引言 VIPer53是新一代高度集成的離線開關(guān)集成電路，采用ST公司的縱向智能功率專利技術(shù)（VlPower），具有很高的集成度，內(nèi)置一個(gè)采用多重漏極網(wǎng)格工藝（MD—Mesh）的功率MOSFET，目標(biāo)應(yīng)用包括機(jī)頂盒、DVD影碟機(jī)、錄像機(jī)的電源變換器以及電視、PC機(jī)和旅行適配器內(nèi)的輔助電源。VIPer53采用片上系統(tǒng)，同一個(gè)封裝內(nèi)包含有系統(tǒng)的控制部分和功率MOSFET。這種新的封裝工藝滿足r所有的單片集成電路無法滿足的應(yīng)用需求，特別是對(duì)那些功率要求不斷提高而專用熱設(shè)計(jì)成本控制愈加嚴(yán)格的電力變換器。本文采用VIPer53設(shè)汁了一種30W機(jī)頂盒專用開關(guān)電源，給出了設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1 VIPer53的工作原理 VIPer53集成了增強(qiáng)型電流模式PWM控制器和一個(gè)高壓MD.Mesh功率MOSFET。VIPer53內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括開關(guān)電路一次側(cè)所需的全部模塊：控制部分包括該變換器啟動(dòng)用高壓電流源、脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器和各種保護(hù)功能，如過壓保護(hù)、熱關(guān)機(jī)、逐周限流和負(fù)載保護(hù)，功率MOSFET的最小擊穿電壓為620 V，通態(tài)電阻RDSFET在25％時(shí)為1Ω。引腳VDD為控制電路的電源，在啟動(dòng)階段為外部相連的電容充電，包含4個(gè)闖值電壓。VDDcm為開啟電壓，典型值為11．5V:VDDoff為關(guān)機(jī)電壓，典型值為8．4V；VDDreg為原邊反饋工作的電壓起始點(diǎn)，精準(zhǔn)15 V；VDDovp為過壓保護(hù)電壓，典型值為18V。引腳SOURCE為功率MOSFET的源級(jí)和電路參考地。引腳DRAIN為功率MOSFET的漏級(jí)，連接高頻變壓器的原邊繞組，在上電階段被內(nèi)部高壓電流源利用，為引腳VDD外部電容充電。引腳TOVL連接一個(gè)外部電容用于產(chǎn)生過載保護(hù)延時(shí)，引腳COMP上的電壓大于4 35 v時(shí)過載保護(hù)發(fā)生。引腳OSC通過外部連接的阻容網(wǎng)絡(luò)RT一CT定開關(guān)頻率。引腳COMP為電流模式結(jié)構(gòu)的輸入和內(nèi)部誤差放大器的輸出，允許通過外部無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)定該SMPS的動(dòng)態(tài)特性，可用的電壓范圍為O．5～4．5V。低于O．5 V時(shí)功率MOSFET關(guān)閉，高于4．35V時(shí)過壓保護(hù)發(fā)生，該動(dòng)作延時(shí)時(shí)間長短由與引腳T0VL相連的定時(shí)電容大小決定。 通過連接OSC引腳的電阻一電容網(wǎng)絡(luò)，可以從外部設(shè)置開關(guān)頻率，最高可以設(shè)定到300kHz。當(dāng)開關(guān)電源上電時(shí)，位于漏極引腳和腳VDD之間的內(nèi)部高壓電流源為器件供電，并向一個(gè)連接VDD外部電容器充電。當(dāng)VDD電壓達(dá)到電壓闖值VDDon時(shí)，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，器件開始正常操作，由高頻變壓器輔助繞組繼續(xù)為VIPer53器件供電。 VIPer53的反饋控制系統(tǒng)屬于電流控制，通過腳COMP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。該控制是指將流經(jīng)功率MOSFET及回掃變壓器的電流與調(diào)節(jié)電路的輸出電壓產(chǎn)生的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，比較的結(jié)果決定確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。 VIPer53的優(yōu)點(diǎn)首先是在空載條件下將能耗降低到近乎零，使電源制造商可以達(dá)到新的更加嚴(yán)格的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，如“能源之星計(jì)劃”；其次，因?yàn)橥☉B(tài)電阻RDS（on）低，功率變換效率明顯提高，而且無需使用散熱器，從而避免了制造成本的增加。