在非隔離脫機(jī)應(yīng)用中使用VIPer12A智能功率IC的低成本電源

在工業(yè)及家電業(yè)中，低成本應(yīng)用非隔離脫機(jī)電源的普及程度日益提高。電源尺寸是一個關(guān)鍵因素，業(yè)界一直在尋求不使用體積龐大的50/60Hz變壓器的新型有效解決方案。內(nèi)在的簡易性和易用性，使智能功率技術(shù)的應(yīng)用程度不斷提高。意法半導(dǎo)體(ST)開發(fā)的VIPer12A是一款單片智能功率IC，其組件包括一個60KHz的集成脈寬調(diào)制控制器和一個擊穿電壓為730V的高壓功率MOSFET。與同等級別的分立器件相比，這款智能功率IC具有功率轉(zhuǎn)換效率高、成本低廉和空間小的優(yōu)點(diǎn)。
本文主要分析了幾個采用功率IC的非隔離拓?fù)洌鐦?biāo)準(zhǔn)降壓、降壓/升壓配置，以及一個雙輸出拓?fù)浜鸵环N帶雙重互補(bǔ)性輸出的創(chuàng)新拓?fù)?。這些拓?fù)浜w了工業(yè)及家電市場上低功率應(yīng)用的主要方面。另外，本文還給出了設(shè)計(jì)建議及應(yīng)用實(shí)例，同時(shí)還介紹了智能功率IC的特性，如啟動功能、過熱和過流集成保護(hù)及反饋電路等，以及它們是如何簡化小型電源的。
近年來，在工業(yè)及家電市場，興起一股以降低變換器尺寸和成本為目標(biāo)、從線性向開關(guān)電源變遷的潮流。由于國際標(biāo)準(zhǔn)、推薦規(guī)范和市場前景等原因，效能高的解決方案成為各廠商的首選甚至成為強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)，使得舊項(xiàng)目必須更新，從50/60Hz變壓器和線性調(diào)節(jié)器向高頻電力變流器過渡。此外，新的成本優(yōu)化設(shè)計(jì)，喚起了廠商對適用于全球應(yīng)用開發(fā)的構(gòu)想，開始考慮寬范圍的輸入電壓。由于開關(guān)電源方案建立在對功率半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的調(diào)制基礎(chǔ)之上，因此，開關(guān)電源技術(shù)為廠商實(shí)現(xiàn)自己的構(gòu)想提供了可能性。在工業(yè)和家電市場上，產(chǎn)品規(guī)格是很好的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橄到y(tǒng)通常由微控制器、繼電器、LED、顯示器、低功率電機(jī)控制器的雙向晶閘管或隔離柵器件的門極驅(qū)動器組成。因此，所需的直流電壓通常是：門極驅(qū)動器為+15V；微控制器和LED為+5V；繼電器為24V或12V等。系統(tǒng)的復(fù)雜性以及給這些器件饋電的電源，產(chǎn)生了不同應(yīng)用之間的差異。
智能功率IC的控制器和功率器件都是板上集成的，而且不需要處理功率器件的驅(qū)動問題及有關(guān)電源核心塊的布局問題，因此，通過簡化設(shè)計(jì)過程，智能功率技術(shù)進(jìn)一步簡化了這種電源的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。本文概述了非隔離拓?fù)?，并分析了一些采用VIPer12A智能功率集成技術(shù)的典型應(yīng)用。

脫機(jī)低功率拓?fù)涓攀?br/>通過調(diào)整電源開關(guān)的工作比，脫機(jī)非隔離拓?fù)錈o需任何隔離變壓器就可把交流電源轉(zhuǎn)變成一個穩(wěn)定的直流電壓源。把能量從輸入傳輸?shù)捷敵龅氖且粋€低成本的電感器。
如圖1所示，通過兩個拓?fù)?，可以產(chǎn)生分別對應(yīng)降壓和降壓/升壓拓?fù)漭斎腚妷旱墓捕俗拥恼妷夯蜇?fù)電壓。
兩個拓?fù)涠际褂靡粋€電感器儲存能量，在電源開關(guān)接通時(shí)充電。電感電流波形決定變換器的工作模式，如“連續(xù)式”或“不連續(xù)式”。在連續(xù)式操作中，電感電流從來不歸零，而在不連續(xù)式中，在規(guī)定的時(shí)間電感電流是零。談到電感電流的單一零點(diǎn)，我們定義了一種“邊界模式”。
在連續(xù)模式中，利用開關(guān)的工作比D，通過電子方式對電壓進(jìn)行控制，兩個變換器工作方式就像一個變壓器。根據(jù)(1)和(2)，工作比D由導(dǎo)通時(shí)間ton和開關(guān)時(shí)間TS的比來決定。
