開關(guān)電源用新型零功耗AC/DC轉(zhuǎn)換器

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tDEB_ON大于20?s。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。

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。

更低的漏極峰流為可靠啟動(dòng)提供保障

新的脈沖跨周調(diào)制模式保護(hù)功能可避免漏極電流過高和變壓器飽和，這兩種現(xiàn)象在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)階段特別常見(圖5中的虛線)，因?yàn)楫?dāng)輸入和輸出電壓差值很大時(shí)，電壓時(shí)間開始失衡，如果不加以控制，IDRAIN將會(huì)迅速升高。

脈沖跨周調(diào)制模式工作原理如下：在導(dǎo)通時(shí)間tON_MIN最小值內(nèi)，若IDRAIN大于IDLIM ，則開關(guān)頻率逐周期二分頻，降至最低值15kH，如圖5實(shí)線所示。如果確實(shí)滿足上述條件，開關(guān)頻率保持在15kHz, 且當(dāng)內(nèi)部過流保護(hù)計(jì)數(shù)器OCP記到最后一個(gè)數(shù)時(shí)，過流保護(hù)功能啟動(dòng)。在導(dǎo)通時(shí)間tON_MIN內(nèi)，若IDRAIN小于IDLIM ，則開關(guān)頻率逐周期二倍頻，直到開關(guān)頻率FOSC恢復(fù)到正常為止。

圖5 – 啟動(dòng)期內(nèi)的脈沖跨周調(diào)制模式

VIPer0P評(píng)估板

電路板介紹

如圖6所示，STEVAL-ISA174V1能夠讓用戶使用VIPer0P全部功能，在實(shí)際應(yīng)用中快速測(cè)試器件的性能。該演示板采用非隔離反激式拓?fù)?，通過雙輸出端口提供大約7W輸出(-5V輸出800mA; +7V輸出大約400mA)，板載 VIPer0P “L”款功率轉(zhuǎn)換器。通過將誤差放大器的懸浮接地參考引腳EAGND連至負(fù)電壓軌和FB、EAGND和SGND引腳之間的分壓器，很容易獲得負(fù)輸出電壓。

該評(píng)估板通過變壓器二次側(cè)線圈匝數(shù)比設(shè)定+7V輸出電壓，使用一個(gè)小信號(hào)二極管供給VCC引腳，因此節(jié)省了自供電源和啟動(dòng)高壓電流發(fā)生器所發(fā)生的功耗。結(jié)合VIPer0P內(nèi)部模塊的低功耗，這樣設(shè)計(jì)可在輕載和空載條件實(shí)現(xiàn)極低的輸入功耗。

圖6–STEVAL-ISA174V1

零功耗模式

在正常式作期間按下開關(guān)按鈕時(shí)，OFF引腳被強(qiáng)制連至SGND引腳，且連接時(shí)間大于DEB_OFF，芯片進(jìn)入零功耗模式。除退出零功耗模式所需的模塊外，芯片內(nèi)部所有模塊均關(guān)閉。表2列出了零功耗模式輸入功耗測(cè)量值。

再按下開關(guān)時(shí)，ON引腳被強(qiáng)制連至SGND引腳，且連接時(shí)間大于DEB_ON，芯片退出零功耗模式。芯片通過軟啟動(dòng)恢復(fù)開關(guān)操作，重新開始輸出功率。在實(shí)際應(yīng)用中，ON和OFF引腳可以由微控制器控制，如圖3所示。實(shí)際上，這些引腳的上拉電阻有幾微安的驅(qū)動(dòng)能力，可在零功耗模式供給微控制器。

保護(hù)

如果連續(xù)施加過載輸出，過載時(shí)間tOVL達(dá)到50ms，芯片將會(huì)啟動(dòng)自我保護(hù)功能，關(guān)閉自動(dòng)重啟電路的功率部分 ，重啟時(shí)間tRESTART時(shí)間典型值為1秒(圖7)。這樣設(shè)計(jì)可確保轉(zhuǎn)換器保持較低的重啟嘗試重復(fù)率，使轉(zhuǎn)換器安全地工作，保持極低的功耗吞吐量，避免過載現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)時(shí)芯片過熱。

圖7 – 穩(wěn)態(tài)期間的過載保護(hù)

此外，在保護(hù)電路觸發(fā)后的啟動(dòng)期間，內(nèi)部軟啟動(dòng)功能激活(圖8)，實(shí)際上，這是過流保護(hù)閾值逐漸提高過程，在內(nèi)部固定周期tSS (8 ms)內(nèi)，IDLIM分8步從0升至400mA標(biāo)稱值。這個(gè)功能的用途是降低二次側(cè)二極管和電路板功率器件上的應(yīng)力，提高系統(tǒng)總體可靠性。

圖8 – 在超載保護(hù)期間重啟過程中的軟啟動(dòng)

在過載現(xiàn)象消除后，芯片恢復(fù)正常工作。

在啟動(dòng)階段，若IDRAIN 在tONMIN時(shí)間內(nèi)升至較高值，則脈沖跨周調(diào)制模式激活，以降低芯片的開關(guān)頻率(圖9)，為電感提供更多的放電時(shí)間，幫助限制漏極峰流值，防止電流失控現(xiàn)象發(fā)生，避免變壓器出現(xiàn)飽和，提高系統(tǒng)總體可靠性。

圖9 – 啟動(dòng)期內(nèi)的脈沖跨周調(diào)制模式

VIPer0P評(píng)估軟件

eDesignSuite：一款以電源管理為主要應(yīng)用的在線仿真工具，用于電源(AC-DC和DC-DC)、LED燈具(AC-DC和 DC-DC)、太陽能、充電器、濾波器和天線設(shè)計(jì)。

該仿真工具支持許多基于意法半導(dǎo)體產(chǎn)品的拓?fù)?控制器、MOSFET、二極管、保險(xiǎn)、穩(wěn)壓器等)。新產(chǎn)品 VIPer0P即將被列入支持范圍。插入轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)(Vin, Vout, Iout等)，選擇要使用的控制器，幾秒后，eDesignSuite就能生成一個(gè)完整設(shè)計(jì)：帶全部注釋的互動(dòng)電路示意圖、完整的互動(dòng)組件清單、分析圖庫(例如，主電流和電壓仿真、能效、Bode穩(wěn)定性和功率損耗)和變壓器設(shè)計(jì)。

結(jié)論

VIPer0P是意法半導(dǎo)體最新推出的創(chuàng)新的綠色智能電源解決方案。

VIPer0P讓電源設(shè)計(jì)人員能夠輕松滿足市場(chǎng)對(duì)穩(wěn)健性和能效的雙重要求。

STEVAL-ISA174V1評(píng)估套件評(píng)測(cè)結(jié)果證明，基于VIPer0P的開關(guān)電源可輕松滿足能效法規(guī)的嚴(yán)格要求，例如，CoC5和IEC62301的零功耗要求。此外，評(píng)估板套件還能演示IEC電磁兼容性、電磁干擾、電涌、突發(fā)和應(yīng)用性靜電放電等規(guī)范預(yù)認(rèn)證測(cè)試。

顯然，VIPer0P為家電廠商帶來增加產(chǎn)品價(jià)值的機(jī)會(huì)。