基于VIPer22A的空调开关电源设计

目前，新型空调机采用两个主低压输出给内部电子设备供电。这两个主输出的低压分别是+12V和+5V。低输出电压是由一个内部开关电源产生。这个开关电源需要以下多个重要特性∶效率高，重量轻，尺寸小，待机功耗低等。

设计人员利用VIPerX2系列产品可以开发出一个含有所有这些重要功能的电源，因此，该系列产品是开发空调应用的最理想的解决方案, 特别是本文介绍的电路板是为改进图1所示的特性而专门开发的，表1列举了空调开关电源的技术规格。

　　表1∶电气规格

　　

　　

　　图1: 电路板布局

　　1. VIPERX2A描述

　　VIPerX2A 是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应MOS晶体管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成本，简化电路板设计。因此，这个产品家族广泛用于离线开关式电源。此外，该系列产品还采用微型的SMD封装(SO-8)。VIPer系列的待机功耗(小于1W)符合蓝天使和能源之星等节能标准。

　　1.1 一般特性

　　VIPerx2A产品采用ST的VIPower M0-3高压专利技术，M0-3高压技术利用一个P型掩埋层的方法，允许在同一颗芯片上集成低压系统(PWM)和电流垂直流动的功率级，如图2所示。 VIPerX2A产品有以下一般特性∶自动热关断;高压启动电流源;防止输出短路导致击穿故障的打嗝(HICCUP)模式;保证低负载条件下低功耗的突发模式。

　　而且，VIPower M0-3技术还可用于开发最小击穿电压为730V的功率场效应MOS晶体管。表2说明了该产品在不同的封装和工作条件下的功率处理能力。

　　

　　图2:MO-3技术示意图

　　表2∶在不同的封装和工作条件下的功率处理能力

　　

　　1.2 结构框图

　　通过仔细观察图3的示意图，我们不难看出功率级是由含有一个快速比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自NMO Ssense和feed-back(FB)两个引脚。比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个外部振荡器，即可将开关频率固定在 60kHz，从而不再需要其它的外部组件。其它的内部模块是内部电源稳压器和过热检测器，前者在VDD引脚上能够支持45V，後者在170°C(典型值)时提供热关断功能。该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这个结构中，N-MOS感应电流和FB电流汇合在电阻器R2上。电阻R2上的电压取决于这个电流值的大小，然後，这个电压值与一个内部固定的参考电压(0.23V)比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和 Id电流值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB引脚，以保证输入出输出之间的绝缘。监视VDD电压的是一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实上，只要VDD电压值大于VDDON的电压值，比较器就会导通，并给VDD电容器充电。一旦达到这个条件，功率场效应MOS晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过相同的开关周期，以便在负载减弱时降低功耗。

　　

　　2. 空调应用

　　2.1 示意图

　　图4给出了本文讨论的空调机使用的VIPer22电源的示意图。这个电源设计有两个输出电压，分别是12V和5V。最大功率处理能力是10W，输出电压 12V。第一个输出的峰值电流是900mA。然而，第二个输出(5V)的实现方法是在第一个输出上串联一个线性稳压器(7805)和一个分配电压降的齐纳二极管D9。这个解决方案让5V输出电压具有很高的精确度，因此该方案特别适合给微控制器或/ 和逻辑电路、LCD和蜂鸣器供电。第二输出的峰值电流为400mA。如图4所示，该解决方案的二次侧反馈是一个隔离式的逆向拓扑结构。控制回路通过一个光耦合器(TL431)实现的，这个光耦合器含有一个高稳定性的参考电压管，以检查12V输出电压，确保输入和输出完全绝缘。一个Transil缓冲电路 (D6-D7)可以有效地防护反射电压和漏电感产生的峰值电压。

　　

　　图4: 空调开关电源示意图

　　2.2 测试结果

　　这个应用的主要目标是确保两个输出的电压都非常精确。第一个输出(12V)的电压精确度很高是因为它位于二次稳压反馈内，而第二个输出(5V)的电压精度很高是因为这条线路采用一个标准的线性稳压器。这个空调器应用是为宽压市电(85-265VAC)而开发的。如图5所示，待机功耗总是低于1W，符合能源之星的待机功耗标准的规定。图6所示是在5V输出无负载条件下测量到的能效值。

　　

　　图5: 待机条件下功耗曲线图

　　

　　图6: 效率测量结果

　　3 演示板描述

　　3.1 电路板布局

　　这是一个单层电路板设计，下层是铜线，上层是丝网印刷面。两个线路如图7所示，这个电路板的尺寸为50x40mm。

　　

　　图7: 电路板布局(尺寸为50x40mm)

　　3.2 材料单

　　表3给出了开发这个应用所需的组件的详细清单。

　　表3 VIPer22电源应用组件清单