   降壓變換器    (1)
降壓/升壓變換器  (2)
當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，輸出電感器上(Vi-Vo)上出現(xiàn)一個恒壓，使電感器上的電流按照公式(3)計(jì)算出的速率di/dt線性上升。
     (3)
當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感器上的電壓極性相反，并設(shè)法維持電流與關(guān)斷前相同。二極管導(dǎo)通，并限制電感器電壓至理想的零狀態(tài)。L上電壓是V0，其電流以式(4)給出的速率下降。
   (4)
開關(guān)再次接通時(shí)，L上的電流從D轉(zhuǎn)向開關(guān)S，向二極管施加反饋偏壓。電感器L上的電流包括當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)二極管的開關(guān)電流。電感電流圍繞直流電流值I0，以L值決定的波動系數(shù)上下波動。
由于起源于基本拓?fù)?，因此，使用低成本器件就可以?shí)現(xiàn)雙輸出變換器，如圖2所示。這些拓?fù)涮貏e適用于降壓變換器，但也適用于降壓-升壓變換器。如圖2(a)所示，在這種拓?fù)渲校敵鲭姼衅鞯膬蓚€線圈以回掃方式耦合，并且匝數(shù)n正確。第二種拓?fù)涿枋隽艘环N創(chuàng)新的配置，適用于供給雙重互補(bǔ)性輸出，見圖2(b)。因?yàn)槭褂脴?biāo)準(zhǔn)單線圈電感器，所以成本優(yōu)化是這種配置的主要優(yōu)勢。在電感電流處于續(xù)流狀態(tài)時(shí)，給電容器充電可以產(chǎn)生第二個互補(bǔ)性輸出。借助一個數(shù)值恰當(dāng)?shù)凝R納二極管，可以調(diào)節(jié)電容器上的電壓。
在標(biāo)準(zhǔn)降壓拓?fù)渲?見圖3)，節(jié)點(diǎn)1的電壓由二極管D鉗制，使電感電流可以繼續(xù)流動。在此方案中，齊納二極管Dz鉗制節(jié)點(diǎn)1的電壓為(Vd+Vz)，其中Vd是二極管上的壓降，Vz是齊納二極管的電壓。如果電容跨接齊納二極管和地線，則會生成一個負(fù)電壓源。根據(jù)電路工作原理，第二個輸出供給的電流不能超過第一個。開關(guān)周期基本上可以分為兩個時(shí)段，如圖3所示。對于不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM，在開關(guān)S接通期ton，輸入直流總線與輸出相連，對負(fù)載供電，見圖3(a)。一旦開關(guān)斷開，如圖3(b)所示，電感電流繼續(xù)流經(jīng)二極管D1，直到電流值為0而且輸出電容C1給負(fù)載供電。
齊納二極管出現(xiàn)在續(xù)流通道上，不會影響變換器的基本操作，但是會影響到效率，有關(guān)齊納二極管如何影響變換器的效率，見圖4。如果輸出OUT2沒有負(fù)載，續(xù)流會經(jīng)過二極管D1和Dz。
隨著從OUT2吸取的電流增大，續(xù)流會流過一個不同的通路，分成兩個元件，如圖4(b)所示。這種方式降低了Dz的功耗，相應(yīng)地提高了效率。因此，對于一個給定的輸出電流Iout1，如果互補(bǔ)輸出施加負(fù)載，變換器就會具備更加優(yōu)秀的性能。兩個輸出電容器的選擇取決于輸出波動的規(guī)格。必須選擇一個適當(dāng)?shù)腃2，同時(shí)應(yīng)考慮到互補(bǔ)性輸出與交流電源輸出存在某種聯(lián)系。如果需要一個去耦性輸出，就必須使用一個合適的控制電路，見圖5。這個電路的工作方式像一個等效負(fù)載，使用成本低廉的器件可以輕松實(shí)現(xiàn)這個電路。這個電路的組件包括兩個晶體管Q1和Q2(如一個PNP和NPN BJT)、一個電阻器R1和一個齊納二極管Dz1。在Q2和Dz1驅(qū)動下，不管Vout1供電的負(fù)載如何，晶體管Q1都能保證L感應(yīng)一個規(guī)定的電流。不管Iout1如何，這種方法使Iout2有多種變化，而且只受Iout1最大容許值的限制。

采用VIPer 12A設(shè)計(jì)的非隔離變換器
