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作者：Mirko Sciortino, Giacomo Mercadante, Vittorio Giammello 摘要 VIPer0P是一款離線(xiàn)交流變直流轉換器，內部集成一個(gè)800V耐雪崩功率MOSFET和一個(gè)PWM控制器，在寬輸入功率范圍內實(shí)現7W輸出功率。嵌入式零功耗模式(ZPM)讓開(kāi)關(guān)電源功耗在230VAC時(shí)低于4mW，按照IEC 62301標準定義，這個(gè)功耗值可視為零功耗。 VIPer0P內部功能集成度很高，有助于設計人員設計一款輕巧的電源，同時(shí)節省組件成本。 VIPer0P是一款設計靈活的功率轉換器，適用于開(kāi)關(guān)電源拓撲，例如，反激式轉換器、正極或負極輸出降壓式轉換器。 該產(chǎn)品的寬輸出電壓范圍(5V-30V)方便設計人員靈活地選用變壓器。在諸多內部保護功能中，新的磁通量密度泄漏防護可防止啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生電流尖峰和變壓器飽和現象。 前言 目前，綠色節能對于家電廠(chǎng)商是一個(gè)巨大挑戰，為達到現行或以后出臺的更嚴格的能效法規的要求，家電廠(chǎng)商必須按照節能環(huán)保理念設計產(chǎn)品。 智能功率產(chǎn)品是意法半導體的一大業(yè)務(wù)之柱，意法半導體致力于為客戶(hù)智能家電提供節能電源，而VIPer0P正是意法半導體履行承諾的范例。 很多家電在大部分生命周期內是處于待機模式，白白浪費大量電能，導致這種現象的原因很簡(jiǎn)單，只是沒(méi)有人去關(guān)閉機械式電源開(kāi)關(guān)，切斷電器與電源插座的電連接。 智能開(kāi)關(guān)機管理可有效地解決這種能源浪費問(wèn)題，VIPer0P的零功耗模式(ZPM)正是為此設計。即使家電處于待機狀態(tài)下，未斷開(kāi)與電源插座的連接，先進(jìn)的開(kāi)關(guān)機管理技術(shù)仍可實(shí)現極低的輸入功耗。 事實(shí)上，設備在工作周期結束后可以立即自動(dòng)關(guān)閉，必要時(shí)再重啟開(kāi)機。零功耗模式是由微控制器自動(dòng)控制，也可以由用戶(hù)用低壓開(kāi)關(guān)按鈕或遙控系統加以控制。有了零功耗模式后，電器產(chǎn)品可省去機械開(kāi)關(guān)，降低組件成本。 VIPer0P產(chǎn)品特性 圖2所示是VIPer0P的結構簡(jiǎn)圖，組件包括一個(gè)800V擊穿電壓、20Ω導通電阻的MOSFET晶體管和一個(gè)內置過(guò)流保護機制的固定頻率的電流式PWM控制器。為了能夠使用最小的濾波器達到電磁干擾規范要求，控制器工作頻率采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的固定頻率。在能效和變壓器尺寸方面，為便于客戶(hù)選擇最有效的解決方案，意法半導體提供兩款產(chǎn)品，分別是(FOSC)開(kāi)關(guān)頻率為60kHz的“L”款和120kHz的“H”款。VIPer0P配備輕載管理功能，在幾毫安負載時(shí)同樣能夠取得良好的能效。 為避免人耳聽(tīng)到噪聲，在輕載時(shí)，漏極限流(IDLIM)從400mA降至105mA，此時(shí)，控制器進(jìn)入脈沖頻率調制(PFM)模式。 該產(chǎn)品封裝采用SO16窄貼裝(SMD)。 
圖1 – VIPer0P的主要應用領(lǐng)域 零功耗模式 作為該產(chǎn)品的一個(gè)主要特性，零功耗模式是指產(chǎn)品被完全關(guān)斷的待機狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓為零，在 230V電壓下，待機功耗在4mW以下。芯片進(jìn)入零功耗模式的方法是：強制OFF引腳連接SGND引腳，時(shí)長(cháng)tDEB_OFF 大于10ms；退出零功耗模式(恢復正常開(kāi)關(guān)操作)的方法是：強制ON引腳連接SGND引腳，時(shí)長(cháng)tDEB_ON大于20µs。如圖3所示，ON/OFF引腳可由微控制器管理，而退出零功耗模式，則需要用戶(hù)干預，即按開(kāi)關(guān)按鈕或操作遙控器。
圖2 - VIPer0P架構
