技術(shù)分析：開關(guān)電源用新型零功耗AC/DC轉(zhuǎn)換器

　　摘要

　　VIPer0P是一款離線交流變直流轉(zhuǎn)換器，內(nèi)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(nèi)實(shí)現(xiàn)7W輸出功率。嵌入式零功耗模式(ZPM)讓開關(guān)電源功耗在230VAC時(shí)低于4mW，按照IEC 62301標(biāo)準(zhǔn)定義，這個(gè)功耗值可視為零功耗。

　　VIPer0P內(nèi)部功能集成度很高，有助于設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)一款輕巧的電源，同時(shí)節(jié)省組件成本。

　　VIPer0P是一款設(shè)計(jì)靈活的功率轉(zhuǎn)換器，適用于開關(guān)電源拓?fù)?，例如，反激式轉(zhuǎn)換器、正極或負(fù)極輸出降壓式轉(zhuǎn)換器。

　　該產(chǎn)品的寬輸出電壓范圍(5V-30V)方便設(shè)計(jì)人員靈活地選用變壓器。在諸多內(nèi)部保護(hù)功能中，新的磁通量密度泄漏防護(hù)可防止啟動(dòng)過程中發(fā)生電流尖峰和變壓器飽和現(xiàn)象。

　　前言

　　目前，綠色節(jié)能對(duì)于家電廠商是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，為達(dá)到現(xiàn)行或以后出臺(tái)的更嚴(yán)格的能效法規(guī)的要求，家電廠商必須按照節(jié)能環(huán)保理念設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

　　智能功率產(chǎn)品是意法半導(dǎo)體的一大業(yè)務(wù)之柱，意法半導(dǎo)體致力于為客戶智能家電提供節(jié)能電源，而VIPer0P正是意法半導(dǎo)體履行承諾的范例。

　　很多家電在大部分生命周期內(nèi)是處于待機(jī)模式，白白浪費(fèi)大量電能，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因很簡(jiǎn)單，只是沒有人去關(guān)閉機(jī)械式電源開關(guān)，切斷電器與電源插座的電連接。

　　智能開關(guān)機(jī)管理可有效地解決這種能源浪費(fèi)問題，VIPer0P的零功耗模式(ZPM)正是為此設(shè)計(jì)。即使家電處于待機(jī)狀態(tài)下，未斷開與電源插座的連接，先進(jìn)的開關(guān)機(jī)管理技術(shù)仍可實(shí)現(xiàn)極低的輸入功耗。

　　事實(shí)上，設(shè)備在工作周期結(jié)束后可以立即自動(dòng)關(guān)閉，必要時(shí)再重啟開機(jī)。零功耗模式是由微控制器自動(dòng)控制，也可以由用戶用低壓開關(guān)按鈕或遙控系統(tǒng)加以控制。有了零功耗模式后，電器產(chǎn)品可省去機(jī)械開關(guān)，降低組件成本。

　　VIPer0P產(chǎn)品特性

　　圖2所示是VIPer0P的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，組件包括一個(gè)800V擊穿電壓、20?導(dǎo)通電阻的MOSFET晶體管和一個(gè)內(nèi)置過流保護(hù)機(jī)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(dá)到電磁干擾規(guī)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，為便于客戶選擇最有效的解決方案，意法半導(dǎo)體提供兩款產(chǎn)品，分別是(FOSC)開關(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(fù)載時(shí)同樣能夠取得良好的能效。

　　為避免人耳聽到噪聲，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(diào)制(PFM)模式。

　　該產(chǎn)品封裝采用SO16窄貼裝(SMD)。

　　圖1 – VIPer0P的主要應(yīng)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(jī)狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓為零，在 230V電壓下，待機(jī)功耗在4mW以下。芯片進(jìn)入零功耗模式的方法是：強(qiáng)制OFF引腳連接SGND引腳，時(shí)長(zhǎng)tDEB_OFF 大于10ms;退出零功耗模式(恢復(fù)正常開關(guān)操作)的方法是：強(qiáng)制ON引腳連接SGND引腳，時(shí)長(zhǎng)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，則需要用戶干預(yù)，即按開關(guān)按鈕或操作遙控器。

　　圖2 - VIPer0P架構(gòu)

　　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(nèi)部參考電壓是1.2V，EAGND引腳上的外部接地參考電壓相對(duì)SGND(控制器接地)變負(fù)，這準(zhǔn)許在非隔離架構(gòu)中,通過連接在FB、SGND和 EAGND引腳之間的分壓器，輕松準(zhǔn)確地設(shè)置負(fù)輸出電壓。EAGND直接連在負(fù)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，通過光耦合器的源出電流設(shè)置COMP引腳電壓。光耦合器源出電流與二次側(cè)外部誤差放大器(TL431或類似放大器)的誤差信號(hào)成正比。

　　不論哪一種情況，須在COMP和SGND兩個(gè)引腳之間設(shè)置補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

　　內(nèi)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(dāng)VCC電壓達(dá)到啟動(dòng)閾壓8V時(shí)，芯片開始工作，一次側(cè)MOSFET開關(guān)開始運(yùn)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(wěn)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(chǔ)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，通過連接變壓器輔助繞組或者輸出端(后者只有在非隔離型拓?fù)淝闆r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(dāng)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(xù)使用外部電源，從而提高系統(tǒng)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(shè)計(jì)人員靈活地選擇變壓器。

　　IC自動(dòng)重啟保護(hù)

　　芯片內(nèi)部保護(hù)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(hù)功能包括過流保護(hù)(OCP)、VCC電壓鉗位保護(hù)、最大占空比計(jì)數(shù)器和過熱保護(hù)(OTP)。如果其中某一項(xiàng)保護(hù)功能激活并將芯片關(guān)閉，芯片將在持續(xù)一段時(shí)間后自動(dòng)重啟，這些被禁用的時(shí)間稱為自動(dòng)重啟時(shí)間，用參數(shù)tRESTART表示，參數(shù)值在芯片內(nèi)部固定，通常為1秒),然后從軟啟動(dòng)開始自動(dòng)重啟過程。automatically restarted with soft start phase.這個(gè)過程將會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，直到故障排除為止。