VIPer11：節(jié)能型離線高壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，尋找一款性能出色、節(jié)能高效的高壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下STMicroelectronics推出的VIPer11，這是一款集成了800V雪崩耐用功率MOSFET和PWM電流模式控制的智能高壓轉(zhuǎn)換器，在眾多應(yīng)用場景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、VIPer11的核心特性

1. 強大的功率MOSFET

VIPer11采用了800V雪崩耐用功率MOSFET，這使得它能夠覆蓋超寬的VAC輸入范圍。這種高耐壓的設(shè)計不僅允許擴展輸入電壓范圍的應(yīng)用，還能有效減小DRAIN緩沖電路的尺寸，為工程師在設(shè)計電路時提供了更大的靈活性。

2. 嵌入式功能模塊

它集成了HV啟動和感應(yīng)FET、電流模式PWM控制器等功能模塊。這些嵌入式模塊的存在，使得整個系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔，減少了外部元件的使用數(shù)量，降低了成本和設(shè)計復雜度。

3. 多檔電流限制保護

根據(jù)不同的型號（VIPER113、VIPER114、VIPER115），VIPer11提供了不同的漏極電流限制保護，分別為370 mA、480 mA和590 mA，能夠滿足不同應(yīng)用場景下的電流保護需求。

4. 寬電源電壓范圍

其工作電壓范圍為4.5V至30V，這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，提高了系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。

5. 超低功耗設(shè)計

在節(jié)能方面，VIPer11表現(xiàn)出色。在空載條件下，230VAC輸入時，系統(tǒng)輸入功耗小于10 mW；在230VAC輸入且負載為250 mW時，功耗小于400 mW。這種超低功耗的設(shè)計使得它能夠輕松滿足最嚴格的節(jié)能標準。

6. 抖動開關(guān)頻率

VIPer11采用了抖動開關(guān)頻率技術(shù)，其開關(guān)頻率有30 kHz ± 7%（X型）、60 kHz ± 7%（L型）和120kHz ± 7%（H型）三種可選。這種技術(shù)能夠有效降低EMI濾波器的成本，減少電磁干擾。

7. 豐富的保護功能

它具備過載/短路（OLP）、線路或輸出過壓保護（OVP）、最大占空比計數(shù)器保護、VCC鉗位保護、脈沖跳過保護、嵌入式熱關(guān)斷和內(nèi)置軟啟動等多種保護功能，并且在出現(xiàn)故障后能夠自動重啟，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

二、引腳設(shè)置與功能

VIPer11采用SSOP10封裝，各個引腳都有其特定的功能：

1. GND（引腳1）

作為接地和MOSFET源極，內(nèi)部MOSFET源極和器件偏置電流的返回端都連接到該引腳。所有偏置元件的接地都應(yīng)連接到通向該引腳的走線，并與脈沖電流返回端分開，以避免干擾。

2. VCC（引腳2）

控制器的電源引腳，需要在該引腳和GND之間連接一個外部存儲電容。在啟動時，該引腳內(nèi)部連接到高壓電流源，為VCC電容提供充電電流。同時，建議在靠近IC的位置并聯(lián)一個小的旁路電容（典型值為0.1 μF），用于噪聲濾波。

3. DIS（引腳3）

禁用引腳。當該引腳的電壓超過內(nèi)部閾值VDIS_th（典型值為1.2 V）超過tDEB時間（典型值為1 ms）時，PWM將在自動重啟模式下禁用tDIS_RESTART（典型值為500 msec），一旦VDIS降至VDIS_th以下，將恢復正常操作。通過在DIS引腳和整流電源之間連接一個分壓器，可以構(gòu)建輸入過壓保護。在非隔離拓撲中，同樣可以實現(xiàn)輸出過壓保護。如果不需要禁用功能，應(yīng)將DIS引腳焊接到GND。

4. FB（引腳4）

直接反饋引腳，是內(nèi)部跨導誤差放大器（E/A）的反相輸入，內(nèi)部參考電壓相對于GND為1.2 V。在非隔離轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓信息通過分壓器直接輸入到該引腳。在初級調(diào)節(jié)中，F(xiàn)B分壓器連接到VCC。如果將FB焊接到GND，則E/A將被禁用。

5. COMP（引腳5）

補償引腳，是內(nèi)部E/A的輸出。在該引腳和GND之間需要放置一個補償網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)控制環(huán)路的穩(wěn)定性和良好的動態(tài)性能。在二次反饋的情況下，內(nèi)部E/A必須禁用，COMP直接由光耦合器驅(qū)動，以控制DRAIN峰值電流設(shè)定點。

