VIPER28：高性能高壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇一款性能優(yōu)越、功能豐富的高壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下意法半導(dǎo)體（ST）推出的VIPER28，它是一款集高性能、低功耗和多種保護(hù)功能于一身的高壓轉(zhuǎn)換器，能滿(mǎn)足眾多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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一、VIPER28概述

VIPER28是一款智能集成了800V耐用功率MOSFET與PWM電流模式控制的高壓轉(zhuǎn)換器。它具有超低的功耗，在輕負(fù)載下以突發(fā)模式運(yùn)行，能夠輕松滿(mǎn)足更嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。此外，該器件還配備了可調(diào)節(jié)的額外功率定時(shí)器（EPT），使其能夠在過(guò)載條件下持續(xù)工作數(shù)秒。它還集成了HV啟動(dòng)、檢測(cè)FET和帶有抖動(dòng)的振蕩器，大大減少了應(yīng)用中的組件數(shù)量。同時(shí)，它具備高級(jí)保護(hù)功能，如雙級(jí)過(guò)流保護(hù)（OCP）、輸出過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)和帶滯后的熱關(guān)斷保護(hù)，并且在故障條件消除后能夠自動(dòng)重啟。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 強(qiáng)大的功率MOSFET與控制功能

• 采用800V雪崩耐用功率MOSFET，可實(shí)現(xiàn)超寬范圍的交流輸入電壓 (V_{ac})，確保在不同電壓環(huán)境下穩(wěn)定工作。
• 內(nèi)置HV啟動(dòng)和檢測(cè)FET，配合PWM電流模式控制器，實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。

  2.2 靈活的過(guò)流保護(hù)

• 具備可選閾值的OCP（(I{Dlim})）和更高值的二級(jí)OCP（(I{DMAX})），有效保護(hù)IC免受變壓器飽和或次級(jí)二極管短路的影響。

  2.3 低功耗設(shè)計(jì)

• 在230V (V_{ac}) 下，無(wú)負(fù)載功耗僅為30mW，顯著降低了能源消耗。

  2.4 可調(diào)節(jié)的工作頻率

• 提供兩種工作頻率：60kHz（L型）或115kHz（H型），并且抖動(dòng)頻率可降低電磁干擾（EMI）。

  2.5 額外功率管理

• 額外功率定時(shí)器（EPT）可在數(shù)秒內(nèi)屏蔽過(guò)載電流，增強(qiáng)了設(shè)備在過(guò)載情況下的穩(wěn)定性。

  2.6 全面的保護(hù)功能

• 輸出過(guò)壓保護(hù)具有嚴(yán)格的容差和數(shù)字噪聲濾波器，軟啟動(dòng)功能可減少啟動(dòng)時(shí)的應(yīng)力，延長(zhǎng)IC使用壽命。
• 熱關(guān)斷功能提高了系統(tǒng)的可靠性和IC的使用壽命，并且在故障條件下能夠自動(dòng)重啟。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

VIPER28的應(yīng)用范圍廣泛，適用于以下領(lǐng)域：

• 消費(fèi)和家用設(shè)備的輔助電源：為各種家電產(chǎn)品提供穩(wěn)定的電源支持。
• 電表和數(shù)據(jù)集中器的電源：滿(mǎn)足這些設(shè)備對(duì)高精度、低功耗電源的需求。
• AC - DC適配器：為各類(lèi)電子設(shè)備提供高效的電源轉(zhuǎn)換。

四、產(chǎn)品規(guī)格與參數(shù)

4.1 封裝與訂購(gòu)代碼

4.2 典型功率

注：

1. 在50°C環(huán)境溫度下，在非通風(fēng)封閉適配器中測(cè)量的典型連續(xù)功率。
2. 在50°C環(huán)境溫度下，開(kāi)放式框架設(shè)計(jì)中具有足夠散熱的最大實(shí)際連續(xù)功率。
3. 在50°C環(huán)境溫度下，具有足夠散熱的最大實(shí)際峰值功率，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為2秒。

4.3 引腳設(shè)置與功能

4.4 電氣特性

VIPER28的電氣特性涵蓋了功率部分、電源部分、控制器部分等多個(gè)方面，具體參數(shù)可參考文檔中的詳細(xì)表格。例如，功率部分的擊穿電壓 (V{BVDSS}) 最小為800V，OFF狀態(tài)漏極電流 (I{OFF}) 最大為60μA；電源部分的啟動(dòng)充電電流 (I_{DDch1}) 典型值為 - 3mA等。