圖3 - 微控制器控制的零功耗模式示例 嵌入式誤差放大器 VIPer0P集成一個(gè)誤差放大器(EA)，反相輸入端和輸出端分別是FB和COMP。 誤差放大器的內部參考電壓是1.2V，EAGND引腳上的外部接地參考電壓相對SGND(控制器接地)變負，這準許在非隔離架構中,通過(guò)連接在FB、SGND和 EAGND引腳之間的分壓器，輕松準確地設置負輸出電壓。EAGND直接連在負輸出電壓軌上。 若需要正輸出電壓，則將EAGND引腳與SGND引腳焊在一起，將分壓器置于FB和SGND兩個(gè)引腳與輸出端之間。 如果需要隔離電源，則FB引腳與SGND引腳焊在一起，以禁用誤差放大器，通過(guò)光耦合器的源出電流設置COMP引腳電壓。光耦合器源出電流與二次側外部誤差放大器(TL431或類(lèi)似放大器)的誤差信號成正比。 不論哪一種情況，須在COMP和SGND兩個(gè)引腳之間設置補償網(wǎng)絡(luò )。 內部電源 嵌入式高壓(HV)啟動(dòng)電路包括800V啟動(dòng)MOSFET晶體管和可開(kāi)關(guān)的高壓電流發(fā)生器，其提供的電流ICH 為連接VCC引腳的外部電容CVCC充電。當VCC電壓達到啟動(dòng)閾壓8V時(shí)，芯片開(kāi)始工作，一次側MOSFET開(kāi)關(guān)開(kāi)始運行，高壓電流發(fā)生器關(guān)閉。
圖4 –VIPer0P電源模式: 自供電和外部電源 在穩態(tài)下，芯片支持兩個(gè)不同的偏壓：自供電和外部電源，如圖4所示。 在自供電模式下，CVCC電容存儲的電能為芯片提供電源，不論何時(shí)，只要電壓降至4.25V，高壓電流發(fā)生器就會(huì )激活，為電容充電，直到8V為止。 在外部電源模式下，通過(guò)連接變壓器輔助繞組或者輸出端（后者只有在非隔離型拓撲情況下），可使VCC電壓保持在4.25V以上，高壓電流發(fā)生器始終處于關(guān)閉狀態(tài)。 甚至當輸出電壓較低(例如，5V)時(shí)，VCC的寬電壓范圍(5V - 30V)使芯片能夠繼續使用外部電源，從而提高系統能效，降低組件成本。30V上限使芯片可承受輔助電壓的劇烈變化，讓設計人員靈活地選擇變壓器。 IC自動(dòng)重啟保護 芯片內部保護電路可提高最終產(chǎn)品和芯片本身的安全性和可靠性。這些保護功能包括過(guò)流保護(OCP)、VCC電壓鉗位保護、最大占空比計數器和過(guò)熱保護(OTP)。如果其中某一項保護功能激活并將芯片關(guān)閉，芯片將在持續一段時(shí)間后自動(dòng)重啟，這些被禁用的時(shí)間稱(chēng)為自動(dòng)重啟時(shí)間，用參數tRESTART表示，參數值在芯片內部固定，通常為1秒),然后從軟啟動(dòng)開(kāi)始自動(dòng)重啟過(guò)程。automatically restarted with soft start phase.這個(gè)過(guò)程將會(huì )反復出現，直到故障排除為止。 更低的漏極峰流為可靠啟動(dòng)提供保障 新的脈沖跨周調制模式保護功能可避免漏極電流過(guò)高和變壓器飽和，這兩種現象在轉換器啟動(dòng)階段特別常見(jiàn)(圖5中的虛線(xiàn))，因為當輸入和輸出電壓差值很大時(shí)，電壓時(shí)間開(kāi)始失衡，如果不加以控制，IDRAIN將會(huì )迅速升高。 脈沖跨周調制模式工作原理如下：在導通時(shí)間tON_MIN最小值內，若IDRAIN大于IDLIM ，則開(kāi)關(guān)頻率逐周期二分頻，降至最低值15kH，如圖5實(shí)線(xiàn)所示。如果確實(shí)滿(mǎn)足上述條件，開(kāi)關(guān)頻率保持在15kHz, 且當內部過(guò)流保護計數器OCP記到最后一個(gè)數時(shí)，過(guò)流保護功能啟動(dòng)。在導通時(shí)間tON_MIN內，若IDRAIN小于IDLIM ，則開(kāi)關(guān)頻率逐周期二倍頻，直到開(kāi)關(guān)頻率FOSC恢復到正常為止。
圖5 – 啟動(dòng)期內的脈沖跨周調制模式 VIPer0P評估板 電路板介紹 如圖6所示，STEVAL-ISA174V1能夠讓用戶(hù)使用VIPer0P全部功能，在實(shí)際應用中快速測試器件的性能。該演示板采用非隔離反激式拓撲，通過(guò)雙輸出端口提供大約7W輸出(-5V輸出800mA; +7V輸出大約400mA)，板載 VIPer0P “L”款功率轉換器。通過(guò)將誤差放大器的懸浮接地參考引腳EAGND連至負電壓軌和FB、EAGND和SGND引腳之間的分壓器，很容易獲得負輸出電壓。 該評估板通過(guò)變壓器二次側線(xiàn)圈匝數比設定+7V輸出電壓，使用一個(gè)小信號二極管供給VCC引腳，因此節省了自供電源和啟動(dòng)高壓電流發(fā)生器所發(fā)生的功耗。結合VIPer0P內部模塊的低功耗，這樣設計可在輕載和空載條件實(shí)現極低的輸入功耗。
