(guān)S接通期ton，輸入直流總線(xiàn)與輸出相連，對負載供電，見(jiàn)圖3(a)。一旦開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，如圖3(b)所示，電感電流繼續流經(jīng)二極管D1，直到電流值為0而且輸出電容C1給負載供電。
齊納二極管出現在續流通道上，不會(huì )影響變換器的基本操作，但是會(huì )影響到效率，有關(guān)齊納二極管如何影響變換器的效率，見(jiàn)圖4。如果輸出OUT2沒(méi)有負載，續流會(huì )經(jīng)過(guò)二極管D1和Dz。
隨著(zhù)從OUT2吸取的電流增大，續流會(huì )流過(guò)一個(gè)不同的通路，分成兩個(gè)元件，如圖4(b)所示。這種方式降低了Dz的功耗，相應地提高了效率。因此，對于一個(gè)給定的輸出電流Iout1，如果互補輸出施加負載，變換器就會(huì )具備更加優(yōu)秀的性能。兩個(gè)輸出電容器的選擇取決于輸出波動(dòng)的規格。必須選擇一個(gè)適當的C2，同時(shí)應考慮到互補性輸出與交流電源輸出存在某種聯(lián)系。如果需要一個(gè)去耦性輸出，就必須使用一個(gè)合適的控制電路，見(jiàn)圖5。這個(gè)電路的工作方式像一個(gè)等效負載，使用成本低廉的器件可以輕松實(shí)現這個(gè)電路。這個(gè)電路的組件包括兩個(gè)晶體管Q1和Q2(如一個(gè)PNP和NPN BJT)、一個(gè)電阻器R1和一個(gè)齊納二極管Dz1。在Q2和Dz1驅動(dòng)下，不管Vout1供電的負載如何，晶體管Q1都能保證L感應一個(gè)規定的電流。不管Iout1如何，這種方法使Iout2有多種變化，而且只受Iout1最大容許值的限制。

采用VIPer 12A設計的非隔離變換器
VIPer12A的特性是用其設計降壓變換器的直接原因，見(jiàn)圖6(a)。借助連接Vdd引腳的一個(gè)二極管和一個(gè)電容D1和C2，通過(guò)變換器的輸出，可以很容易地實(shí)現VIPer12A的電源電壓。二極管的額定電壓取決于輸入電壓，如185-265V的歐洲電壓范圍可以使用一個(gè)400V的二極管，C1的選擇要根據變換器的啟動(dòng)時(shí)間和短路特性來(lái)確定。實(shí)際上，在短路期間，Vdd電壓會(huì )降到最小必需值以下，使內部高壓電流發(fā)生器能夠產(chǎn)生一個(gè)新的啟動(dòng)順序。電容充放電時(shí)間取決于電容器本身的電容值，因此，電源開(kāi)關(guān)的正確供電時(shí)間也會(huì )發(fā)生相應變化。而且，如果電流脈沖在器件上產(chǎn)生大量的熱，過(guò)溫保護功能可能會(huì )關(guān)斷電路。電容典型值范圍為300nF~10mF，額定電壓是250V，視輸出電壓而定。調節電路只由跨接FB和Vdd引腳的一個(gè)齊納二極管Dz構成。為了使調節功能更加優(yōu)秀，可以在FB和S引腳之間跨接一個(gè)過(guò)渡電容器C2，具體電容值約為幾十個(gè)nF。如果輸出電壓低于15V，要想啟動(dòng)VIPer12A，電路就必須略加修改。在這種情況下，調節電路必須去掉與電源電路的耦合，使用獨立的二極管和電容供給FB引腳上的齊納二極管、D2和C3，如圖6(b)所示。二極管D2是一個(gè)低壓二極管，如1N4148，使Vdd的電壓可以達到啟動(dòng)值。  由于D2 和 C3 構成了一個(gè)輸出電壓峰值檢測器，因此， C3 的電容值將會(huì )影響調節電路的精度。要實(shí)現高精度，該電容值最低可以達到100nF。
如果輸出電壓低于8V，就必須使用一種不同的解決方案。事實(shí)上，雖然控制反饋和電源電路是相互獨立的，但由于輸出電壓低于Vdd引腳上的最低電壓，該器件仍將無(wú)法啟動(dòng)，不過(guò)，在啟動(dòng)模式工作，無(wú)需穩壓和高峰流。目前出現了一種允許給功率IC供電的專(zhuān)利技術(shù)。如圖8(a)所示，為產(chǎn)生所需的電源電壓，該電路的設計比標準降壓拓撲多用一個(gè)感應線(xiàn)圈，它借助一個(gè)分壓器，通過(guò)一個(gè)低壓二極管在一個(gè)輔助電容內儲存所需的能量。在電源開(kāi)關(guān)處于導通狀態(tài)時(shí)，電容C4通過(guò)D3充電，然后在電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，C開(kāi)始放電，通過(guò)D1把能量傳輸到C1。D3是一個(gè)低壓二極管，如1N4148，C4是一個(gè)電容值在10nF至1mF之間的低壓電容器。特別是，貯存VIPer12A所需的電荷和供給正確的電壓時(shí)，必須按照輸出感應線(xiàn)圈比L1/L2和輸入交流電壓，準確計算電容C4的值。由于感應線(xiàn)圈ESR的原因，C4上的電壓還與輸出電流有關(guān)。電容C1按標準過(guò)程計算。有關(guān)輸出電壓Vout<-15V和-15V<Vout<-8V的降壓/升壓交換器的電路簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖7。如果所需的輸出電壓高于-8V，如-5V，就必須采用一種不同的解決方案，如圖8(b)所示。二極管D4是一個(gè)低壓二極管，如1N4148， C4用于貯存VIPer12A所需能量值，電容值大約是100nF。電容C1按照標準過(guò)程計算。電容器C2連接FB和S引腳，以提高整流性能。

應用實(shí)例
本節介紹并分析三個(gè)采用VIPer12A的應用實(shí)例。
第一個(gè)應用實(shí)例是一個(gè)16V~100mA的脫機電源。變換器的技術(shù)參數是Vin=185~265Vac, Vout=15V ，Iout=100mA。為了得到在開(kāi)路負載條件下的調整輸出，在最小輸出電流低于2mA的輸出端連接了一個(gè)負載電阻器Rburden，電路圖見(jiàn)圖6a。為把地線(xiàn)連接到電力網(wǎng)的中性線(xiàn)上，使用了一個(gè)單波整流管。為提高反向電壓的強度，中性線(xiàn)上可以再連接一個(gè)整流二極管。此外，輸入體電容器可以分成2個(gè)電容器，其間可以插入一個(gè)電感線(xiàn)圈，從而構成一個(gè)經(jīng)濟型的EMI濾波器，表1列出了所需的元器件名稱(chēng)。這一電源解決方案可以成功地應用于基于微控制器的低功率電機驅動(dòng)系統。這種應用需要兩個(gè)穩壓輸出：電源開(kāi)關(guān)門(mén)極驅動(dòng)器所需的15V電壓和微控制器所需的5V電壓，電路圖見(jiàn)圖9。在這個(gè)電路中，使用了一個(gè)帶正確系統操作復位的5V線(xiàn)性調節器。電路板的尺寸是3.5