五、典型電路與應(yīng)用設(shè)計(jì)

5.1 基本反激式應(yīng)用電路

基本反激式應(yīng)用電路是VIPER28常見(jiàn)的應(yīng)用形式之一，它通過(guò)輸入交流電壓，經(jīng)過(guò)一系列的電容、電阻和變壓器等元件，最終輸出直流電壓。在這個(gè)電路中，VIPER28作為核心控制器，通過(guò)PWM邏輯控制功率MOSFET的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。

5.2 全功能反激式應(yīng)用電路

全功能反激式應(yīng)用電路在基本反激式應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上，增加了更多的功能模塊，如額外功率定時(shí)器（EPT）、輸出過(guò)壓保護(hù)等。通過(guò)合理設(shè)置電路中的電阻、電容等元件參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓、電流的精確控制和保護(hù)。

六、工作原理與操作模式

6.1 功率部分與柵極驅(qū)動(dòng)器

功率部分采用雪崩耐用的N溝道MOSFET，確保在指定能量額定值內(nèi)安全運(yùn)行，并具有高dv/dt能力。柵極驅(qū)動(dòng)器在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)提供受控的柵極電流，以最小化共模EMI。在欠壓鎖定（UVLO）條件下，內(nèi)部下拉電路將柵極保持在低電平，防止功率部分意外開(kāi)啟。

6.2 高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器

HV電流發(fā)生器通過(guò)DRAIN引腳供電，僅當(dāng)輸入大容量電容器電壓高于 (V_{DRAINSTART}) 閾值（典型值為80V DC）時(shí)才啟用。啟動(dòng)時(shí)，(I{DDch1}) 電流（典型值為3mA）被輸送到 (V{DD}) 引腳的電容器；在故障自動(dòng)重啟模式下，電流降低到 (I{DDch2})（典型值為0.6mA），以實(shí)現(xiàn)緩慢的占空比。

6.3 上電與軟啟動(dòng)

當(dāng)輸入電壓上升到設(shè)備啟動(dòng)閾值 (V_{DRAINSTART}) 時(shí)，(V{DD}) 電壓由于內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電路的 (I{DDch1}) 電流開(kāi)始上升。當(dāng) (V{DD}) 電壓達(dá)到 (V{DDon}) 閾值時(shí)，功率MOSFET開(kāi)始開(kāi)關(guān)，HV電流發(fā)生器關(guān)閉。在自供電電路（通常是變壓器的輔助繞組和轉(zhuǎn)向二極管）產(chǎn)生足夠高的電壓之前，IC由 (V{DD}) 引腳的電容器 (C_{VDD}) 存儲(chǔ)的能量供電。軟啟動(dòng)功能在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)逐漸增加漏極電流限制，減少對(duì)次級(jí)二極管的應(yīng)力，防止變壓器飽和。

6.4 掉電與自動(dòng)重啟

當(dāng)轉(zhuǎn)換器掉電時(shí)，隨著輸入電壓下降，系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)能力，當(dāng) (V{DD}) 電壓低于 (V{DDoff}) 閾值時(shí)，功率MOSFET關(guān)閉，能量傳輸中斷，啟動(dòng)序列被禁止，完成掉電過(guò)程。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，IC停止工作，(V{DD}) 電壓下降，當(dāng) (V{DD}) 電壓低于 (V{DD(RESTART)}) 閾值且DC輸入電壓高于 (V{DRAINSTART}) 閾值時(shí)，內(nèi)部HV電流源開(kāi)啟，為 (C{VDD}) 電容器充電，當(dāng) (V{DD}) 電壓達(dá)到 (V{DDon}) 閾值時(shí)，IC重啟。

6.5 振蕩器與電流模式轉(zhuǎn)換

開(kāi)關(guān)頻率內(nèi)部固定為60kHz或115kHz，并通過(guò)約 ± 4kHz（60kHz版本）或 ± 8kHz（115kHz版本）以250Hz（典型）的速率進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻操作，減少諧波干擾。設(shè)備采用電流模式轉(zhuǎn)換，通過(guò)檢測(cè)漏極電流并轉(zhuǎn)換為電壓，與反饋引腳電壓進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOSFET開(kāi)關(guān)的控制。電流限制設(shè)定點(diǎn)可通過(guò)連接到CONT引腳的 (R_{LIM}) 電阻進(jìn)行調(diào)整。