VIPer12A的特性是用其設(shè)計(jì)降壓變換器的直接原因，見圖6(a)。借助連接Vdd引腳的一個二極管和一個電容D1和C2，通過變換器的輸出，可以很容易地實(shí)現(xiàn)VIPer12A的電源電壓。二極管的額定電壓取決于輸入電壓，如185-265V的歐洲電壓范圍可以使用一個400V的二極管，C1的選擇要根據(jù)變換器的啟動時(shí)間和短路特性來確定。實(shí)際上，在短路期間，Vdd電壓會降到最小必需值以下，使內(nèi)部高壓電流發(fā)生器能夠產(chǎn)生一個新的啟動順序。電容充放電時(shí)間取決于電容器本身的電容值，因此，電源開關(guān)的正確供電時(shí)間也會發(fā)生相應(yīng)變化。而且，如果電流脈沖在器件上產(chǎn)生大量的熱，過溫保護(hù)功能可能會關(guān)斷電路。電容典型值范圍為300nF~10mF，額定電壓是250V，視輸出電壓而定。調(diào)節(jié)電路只由跨接FB和Vdd引腳的一個齊納二極管Dz構(gòu)成。為了使調(diào)節(jié)功能更加優(yōu)秀，可以在FB和S引腳之間跨接一個過渡電容器C2，具體電容值約為幾十個nF。如果輸出電壓低于15V，要想啟動VIPer12A，電路就必須略加修改。在這種情況下，調(diào)節(jié)電路必須去掉與電源電路的耦合，使用獨(dú)立的二極管和電容供給FB引腳上的齊納二極管、D2和C3，如圖6(b)所示。二極管D2是一個低壓二極管，如1N4148，使Vdd的電壓可以達(dá)到啟動值。  由于D2 和 C3 構(gòu)成了一個輸出電壓峰值檢測器，因此， C3 的電容值將會影響調(diào)節(jié)電路的精度。要實(shí)現(xiàn)高精度，該電容值最低可以達(dá)到100nF。
如果輸出電壓低于8V，就必須使用一種不同的解決方案。事實(shí)上，雖然控制反饋和電源電路是相互獨(dú)立的，但由于輸出電壓低于Vdd引腳上的最低電壓，該器件仍將無法啟動，不過，在啟動模式工作，無需穩(wěn)壓和高峰流。目前出現(xiàn)了一種允許給功率IC供電的專利技術(shù)。如圖8(a)所示，為產(chǎn)生所需的電源電壓，該電路的設(shè)計(jì)比標(biāo)準(zhǔn)降壓拓?fù)涠嘤靡粋€感應(yīng)線圈，它借助一個分壓器，通過一個低壓二極管在一個輔助電容內(nèi)儲存所需的能量。在電源開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電容C4通過D3充電，然后在電源開關(guān)斷開時(shí)，C開始放電，通過D1把能量傳輸?shù)紺1。D3是一個低壓二極管，如1N4148，C4是一個電容值在10nF至1mF之間的低壓電容器。特別是，貯存VIPer12A所需的電荷和供給正確的電壓時(shí)，必須按照輸出感應(yīng)線圈比L1/L2和輸入交流電壓，準(zhǔn)確計(jì)算電容C4的值。由于感應(yīng)線圈ESR的原因，C4上的電壓還與輸出電流有關(guān)。電容C1按標(biāo)準(zhǔn)過程計(jì)算。有關(guān)輸出電壓Vout<-15V和-15V<Vout<-8V的降壓/升壓交換器的電路簡圖，見圖7。如果所需的輸出電壓高于-8V，如-5V，就必須采用一種不同的解決方案，如圖8(b)所示。二極管D4是一個低壓二極管，如1N4148， C4用于貯存VIPer12A所需能量值，電容值大約是100nF。電容C1按照標(biāo)準(zhǔn)過程計(jì)算。電容器C2連接FB和S引腳，以提高整流性能。

應(yīng)用實(shí)例
本節(jié)介紹并分析三個采用VIPer12A的應(yīng)用實(shí)例。
第一個應(yīng)用實(shí)例是一個16V~100mA的脫機(jī)電源。變換器的技術(shù)參數(shù)是Vin=185~265Vac, Vout=15V ，Iout=100mA。為了得到在開路負(fù)載條件下的調(diào)整輸出，在最小輸出電流低于2mA的輸出端連接了一個負(fù)載電阻器Rburden，電路圖見圖6a。為把地線連接到電力網(wǎng)的中性線上，使用了一個單波整流管。為提高反向電壓的強(qiáng)度，中性線上可以再連接一個整流二極管。此外，輸入體電容器可以分成2個電容器，其間可以插入一個電感線圈，從而構(gòu)成一個經(jīng)濟(jì)型的EMI濾波器，表1列出了所需的元器件名稱。這一電源解決方案可以成功地應(yīng)用于基于微控制器的低功率電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。這種應(yīng)用需要兩個穩(wěn)壓輸出：電源開關(guān)門極驅(qū)動器所需的15V電壓和微控制器所需的5V電壓，電路圖見圖9。在這個電路中，使用了一個帶正確系統(tǒng)操作復(fù)位的5V線性調(diào)節(jié)器。電路板的尺寸是3.5