典型情況下，DIP一8封裝可輸出功率30W，Power—SO一10封裝可輸出功率40W，使用電壓范圍為ACR5～265V。 VlPer53的一個(gè)重要功能是指通過腳TOVL完成的過載延時(shí)。如果引腳COMP電壓超過4.35V，過載保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)，連接引腳TOVL的外部電容器就開始充電，同時(shí)MOSFET開始不斷地開關(guān)操作。在這個(gè)期間，漏極電流限制在1．6A。如果過載狀態(tài)維持不變，待TOVL電容電壓達(dá)到閾值電壓VOVLth,MOSFET關(guān)斷。此時(shí)，VDD電壓下降，當(dāng)達(dá)到VDDoff閩值電壓時(shí)，內(nèi)部高壓電流源接通，則一個(gè)新的啟動(dòng)周期開始。如果過載或短路狀態(tài)繼續(xù)存在，VIPer53將進(jìn)入無休止的重啟序列。引腳TFOVL的外接電容充電時(shí)間為延時(shí)時(shí)間，該時(shí)間tOVL必須大于該開關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間tss因?yàn)檫@段時(shí)間內(nèi)輔助繞組無法向系統(tǒng)提供充足的電能。 2 機(jī)頂盒電源的要求 在數(shù)字機(jī)頂盒的所有功能模塊中，從接收器、32位微處理器、不同偏壓的數(shù)字電路到周邊設(shè)備，以及輸入／輸出電路，都各有特定的電源電壓要求。數(shù)字機(jī)頂盒使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSI，）和微處理器（MPU）并且支持嵌入式操作系統(tǒng)以滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用對(duì)高速運(yùn)算和低功耗的要求。為了充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)電源管理能力，部分處理器內(nèi)部集成有一個(gè)片內(nèi)開關(guān)穩(wěn)壓器，它利用2．25～3．6V外接電源電壓可產(chǎn)生0．7～1．2 V可設(shè)置的內(nèi)核工作電壓，從而節(jié)省了外部電源元器件。在機(jī)頂盒供電中，除了+3 3V以及+5V輸出為數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器等控制芯片組供電外，還需要+12V、+24V和+30V輸出，例如在新一代機(jī)頂盒中，很多外設(shè)如硬盤、DVD等，都需要+12V電源。對(duì)于機(jī)頂盒電源而言，由于輸出功率高，輸出路數(shù)多，而且由于線性穩(wěn)壓電源的效率低、適應(yīng)電網(wǎng)電壓范圍窄，穩(wěn)壓性能差、笨重等，趨向于采用技術(shù)成熟的開關(guān)電源。 3 30W機(jī)頂盒開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì) 一種5路輸出的機(jī)頂盒電源的技術(shù)指標(biāo)如下： 1）輸出3.3V／2A； 2）輸出5.V／l A： 3）輸出12V／100mA； 4）輸出24V／500mA； 5）輸出30V／50 rnA； 6）總功率輸出接近30W。 利用反激式開關(guān)電源的高頻變壓器一般設(shè)計(jì)方法或?qū)Ｓ玫腣IPERSCOFT軟件設(shè)計(jì)機(jī)頂盒的高頻變壓器。輔助繞組用來提供15V工作電壓，由于與腳VDD相連的誤差放大器設(shè)定值為15V，因此副邊繞組的匝數(shù)必須通過副邊繞組與輔助繞組匝數(shù)比來建立。首先選定原級(jí)與電壓輸出最低的次級(jí)的匝比，Np／NoL，然后計(jì)算每匝電壓值V1,V1=（VOL十VD）／NoL,VD為二極管正向?qū)▔航?，PN結(jié)二極管取O．7V，肖特基二極管取O．4V。最終確立了一組高頻變壓器參數(shù)，如圖2所示。 技術(shù)要求：磁芯為EE28立式，磁芯材料為PC40。變壓器經(jīng)過油浸處理，各個(gè)繞組之間的絕緣耐壓不低于AC 2500V，lmin；各層之間的絕緣電壓不低于AC 1500V，l min。所有線圈與外殼絕緣電壓不低于AC 2500V，lmin。 4 機(jī)頂盒開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì) VIPer53與外圍器件以及整個(gè)變壓器輸入側(cè)與輸出側(cè)電路與參數(shù)如圖3所示。