VIPer11：節(jié)能型離線高壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，尋找一款性能出色、節(jié)能高效的高壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下STMicroelectronics推出的VIPer11，這是一款集成了800V雪崩耐用功率MOSFET和PWM電流模式控制的智能高壓轉(zhuǎn)換器，在眾多應(yīng)用場景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、VIPer11的核心特性

1. 強(qiáng)大的功率MOSFET

VIPer11采用了800V雪崩耐用功率MOSFET，這使得它能夠覆蓋超寬的VAC輸入范圍。這種高耐壓的設(shè)計(jì)不僅允許擴(kuò)展輸入電壓范圍的應(yīng)用，還能有效減小DRAIN緩沖電路的尺寸，為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了更大的靈活性。

2. 嵌入式功能模塊

它集成了HV啟動(dòng)和感應(yīng)FET、電流模式PWM控制器等功能模塊。這些嵌入式模塊的存在，使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡潔，減少了外部元件的使用數(shù)量，降低了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3. 多檔電流限制保護(hù)

根據(jù)不同的型號（VIPER113、VIPER114、VIPER115），VIPer11提供了不同的漏極電流限制保護(hù)，分別為370 mA、480 mA和590 mA，能夠滿足不同應(yīng)用場景下的電流保護(hù)需求。

4. 寬電源電壓范圍

其工作電壓范圍為4.5V至30V，這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，提高了系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。

5. 超低功耗設(shè)計(jì)

在節(jié)能方面，VIPer11表現(xiàn)出色。在空載條件下，230VAC輸入時(shí)，系統(tǒng)輸入功耗小于10 mW；在230VAC輸入且負(fù)載為250 mW時(shí)，功耗小于400 mW。這種超低功耗的設(shè)計(jì)使得它能夠輕松滿足最嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

6. 抖動(dòng)開關(guān)頻率

VIPer11采用了抖動(dòng)開關(guān)頻率技術(shù)，其開關(guān)頻率有30 kHz ± 7%（X型）、60 kHz ± 7%（L型）和120kHz ± 7%（H型）三種可選。這種技術(shù)能夠有效降低EMI濾波器的成本，減少電磁干擾。

7. 豐富的保護(hù)功能

它具備過載/短路（OLP）、線路或輸出過壓保護(hù)（OVP）、最大占空比計(jì)數(shù)器保護(hù)、VCC鉗位保護(hù)、脈沖跳過保護(hù)、嵌入式熱關(guān)斷和內(nèi)置軟啟動(dòng)等多種保護(hù)功能，并且在出現(xiàn)故障后能夠自動(dòng)重啟，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

二、引腳設(shè)置與功能

VIPer11采用SSOP10封裝，各個(gè)引腳都有其特定的功能：

1. GND（引腳1）

作為接地和MOSFET源極，內(nèi)部MOSFET源極和器件偏置電流的返回端都連接到該引腳。所有偏置元件的接地都應(yīng)連接到通向該引腳的走線，并與脈沖電流返回端分開，以避免干擾。

2. VCC（引腳2）

控制器的電源引腳，需要在該引腳和GND之間連接一個(gè)外部存儲(chǔ)電容。在啟動(dòng)時(shí)，該引腳內(nèi)部連接到高壓電流源，為VCC電容提供充電電流。同時(shí)，建議在靠近IC的位置并聯(lián)一個(gè)小的旁路電容（典型值為0.1 μF），用于噪聲濾波。

3. DIS（引腳3）

禁用引腳。當(dāng)該引腳的電壓超過內(nèi)部閾值VDIS_th（典型值為1.2 V）超過tDEB時(shí)間（典型值為1 ms）時(shí)，PWM將在自動(dòng)重啟模式下禁用tDIS_RESTART（典型值為500 msec），一旦VDIS降至VDIS_th以下，將恢復(fù)正常操作。通過在DIS引腳和整流電源之間連接一個(gè)分壓器，可以構(gòu)建輸入過壓保護(hù)。在非隔離拓?fù)渲校瑯涌梢詫?shí)現(xiàn)輸出過壓保護(hù)。如果不需要禁用功能，應(yīng)將DIS引腳焊接到GND。