6.6 過(guò)壓保護(hù)與CONT引腳功能

設(shè)備通過(guò)監(jiān)測(cè)功率MOSFET關(guān)斷期間的 (V{CONT}) 電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)。當(dāng) (V{CONT}) 電壓連續(xù)四次超過(guò)參考電壓 (V{OVP}) 時(shí)，過(guò)壓保護(hù)將停止功率MOSFET，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。為了避免噪聲干擾，(V{CONT}) 電壓在 (T_{STROBE}) 時(shí)間后的短窗口內(nèi)進(jìn)行采樣。CONT引腳還可用于降低OCP設(shè)定點(diǎn)，通過(guò)連接外部電阻到地來(lái)降低逐周期電流限制的默認(rèn)值。

6.7 反饋與過(guò)載保護(hù)

反饋引腳控制PWM操作、突發(fā)模式和過(guò)載保護(hù)。當(dāng)反饋引腳電壓在 (V{FBbm}) 和 (V{FBIlin}) 之間時(shí)，通過(guò)比較漏極電流轉(zhuǎn)換的電壓和反饋引腳電壓，控制功率MOSFET的開(kāi)關(guān)。當(dāng)反饋引腳電壓達(dá)到 (V{FBIin}) 時(shí)，內(nèi)部電流發(fā)生器開(kāi)始為反饋電容器充電，當(dāng)反饋電壓達(dá)到 (V{FBolp}) 閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并啟動(dòng)自動(dòng)重啟。過(guò)載延遲時(shí)間可通過(guò) (C{FB}) 或 (C{FB1}) 電容器進(jìn)行設(shè)置。

6.8 突發(fā)模式操作

在無(wú)負(fù)載或非常輕負(fù)載時(shí)，當(dāng)反饋引腳電壓低于突發(fā)模式閾值 (V{FBbm}) 時(shí)，功率MOSFET停止開(kāi)關(guān)；當(dāng)反饋引腳電壓超過(guò) (V{FBbm}+V{FBbmhys}) 時(shí)，功率MOSFET再次開(kāi)始開(kāi)關(guān)。這種突發(fā)模式操作可以降低平均開(kāi)關(guān)頻率，減少與頻率相關(guān)的損耗。為了防止可聽(tīng)噪聲，突發(fā)模式下的漏極電流峰值被鉗位到 (I{D_BM}) 水平。

6.9 額外功率定時(shí)器（EPT）與二級(jí)過(guò)流保護(hù)

額外功率定時(shí)器（EPT）通過(guò)連接到EPT引腳的電容器 (C{EPT}) 設(shè)置消隱時(shí)間，允許在該時(shí)間內(nèi)存在過(guò)載電流。當(dāng)漏極電流達(dá)到 (I{DLIMEPT}) 閾值時(shí)，EPT啟動(dòng)，充電電流為 (I{EPT})。如果在EPT電壓達(dá)到 (V{EPT(STOP)}) 之前漏極電流下降到 (I{DLIMEPT}) 以下，IC繼續(xù)正常工作；否則，IC停止并自動(dòng)重啟。二級(jí)過(guò)流保護(hù)用于保護(hù)設(shè)備免受次級(jí)整流器短路、次級(jí)繞組短路或反激變壓器硬飽和的影響。當(dāng)漏極電流超過(guò) (I{DMAX}) 閾值時(shí)，經(jīng)過(guò)一定的判斷邏輯，若確認(rèn)是故障，則關(guān)閉功率MOSFET，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)重啟模式，實(shí)現(xiàn)低頻率間歇操作（打嗝模式），降低功率電路的應(yīng)力。

七、總結(jié)與建議

VIPER28以其豐富的功能、高性能和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，成為電子工程師在設(shè)計(jì)高壓轉(zhuǎn)換器時(shí)的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理選擇封裝形式、設(shè)置引腳參數(shù)、設(shè)計(jì)電路布局等。同時(shí)，要充分利用其各種保護(hù)功能，確保設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要注意對(duì)電路中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算和調(diào)整，如 (C{VDD}) 電容器的大小、(R{LIM}) 和 (R_{OVP}) 電阻的取值等。希望本文能夠?yàn)殡娮庸こ處熢谑褂肰IPER28進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有價(jià)值的參考和幫助。大家在使用VIPER28的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。