基于VIPer53機(jī)頂盒開關(guān)電源的設(shè)計
關(guān)鍵詞:機(jī)頂盒;開關(guān)電源:VIPer53
0 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,特別是對那些功率要求不斷提高而專用熱設(shè)計成本控制愈加嚴(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)計方法和實驗結(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用高壓電流源、脈寬調(diào)制驅(qū)動器和各種保護(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%時為1Ω。引腳VDD為控制電路的電源,在啟動階段為外部相連的電容充電,包含4個闖值電壓。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的源級和電路參考地。引腳DRAIN為功率MOSFET的漏級,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連接一個外部電容用于產(chǎn)生過載保護(hù)延時,引腳COMP上的電壓大于4 35 v時過載保護(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的動態(tài)特性,可用的電壓范圍為O.5~4.5V。低于O.5 V時功率MOSFET關(guān)閉,高于4.35V時過壓保護(hù)發(fā)生,該動作延時時間長短由與引腳T0VL相連的定時電容大小決定。
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,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,并向一個連接VDD外部電容器充電。當(dāng)VDD電壓達(dá)到電壓闖值VDDon時,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)生的反饋信號進(jìn)行比較,比較的結(jié)果決定確定MOSFET的導(dǎo)通時間。
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“能源之星計劃”;其次,因為通態(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的一個重要功能是指通過腳TOVL完成的過載延時。如果引腳COMP電壓超過4.35V,過載保護(hù)就會啟動,連接引腳TOVL的外部電容器就開始充電,同時MOSFET開始不斷地開關(guān)操作。在這個期間,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,VDD電壓下降,當(dāng)達(dá)到VDDoff閩值電壓時,內(nèi)部高壓電流源接通,則一個新的啟動周期開始。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的外接電容充電時間為延時時間,該時間tOVL必須大于該開關(guān)電源的啟動時間tss因為這段時間內(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)用對高速運(yùn)算和低功耗的要求。為了充分發(fā)揮動態(tài)電源管理能力,部分處理器內(nèi)部集成有一個片內(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
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)計方法或?qū)S玫腣IPERSCOFT軟件設(shè)計機(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。首先選定原級與電壓輸出最低的次級的匝比,Np/NoL,然后計算每匝電壓值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
VIPer53與外圍器件以及整個變壓器輸入側(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。過載延時電路由腳TOVL外R2D”和C3D組成,器件參數(shù)確保了延時時間大于該開關(guān)電源的啟動時間。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NTC電阻,以便限制系統(tǒng)上電時涌流的幅值。高頻變壓器原級采用標(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,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提供一個雙值消隱時間,即電壓為0.5 V和lV時消隱時間為150 ns和400ns.
本設(shè)計中負(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。通過一個可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和一個光耦提供反饋電壓,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Lc濾波器,以便減少紋波電壓。
5 實驗結(jié)果與分析
在實驗室完成了對該機(jī)頂盒開關(guān)電源的制作和實驗,電路板尺寸為74mm186mm。實測最小輸入交流電壓85V時的最大占空比為45%,額定輸入交流電壓220V時最大占空比為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,輕載與滿載時輔助繞組提供的工作電源均為15V,最大工作電流20mA。輕載時+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+3.3V、+5V和+24V輸出的輸出電壓波形和對應(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。實驗表明利用VIPer53的機(jī)頂盒電源具有設(shè)計方便、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。
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