VIPer50单片智能开关电源及其应用

1 引言

　　低成本、高效率、小型化、离线式调节是开关电源发展的必然趋势。意法半导体公司生产的VIPer50是将功率MOSFET与PWM控制器集成在同一芯片的单片开关电源集成电路，它是目前最具代表性的五端单片开关电源器件。该芯片简化了50W以下开关电源电路的拓朴结构，使得开关电源的效率和可靠性大幅度提高，同时大大降低了电源电路的体积与制造成本。

2　VIPer50的结构特点

　　VIPer50在芯片上集成了开关管、驱动级、振荡器、PWM控制器、欠压锁存电路、宽带误差放大器、延迟电路、消隐电路、过载和超温保护电路等，实现了单片集成化，内部结构框图如图1所示。

图1　VIPer50内部结构框图

　　VIPer50的主要特点如下：

　　（1）集优化的高压纵向功率MOSFET、脉宽调制器（PWM）和各种保护电路于一体，使外围元件减少20~50个，提高了系统的可靠性并降低成本。
　　（2）工作电压范围为85~265VAC，适合于世界各地的工频电源，无需电压选择开关。
　　（3）转换效率高，待机电流小。具有独特的突发模式控制功能，当电源处于待机状态时自动进入突发模式，消耗功率低于1W，符合欧洲“蓝天使”的待机标准。
　　（4）既可工作于固定频率（约200kHz）方式，也可工作于用户调整方式或同步方式，最高工作频率可设置为300kHz。
　　（5）开机软启动，并具备完善的保护功能，例如欠压磁滞锁存、超温关机、过压限制保护等。
　　（6）不需要外围电流检测电路，利用MOSFET的导通电阻RDS（on）来检测和控制流它的电流，与分立MOSFET的作用不相同。

3　VIPer50的引脚功能

　　VIPer50采用了PENTAWATT　HV、PENTAWATT　HV（220）、PowerSO-TOTM三种的封装，各引脚功能描述如下：

　　漏极引脚（DRAIN），内部连接高压功率MOSFET的漏极引脚。在电源启动期间，通过高压电流源为内部控制电路提供偏置电流，在电源正常工作期间关闭高压电流源。
　　源极引脚（SOURCE），内部连接功率MOSFET的源极引脚。
　　电源供电引脚（VDD），该引脚有两种功能：（1）给内部控制电路提供电源电压，当VDD引脚电压低于8V时，功率MOSFET关断，启动电流源被激活， VDD引脚偏置电流约2mA，COMP对地短路。当VDD电压升高到11V阈值电压时，启动电流源自动关闭，器件开始转换，变压器向负载供电。（2）内部连接误差放大器，允许初级调节设置和次级调节设置。
　　控制引脚（COMP），该引脚有两种功能：（1）它是误差放大器的输出端，外部连接RC网络用于回路补偿。（2）当电子设备进入待机状态时，COMP引脚将电压低于0.5V，器件能自动转换到突发模式（低频工作模式），从而降低了开关电源的损耗。
　　频率调整引脚（OSC），该引脚通过偏置电阻Rt连接到VDD，Rt、Ct网络决定了内部振荡频率。改变Rt、Ct的参数，可使振荡频率在30kHz~1000kHz范围内调节。Rt、Ct的取值与与振荡频率FSW之间的关系满足：

　　当Rt>1.2kΩ，Ct≥15nF时，FSW≤40kHz。
　　用光电耦合器取代Rt、Ct网络，在其发光二极管端引入外部时钟脉冲，电路工作在外同步模式，如图2所示。

图2　VIPer50工作在外同步模式
4 典型应用电路

4.1　通用型开关电源

　　由VIPer50构成的通用型开关电源电路如图3所示，该电路采用了典型的单端反激式拓朴结构，交流输入电压范围为85~265V，输出功率为30W（+5V、6A），效率达85%，负载调整率S1在4%~6% 。接通电源后，220V交流电首先经EMI滤波、桥式整流、C2滤波，得到约300V直流高压，再经开关变压器T1初级绕组N1，给VIPer50提供开机电压。反馈绕组N2上的感应电压通过R3、VD3、C4整流滤流后，得到反馈电压，分成两路：一路加至VDD引脚，为芯片提供电源电压；另一路则通过振荡电阻R4送至频率调整端，为振荡电容C5提供充电电压。从T1次级绕组N3输出的PWM功率信号，经过VD2整流及C9、L2、C10滤波后，产生+5V的稳压输出。

　　为防止刚开机时输入滤波电容C2上的充电电流过大，在交流输入端串联了一只负温度系数的热敏电阻R1。电容C1与扼流圈L2构成简单的EMI滤波器，用于抑制交流电网中的高频噪声。VD1、R2、C3组成钳位保护电路，可将开关变压器T1初级绕组上的高压感应电动势衰减到安全范围内，避免损坏芯片。VD1为阻塞二极管，实选BYD37J型600V／1.5A快恢复二极管；C3优选耐压高、漏电小的陶瓷电容（2200pF/1kV）；BR1选择由4只IN4007（1A/1kV）硅整流管构成的桥式整流器。VD3采用高频开关二极管1N4148；VD2须选用10A/30V以上的肖特基二极管，例如B82-004型（15A/40V）。C6、C7和R5组成了回路补偿电路，它们能改善内部误差放大器的频率响应。为抑制共模干扰，在开关变压器N2、N3绕组的同名端之间，还并联了一只高压陶瓷电容（1000pF/3kV）。