4. FB（引腳4）

直接反饋引腳，是內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器（E/A）的反相輸入，內(nèi)部參考電壓相對于GND為1.2 V。在非隔離轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓信息通過分壓器直接輸入到該引腳。在初級調(diào)節(jié)中，F(xiàn)B分壓器連接到VCC。如果將FB焊接到GND，則E/A將被禁用。

5. COMP（引腳5）

補(bǔ)償引腳，是內(nèi)部E/A的輸出。在該引腳和GND之間需要放置一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能。在二次反饋的情況下，內(nèi)部E/A必須禁用，COMP直接由光耦合器驅(qū)動(dòng)，以控制DRAIN峰值電流設(shè)定點(diǎn)。

6 - 10. DRAIN（引腳6 - 10）

MOSFET漏極引腳。內(nèi)部高壓電流源在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間從這些引腳吸收電流，為VCC電容充電。這些引腳機(jī)械連接到MOSFET的內(nèi)部金屬PAD，以促進(jìn)散熱。在PCB上，應(yīng)在這些引腳下方放置一個(gè)銅區(qū)域，以降低總結(jié)到環(huán)境的熱阻，從而便于功率耗散。

三、電氣與熱特性

1. 絕對最大額定值

VIPer11的各個(gè)引腳都有其絕對最大額定值，例如DRAIN引腳的漏源電壓最大為800 V，VCC引腳的電壓范圍為 -0.3 V至內(nèi)部限制值等。在設(shè)計(jì)過程中，必須確保各個(gè)引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會(huì)對器件造成永久性損壞。

2. 熱數(shù)據(jù)

該器件的熱阻數(shù)據(jù)表明，在不同的安裝條件下，其結(jié)到外殼和結(jié)到環(huán)境的熱阻有所不同。當(dāng)安裝在標(biāo)準(zhǔn)單面FR4板上，銅面積為100 mm2（35 μm厚）時(shí)，結(jié)到環(huán)境的熱阻為95 °C/W。合理的散熱設(shè)計(jì)對于保證器件的正常工作和可靠性至關(guān)重要。

3. 電氣特性

在不同的測試條件下，VIPer11的各個(gè)參數(shù)都有其特定的取值范圍。例如，功率部分的擊穿電壓V BVDSS在IDRAIN = 1 mA、VCOMP = GND、TJ = 25 °C時(shí)為800 V；供應(yīng)部分的啟動(dòng)電阻RG在不同的V DRAIN電壓下，取值范圍為28 MΩ至40 MΩ等。這些電氣特性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

四、工作原理與特性

1. 高壓啟動(dòng)

VIPer11的嵌入式高壓啟動(dòng)功能包括一個(gè)800V額定的輔助N溝道功率MOSFET和一個(gè)可開關(guān)的HV電流源。在啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)DRAIN引腳的電壓超過VHV_START閾值時(shí)，HV電流源開啟，線性地為Cs電容充電。隨著VCC電壓的升高，充電電流也會(huì)相應(yīng)變化。當(dāng)VCC達(dá)到啟動(dòng)閾值VCCon時(shí)，芯片開始工作，初級MOSFET開始開關(guān)，HV電流源禁用，器件由Cs電容中存儲(chǔ)的能量供電。在穩(wěn)態(tài)下，IC可以通過輸出（非隔離拓?fù)洌┗蜉o助繞組（隔離拓?fù)洌┕╇姟?/p>

2. 軟啟動(dòng)

內(nèi)部軟啟動(dòng)功能可以在8個(gè)步驟內(nèi)將逐周期電流限制設(shè)定點(diǎn)從0逐步增加到IDLIM，軟啟動(dòng)時(shí)間tSs內(nèi)部設(shè)定為8 ms。這一功能可以在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)或故障重啟時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，避免因輸出電容完全放電而導(dǎo)致的過大電流。

3. 振蕩器

IC內(nèi)部集成了一個(gè)具有抖動(dòng)功能的固定頻率振蕩器，開關(guān)頻率以260 Hz的速率調(diào)制約± 7% kHz。這種抖動(dòng)功能可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻作用，將開關(guān)頻率的各次諧波能量分布到多個(gè)頻段，從而降低傳導(dǎo)發(fā)射，減少對EMI濾波器的要求。

