基于VIPer53机顶盒开关电源的设计

0 引言

　　VIPer53是新一代高度集成的离线开关集成电路，采用ST公司的纵向智能功率专利技术(VlPower)，具有很高的集成度，内置一个采用多重漏极网格工艺(MD-Mesh)的功率MOSFET，目标应用包括机顶盒、DVD影碟机、录像机的电源变换器以及电视、PC机和旅行适配器内的辅助电源。VIPer53采用片上系统，同一个封装内包含有系统的控制部分和功率MOSFET。这种新的封装工艺满足r所有的单片集成电路无法满足的应用需求，特别是对那些功率要求不断提高而专用热设计成本控制愈加严格的电力变换器。本文采用VIPer53设汁了一种30W机顶盒专用开关电源，给出了设计方法和实验结果。

1 VIPer53的工作原理

　　VIPer53集成了增强型电流模式PWM控制器和一个高压MD.Mesh功率MOSFET。VIPer53内部结构如图1所示，包括开关电路一次侧所需的全部模块：控制部分包括该变换器启动用高压电流源、脉宽调制驱动器和各种保护功能，如过压保护、热关机、逐周限流和负载保护，功率MOSFET的最小击穿电压为620 V，通态电阻RDSFET在25%时为1Ω。引脚VDD为控制电路的电源，在启动阶段为外部相连的电容充电，包含4个闯值电压。VDDcm为开启电压，典型值为11.5V:VDDoff为关机电压，典型值为8.4V；VDDreg为原边反馈工作的电压起始点，精准15 V；VDDovp为过压保护电压，典型值为18V。引脚SOURCE为功率MOSFET的源级和电路参考地。引脚DRAIN为功率MOSFET的漏级，连接高频变压器的原边绕组，在上电阶段被内部高压电流源利用，为引脚VDD外部电容充电。引脚TOVL连接一个外部电容用于产生过载保护延时，引脚COMP上的电压大于4 35 v时过载保护发生。引脚OSC通过外部连接的阻容网络RT一CT定开关频率。引脚COMP为电流模式结构的输入和内部误差放大器的输出，允许通过外部无源网络设定该SMPS的动态特性，可用的电压范围为0.5～4.5V。低于0.5 V时功率MOSFET关闭，高于4.35V时过压保护发生，该动作延时时间长短由与引脚T0VL相连的定时电容大小决定。

　　通过连接OSC引脚的电阻一电容网络，可以从外部设置开关频率，最高可以设定到300kHz。当开关电源上电时，位于漏极引脚和脚VDD之间的内部高压电流源为器件供电，并向一个连接VDD外部电容器充电。当VDD电压达到电压闯值VDDon时，内部高压电流源关闭，器件开始正常操作，由高频变压器辅助绕组继续为VIPer53器件供电。

　　VIPer53的反馈控制系统属于电流控制，通过脚COMP实现系统功能。该控制是指将流经功率MOSFET及回扫变压器的电流与调节电路的输出电压产生的反馈信号进行比较，比较的结果决定确定MOSFET的导通时间。

　　VIPer53的优点首先是在空载条件下将能耗降低到近乎零，使电源制造商可以达到新的更加严格的生态标准，如"能源之星计划"；其次，因为通态电阻RDS(on)低，功率变换效率明显提高，而且无需使用散热器，从而避免了制造成本的增加。典型情况下，DIP一8封装可输出功率30W，Power-SO-10封装可输出功率40W，使用电压范围为ACR5～265V。

　　VlPer53的一个重要功能是指通过脚TOVL完成的过载延时。如果引脚COMP电压超过4.35V，过载保护就会启动，连接引脚TOVL的外部电容器就开始充电，同时MOSFET开始不断地开关操作。在这个期间，漏极电流限制在1.6A。如果过载状态维持不变，待TOVL电容电压达到阈值电压VOVLth,MOSFET关断。此时，VDD电压下降，当达到VDDoff闽值电压时，内部高压电流源接通，则一个新的启动周期开始。如果过载或短路状态继续存在，VIPer53将进入无休止的重启序列。引脚TFOVL的外接电容充电时间为延时时间，该时间tOVL必须大于该开关电源的启动时间tss因为这段时间内辅助绕组无法向系统提供充足的电能。

2 机顶盒电源的要求

在数字机顶盒的所有功能模块中，从接收器、32位微处理器、不同偏压的数字电路到周边设备，以及输入/输出电路，都各有特定的电源电压要求。数字机顶盒使用数字信号处理器(DSI，)和微处理器(MPU)并且支持嵌入式操作系统以满足当今嵌入式音频、视频和通信应用对高速运算和低功耗的要求。为了充分发挥动态电源管理能力，部分处理器内部集成有一个片内开关稳压器，它利用2.25～3.6V外接电源电压可产生0.7～1.2 V可设置的内核工作电压，从而节省了外部电源元器件。在机顶盒供电中，除了+3 3V以及+5V输出为数字信号处理器、微处理器等控制芯片组供电外，还需要+12V、+24V和+30V输出，例如在新一代机顶盒中，很多外设如硬盘、DVD等，都需要+12V电源。对于机顶盒电源而言，由于输出功率高，输出路数多，而且由于线性稳压电源的效率低、适应电网电压范围窄