VIPER28低待机功率开关电源转换器原理与应用

     摘要：VIPER28是ST公司生产的一种集PWM控制器和800V高压功率MOSFET于同一芯片上的离线转换器，待机功率低于50mW，适用于机顶盒、DVD播放机、录音机开关电源和低/*率适配器以及ATX、消费类与家用设备的辅助电源和LED照明电源。

　　1、概述

　　意法半导体（ST）公司推出的离线（off-line）高压变换器系列IC又增加了一个新的成员——VIPER28。这种新型器件是一种将800V功率MOSFET和高性能低压PWM控制器组合在一起的IC。VIPER28其它功能和电路主要有两电平过电流保护、过电压和过载保护、滞后热保护、软启动和故障解除之后的自动重新启动。突发（burst）模式操作和非常低的功率消耗满足待机（standby）节能规范。先进的频率抖动可以降低电磁干扰（EMI）滤波器的成本。高压启动电路已嵌入到芯片上。VIPER28的工作频率有60KHz（VIPER28LN）和115KHz（VIPER28HN）两种。

　　2、VIPER28的基本结构和引脚功能

　　VIPER28主要由高性能低压PWM控制器和带电流感测的高压MOSFET两个部分组成，芯片电路组成如图1所示。

　　VIPER28的控制器电路包含带频率颤抖特性的振荡器、带软启动特征的启动电路、PWM逻辑、带可调设定点的电流限制电路、第二过电流保护电路、突发模式管理电路、额外电源管理（EPT）电路、欠电压锁定（UVLO）电路、自动重新启动电路和热保护电路等。栅极驱动器驱动一个BV_DSS≥800V、RDS（on）=7Ω（在25℃时）的N沟道功率MOSFET。这种集成MOSFET由于带有各种无损耗电流感测特性，故被称为“SenseFET”。

　　VIPER28采用7引脚双列直插式（DIP）封装，外形与引脚排列如图2所示。

　　VIPER28的各个引脚功能见表1。

　　3、主要性能与特点

　　VIPER28的主要性能与特点有：

　　（1）集低压PWM控制器与800V的SenseFET与同一芯片上，仅需外加少量元件，即可构建高性能的宽范围AC输入的反激式离线转换器。

　　（2）电源电压V_DD在导通之后的范围为8.5~23.5V，V_DD启动门限电平是14V±1V，欠电压关闭门限电平是8V±0.5V，钳位电压≥23.5V（I_DD=20mA）。

　　（3）SenseFET的BVDSS≥800V，导通态电阻R_DS(on)≤7Ω，脉冲漏极电流达3A，漏极电流限制在0.8A。VIPER28适用功率如表2所示。

表2  VIPER28适用功率

　　（4）工作频率有60KHz（L型）和115KHz（H型）两种版本，PWM操作带频率颤抖具有低EMI。

　　（5）在265Vac下的待机（standby）功率＜50mW。

　　（6）提供软启动和故障状态之后的自动重新启动。

　　（7）提供两电平过电流保护、过载保护、可调过电压保护及门限是170℃（带30℃滞后）的热关闭保护。

　　4、功能与工作原理

　　4.1  典型应用电路

　　由VIPER28组成的离线反激式开关电源（SMPS）电路如图3所示。其中，D1和C1为桥式整流滤波电路，变压器T1辅助绕组Nb、D4、R5和C3组成VIPER28（U1）的VDD偏置电源电路，R1、C2和D2组成RCD型初级NP钳位电路，D5、C6组成次级输出整流滤波电路，R8/R9、U2（TL431）和光电耦合器U3等组成反馈环路。

　　4.2  工作原理

　　4.2.1  启动

　　当电容C1上的电压超过80V时，DC高压加至U1的DRAIN引脚，内部高压（HV）电流产生器启动导通，从引脚VDD流出3mA的电流对C3充电。对于故障之后的自动重新启动模式，充电C3的电流减少到0.6mA。

　　当V_DD电压达到启动门限VDDon（约14V）时，U1中的功率MOSFET开始开关，HV电流产生器关断。U1开始正常工作后，绕组N_b感生的高频电压经D4整流和R5、C3滤波，为V_DD引脚供电。V_DD电容根据下式计算：

　　式中t_SSaux是偏置（辅助）绕组Nb进入稳态所需要的时间。

　　如果V_DD电压降至V_DDoff=8V以下，U1中的功率MOSFET将被关断，传送到IC的能量中断。如果变换器输入DC电压V_IN低于80V，启动时序被禁止。

　　4.2.2  自动重新启动操作

　　如果在变换器掉电后，V_IN高于80V，启动时序则不被禁止，并且在V_DD电压降至V_{DD（RESTART）}门限（4.5V）以下时被激活。这意味着HV启动电流产生器重新开始对V_DD电容C3充电。在一个故障之后，对C3的充电电流是0.6mA，而正常启动变换器时的充电电流是3mA。在一个故障之后，IC重新启动有一个非常长的重复率，变换器安全工作，仅有非常低的功率通过量（throughput）。图4为发生短路后的IC特性。