4. 脈沖跳過保護(hù)

當(dāng)DRAIN峰值電流在tON_MIN內(nèi)超過IDLIM水平時(shí)，會(huì)跳過一個(gè)開關(guān)周期；當(dāng)DRAIN峰值電流在tON_MIN內(nèi)未超過IDLIM時(shí)，會(huì)恢復(fù)一個(gè)開關(guān)周期。這種保護(hù)機(jī)制可以避免轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)常見的“磁通失控”現(xiàn)象，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5. 反饋控制

VIPer11支持直接反饋和二次反饋兩種方式。在直接反饋中，通過內(nèi)部E/A和電壓分壓器可以精確控制輸出電壓；在二次反饋中，需要禁用內(nèi)部E/A，通過外部誤差放大器和光耦合器來設(shè)置DRAIN峰值電流設(shè)定點(diǎn)。

6. 脈沖頻率調(diào)制（PFM）

當(dāng)輸出負(fù)載減小時(shí)，反饋環(huán)路會(huì)降低VCOMP電壓，從而降低DRAIN峰值電流設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)VCOMP達(dá)到VCOMPL閾值時(shí)，DRAIN峰值電流保持在IDLIM_PFM，并且會(huì)跳過一些PWM周期，實(shí)現(xiàn)脈沖頻率調(diào)制。這種工作方式可以在輕載和空載時(shí)降低輸入功耗，同時(shí)避免低頻開關(guān)產(chǎn)生的可聽噪聲。

7. 保護(hù)功能

VIPer11具備多種保護(hù)功能，如過載保護(hù)、最大占空比計(jì)數(shù)器保護(hù)、VCC鉗位保護(hù)、禁用功能和熱關(guān)斷等。在出現(xiàn)故障時(shí)，PWM會(huì)在自動(dòng)重啟模式下禁用一段時(shí)間，然后在故障消除后恢復(fù)正常操作。

五、應(yīng)用信息

1. 典型應(yīng)用電路

VIPer11適用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，如反激式、降壓式和降壓 - 升壓式轉(zhuǎn)換器。文檔中提供了多種典型應(yīng)用電路的原理圖，包括非隔離反激式轉(zhuǎn)換器、帶線路OVP的非隔離反激式轉(zhuǎn)換器、隔離反激式轉(zhuǎn)換器、初級側(cè)調(diào)節(jié)隔離反激式轉(zhuǎn)換器、降壓式轉(zhuǎn)換器和降壓 - 升壓式轉(zhuǎn)換器等。這些原理圖為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供了參考。

2. 節(jié)能性能

通過對采用VIPer11的5 V/1.6 A非隔離反激式轉(zhuǎn)換器和5 V/360 mA降壓式轉(zhuǎn)換器的測試，結(jié)果表明該器件能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率和較低的空載及輕載功耗。在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器的效率和功耗都能滿足節(jié)能要求。

3. 布局指南和設(shè)計(jì)建議

為了確保VIPer11的正常工作和性能，文檔中提供了詳細(xì)的PCB布局指南和設(shè)計(jì)建議。包括信號和功率走線的分離、敏感引腳的濾波、功率環(huán)路的限制、線長的縮短、走線的優(yōu)化和散熱設(shè)計(jì)等方面。遵循這些建議可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

六、總結(jié)

VIPer11作為一款高性能的節(jié)能型離線高壓轉(zhuǎn)換器，具有超寬的輸入電壓范圍、豐富的保護(hù)功能、低功耗和良好的電磁兼容性等優(yōu)點(diǎn)。它適用于多種低功率開關(guān)電源和適配器的設(shè)計(jì)，如家用電器、家庭自動(dòng)化、工業(yè)、消費(fèi)電子和照明等領(lǐng)域。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，可以充分利用VIPer11的這些特性，設(shè)計(jì)出更加高效、穩(wěn)定和可靠的電源系統(tǒng)。你在使用類似的高壓轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。