輔助繞組通過二極管DlD直接向VIPer53提供穩(wěn)定15V電壓。過載延時(shí)電路由腳TOVL外R2D”和C3D組成，器件參數(shù)確保了延時(shí)時(shí)間大于該開關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間。增強(qiáng)電流模式控制外圍電路由R3D、C4D與C5D構(gòu)成，能夠設(shè)置該開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性。 輸入EMI濾波器采用共模線圈、共模和差模電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠同時(shí)濾除差模和共模干擾，見圖3所示的電源輸和入端。電源輸入端增加了一個(gè)NTC電阻，以便限制系統(tǒng)上電時(shí)涌流的幅值。高頻變壓器原級(jí)采用標(biāo)準(zhǔn)的RCD鉗位電路，也可以采用TRANSIL電路來降低待機(jī)損耗。電容ClE和C2F用于降低高頻變壓器的產(chǎn)生共模干擾。開關(guān)頻率為100kHz，通過電阻RlD和ClD—n設(shè)定。在待機(jī)和輕載時(shí)，內(nèi)置突發(fā)模式電路能夠跳過一些開關(guān)周期，降低等效的開關(guān)頻率。根據(jù)腳COMP的電壓大小，VIPer53提供一個(gè)雙值消隱時(shí)間，即電壓為0．5 V和lV時(shí)消隱時(shí)間為150 ns和400ns。 本設(shè)計(jì)中負(fù)載功率和輸出電流最大的輸出為+3 3V、+5V和+24V輸出，鑒于24V為選用輸出，+3．3V與+5V輸出功率接近，因此主電壓反饋采用+3 3V和5V輸出。通過一個(gè)可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和一個(gè)光耦提供反饋電壓，光耦集電極的電壓可以確定BIPer53的峰值漏極電流，反饋比較電路跨接在TL431的陰極和參考引腳上。C6D與R5D為TL43l的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。R7D、R8D和R9D為比例反饋電阻，使得+3．3V和+5V輸出按照一定的比例進(jìn)行反饋，使得兩路輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率均可達(dá)±5％。其余各路輸出均按照高頻變壓器的匝數(shù)比來決定．鑒于+3 3V、+5V和+24v輸出功率較大，都增加了后級(jí)Lc濾波器，以便減少紋波電壓。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在實(shí)驗(yàn)室完成了對(duì)該機(jī)頂盒開關(guān)電源的制作和實(shí)驗(yàn)，電路板尺寸為74mm×186mm。實(shí)測最小輸入交流電壓85V時(shí)的最大占空比為45%，額定輸入交流電壓220V時(shí)最大占空比為28%。電源輸入端連續(xù)傳導(dǎo)騷擾的準(zhǔn)峰值和平均值曲線均符合EN55022CLASSB標(biāo)準(zhǔn)。交流220V供電時(shí)，輕載與滿載時(shí)輔助繞組提供的工作電源均為15V，最大工作電流20mA。輕載時(shí)+3．3V、+5V、+12V、+24V和+30V輸出平均值分別為3．48V、5.52V、14．0V、25．0V和30．8V,最大紋波電壓峰峰值小于20mV。滿載時(shí)分別輸出3．20V、5．20V、12．1V、23．1V和30．OV，最大紋波電壓峰峰值分別為175mV、150mV、250mV、80mV和80mV。滿載時(shí)+3．3V、+5V和+24V輸出的輸出電壓波形和對(duì)應(yīng)的紋波電壓波形分別如陶4、圖5和圖6所示．功率M0SFET的集電極D與發(fā)射極S之間的電壓VCE如圖7所示，可見占空比為28％，小于50％，VCE峰值為540V，另外空載時(shí)VCE峰值為450V，均小于MOSFET的擊穿電壓620V。 6 結(jié)語 本文在分析機(jī)頂盒對(duì)開關(guān)電源要求的基礎(chǔ)上，利用功率集成電路VIPer53給予了一種實(shí)現(xiàn)具有5路輸出，適用于通用交流輸入，具有良好的傳導(dǎo)EMI性能的電源。實(shí)驗(yàn)表明利用VIPer53的機(jī)頂盒電源具有設(shè)計(jì)方便、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且待機(jī)損耗小，無需額外散熱器，是一種理想的開關(guān)電源用功率IC。