　　4.2.3  振荡器

　　VIPER28的开关频率固定在60KHz或115KHz，在250Hz的速率上利用±4KHz（60KHz版本）或±8KHz（115KHz版本）对开关频率进行调制。扩展频谱影响开关频率每个谐波上的分布能量，但总的说来在若干边带上的谐波有相同的能量，只是幅度较小。

　　4.2.4  电流限制与过电压保护（OVP）

　　VIPER28中MOSFET漏极电流被内部Rsense感测并转换为电压输入到PWM比较器的同相输入端，并与引脚FB上的电压进行比较。通过引脚CONT，可以调节电流限制设置点。MOSFET的漏极限制电流是0.8A。

　　在T1的辅助（即偏置）绕组N_b上，连接一个电阻分压器R3/R4。在MOSFET关断期间，偏置绕组产生一个跟踪输出的一个电压，并利用U1的CONT引脚，来监视变换器输出电压。当引脚CONT上的电压超过3V的参考时，通过内部计数器在4个连续的时间中，控制器能够识别过电压故障。当在一个振荡周期中OVP信号不被触发时，计数器则复位，如图5所示。

　　U1引脚CONT上的分压比KOVP可表示为：

　　式中：VOVP=3V，为OVP门限；Nb/NS为偏置绕组与次级绕组匝数比；VOUTOVP为设计者设置的激活OVP的变换器输出电压值；VDSEC是次级整流二极管的正向电压降。

　　R3电阻值可以表示为：

　　4.2.5  反馈与过载保护（OLP）

　　电流型控制器的反馈引脚FB控制PWM操作和突发模式，并用来激活过载保护（OLP）。FB引脚上的电压在0.6V与3.5V之间，PWM比较器非反相输入端上的电流感测信号通过分压器在逐周偏置上与引脚FB上的一个电压相比较。当两个电压相等时，PWM逻辑命令功率MOSFET关断。在过载情况下，引脚FB上的电压增加。当V_FB>3.5V时，MOSFET漏极电流被限制，PWM比较器失能，内部电流产生器开始充电反馈电容C5。当反馈电压达到4.8V的过载关闭门，变换器关断，同时启动状态被激活。从过载检测到U1关闭的时间与C5值有关，计算公式是：

　　4.2.6  突发模式操作

　　当负载减小时，反馈端上的电压VFB降低。只要VFB达到突出模式门限VFBBM（0.6V），MOSFET就会停止开关。在MOSFET截止之后，由于反馈的反作用，在引脚FB上的电压增加。当VFB比VFBBM高出0.1V时，MOSFET再次开始开关，如图6所示。在突发模式操作期间，MOSFET漏极电流被限制在IDS(BM)=160mA。进入突发模式后，VFB降低。一旦VFB=0.6V，开关则又停止。突发模式工作频率远低于正常操作频率，可大大减小轻载或无载时的功率损耗，致使在265Vac时的待机功率<50mW。

　　4.2.7  额外电源管理（EPT）

　　VIPER28引脚EPT上连接一个电容C4（C_EPT），用逐周5μA的电流对其充电和放电。当MOSFET漏极电流增加到限制值I_DLIM的85%时，U1内部的电流产生器对C4充电；一旦漏极电流低于0.85I_DLIM，C4放电。如果C4上电压达到4V的门限V_EPT，变换器关闭。在变换器关闭之后，V_DD电压降至启动门限V_DD(on)（典型值是14.5V）以下。为了重新启动操作，V_DD必须低于门限电平4.5V，才能对V_DD电容C3充电。当引脚EPT上的电压低于0.6V的门限V_{EPT（RESTART）}时，PWM操作重新赋能。如果EPT功能不用，U1的引脚EPT可以接地。

　　4.2.8  第二电平过电流保护和打嗝模式（hiccup mode）

　　VIPER28对次级整流器短路、次级绕组短路和反激变压器硬饱和提供保护。为从一个干扰信号辨别真正的故障，在个信号断开之后则进入预警状态。如果在连续的开关周期中信号不断开，一个暂时干扰被接受，保护逻辑在其空闲状态将复位。如果在两个连续开关周期中超过第二个OCP门限（1.2A），功率MOSFET将关断。如果故障状态不解除，IC进入重新启动模式，并导致低频间歇操作，即所谓“打嗝模式操作”，在功率电路上仅有非常小的应力。图7为打嗝模式OCP定时图。

　　5、结束语

　　VIPER28是一种将800V的带电流传感的功率SenseFET和高性能低压PWM控制器集成在一起的组合离线转换器IC。基于VIPER28的反激式SMPS，仅需用很少量的元件，即可输出10~24W的功率。突发模式操作，使待机功耗<50mW，满足待机节能规范。先进的PWM操作带频率抖动，有非常低的EMI。高压启动电路嵌入到芯片上，无需外加启动元件即可使IC启动。VIPER28提供两电平OCP、过电压保护、滞后过热保护、过载保护和故障后的安全重新启动。VIPER28可以用于机顶盒、DVD播放机和录音机及white goods等SMPS，也可用于ATX辅助电源、低/*率AC/DC适配器以及消费类和家用电器的辅助电源，还可以用于LED照明电源。