圖6–STEVAL-ISA174V1 表1–空載和輕載輸入功耗
零功耗模式 在正常式作期間按下開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，OFF引腳被強制連至SGND引腳，且連接時(shí)間大于DEB_OFF，芯片進(jìn)入零功耗模式。除退出零功耗模式所需的模塊外，芯片內部所有模塊均關(guān)閉。表2列出了零功耗模式輸入功耗測量值。 再按下開(kāi)關(guān)時(shí)，ON引腳被強制連至SGND引腳，且連接時(shí)間大于DEB_ON，芯片退出零功耗模式。芯片通過(guò)軟啟動(dòng)恢復開(kāi)關(guān)操作，重新開(kāi)始輸出功率。在實(shí)際應用中，ON和OFF引腳可以由微控制器控制，如圖3所示。實(shí)際上，這些引腳的上拉電阻有幾微安的驅動(dòng)能力，可在零功耗模式供給微控制器。 表2 - 零功耗模式功耗
保護 如果連續施加過(guò)載輸出，過(guò)載時(shí)間tOVL達到50ms，芯片將會(huì )啟動(dòng)自我保護功能，關(guān)閉自動(dòng)重啟電路的功率部分 ，重啟時(shí)間tRESTART時(shí)間典型值為1秒(圖7)。這樣設計可確保轉換器保持較低的重啟嘗試重復率，使轉換器安全地工作，保持極低的功耗吞吐量，避免過(guò)載現象反復出現時(shí)芯片過(guò)熱。
圖7 – 穩態(tài)期間的過(guò)載保護 此外，在保護電路觸發(fā)后的啟動(dòng)期間，內部軟啟動(dòng)功能激活(圖8)，實(shí)際上，這是過(guò)流保護閾值逐漸提高過(guò)程，在內部固定周期tSS (8 ms)內，IDLIM分8步從0升至400mA標稱(chēng)值。這個(gè)功能的用途是降低二次側二極管和電路板功率器件上的應力，提高系統總體可靠性。
圖8 – 在超載保護期間重啟過(guò)程中的軟啟動(dòng) 在過(guò)載現象消除后，芯片恢復正常工作。 在啟動(dòng)階段，若IDRAIN 在tONMIN時(shí)間內升至較高值，則脈沖跨周調制模式激活，以降低芯片的開(kāi)關(guān)頻率(圖9)，為電感提供更多的放電時(shí)間，幫助限制漏極峰流值，防止電流失控現象發(fā)生，避免變壓器出現飽和，提高系統總體可靠性。
圖9 – 啟動(dòng)期內的脈沖跨周調制模式 VIPer0P評估軟件 eDesignSuite：一款以電源管理為主要應用的在線(xiàn)仿真工具，用于電源(AC-DC和DC-DC)、LED燈具(AC-DC和 DC-DC)、太陽(yáng)能、充電器、濾波器和天線(xiàn)設計。 該仿真工具支持許多基于意法半導體產(chǎn)品的拓撲(控制器、MOSFET、二極管、保險、穩壓器等)。新產(chǎn)品 VIPer0P即將被列入支持范圍。插入轉換器的主要參數(Vin, Vout, Iout等)，選擇要使用的控制器，幾秒后，eDesignSuite就能生成一個(gè)完整設計：帶全部注釋的互動(dòng)電路示意圖、完整的互動(dòng)組件清單、分析圖庫(例如，主電流和電壓仿真、能效、Bode穩定性和功率損耗)和變壓器設計。 在完成一個(gè)簡(jiǎn)單的在線(xiàn)注冊后，即可登錄意法半導體網(wǎng)站www.st.com/edesignsuite，使用軟件工具(下面是基于VIPerPLUS系列產(chǎn)品的eDesignSuite設計圖示例)。
結論 VIPer0P是意法半導體最新推出的創(chuàng )新的綠色智能電源解決方案。 VIPer0P讓電源設計人員能夠輕松滿(mǎn)足市場(chǎng)對穩健性和能效的雙重要求。 STEVAL-ISA174V1評估套件評測結果證明，基于VIPer0P的開(kāi)關(guān)電源可輕松滿(mǎn)足能效法規的嚴格要求，例如，CoC5和IEC62301的零功耗要求。此外，評估板套件還能演示IEC電磁兼容性、電磁干擾、電涌、突發(fā)和應用性靜電放電等規范預認證測試。 顯然，VIPer0P為家電廠(chǎng)商帶來(lái)增加產(chǎn)品價(jià)值的機會(huì )。 參考文獻 [1] SPIRIT1數據手冊*“Zero power off-line high voltage converter”: available on www.st.com. [2] eDesignSuite tool available for VIPer0P on www.st.com/edesignsuite. | |||||||||||||||||||||||||||