6 - 10. DRAIN（引腳6 - 10）

MOSFET漏極引腳。內(nèi)部高壓電流源在啟動和穩(wěn)態(tài)運行期間從這些引腳吸收電流，為VCC電容充電。這些引腳機械連接到MOSFET的內(nèi)部金屬PAD，以促進散熱。在PCB上，應(yīng)在這些引腳下方放置一個銅區(qū)域，以降低總結(jié)到環(huán)境的熱阻，從而便于功率耗散。

三、電氣與熱特性

1. 絕對最大額定值

VIPer11的各個引腳都有其絕對最大額定值，例如DRAIN引腳的漏源電壓最大為800 V，VCC引腳的電壓范圍為 -0.3 V至內(nèi)部限制值等。在設(shè)計過程中，必須確保各個引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會對器件造成永久性損壞。

2. 熱數(shù)據(jù)

該器件的熱阻數(shù)據(jù)表明，在不同的安裝條件下，其結(jié)到外殼和結(jié)到環(huán)境的熱阻有所不同。當安裝在標準單面FR4板上，銅面積為100 mm2（35 μm厚）時，結(jié)到環(huán)境的熱阻為95 °C/W。合理的散熱設(shè)計對于保證器件的正常工作和可靠性至關(guān)重要。

3. 電氣特性

在不同的測試條件下，VIPer11的各個參數(shù)都有其特定的取值范圍。例如，功率部分的擊穿電壓V BVDSS在IDRAIN = 1 mA、VCOMP = GND、TJ = 25 °C時為800 V；供應(yīng)部分的啟動電阻RG在不同的V DRAIN電壓下，取值范圍為28 MΩ至40 MΩ等。這些電氣特性為工程師在設(shè)計電路時提供了重要的參考依據(jù)。

四、工作原理與特性

1. 高壓啟動

VIPer11的嵌入式高壓啟動功能包括一個800V額定的輔助N溝道功率MOSFET和一個可開關(guān)的HV電流源。在啟動時，當DRAIN引腳的電壓超過VHV_START閾值時，HV電流源開啟，線性地為Cs電容充電。隨著VCC電壓的升高，充電電流也會相應(yīng)變化。當VCC達到啟動閾值VCCon時，芯片開始工作，初級MOSFET開始開關(guān)，HV電流源禁用，器件由Cs電容中存儲的能量供電。在穩(wěn)態(tài)下，IC可以通過輸出（非隔離拓撲）或輔助繞組（隔離拓撲）供電。

2. 軟啟動

內(nèi)部軟啟動功能可以在8個步驟內(nèi)將逐周期電流限制設(shè)定點從0逐步增加到IDLIM，軟啟動時間tSs內(nèi)部設(shè)定為8 ms。這一功能可以在轉(zhuǎn)換器啟動或故障重啟時保護系統(tǒng)，避免因輸出電容完全放電而導致的過大電流。

3. 振蕩器

IC內(nèi)部集成了一個具有抖動功能的固定頻率振蕩器，開關(guān)頻率以260 Hz的速率調(diào)制約± 7% kHz。這種抖動功能可以實現(xiàn)擴頻作用，將開關(guān)頻率的各次諧波能量分布到多個頻段，從而降低傳導發(fā)射，減少對EMI濾波器的要求。

4. 脈沖跳過保護

當DRAIN峰值電流在tON_MIN內(nèi)超過IDLIM水平時，會跳過一個開關(guān)周期；當DRAIN峰值電流在tON_MIN內(nèi)未超過IDLIM時，會恢復一個開關(guān)周期。這種保護機制可以避免轉(zhuǎn)換器啟動時常見的“磁通失控”現(xiàn)象，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5. 反饋控制

VIPer11支持直接反饋和二次反饋兩種方式。在直接反饋中，通過內(nèi)部E/A和電壓分壓器可以精確控制輸出電壓；在二次反饋中，需要禁用內(nèi)部E/A，通過外部誤差放大器和光耦合器來設(shè)置DRAIN峰值電流設(shè)定點。

6. 脈沖頻率調(diào)制（PFM）

當輸出負載減小時，反饋環(huán)路會降低VCOMP電壓，從而降低DRAIN峰值電流設(shè)定點。當VCOMP達到VCOMPL閾值時，DRAIN峰值電流保持在IDLIM_PFM，并且會跳過一些PWM周期，實現(xiàn)脈沖頻率調(diào)制。這種工作方式可以在輕載和空載時降低輸入功耗，同時避免低頻開關(guān)產(chǎn)生的可聽噪聲。

7. 保護功能

VIPer11具備多種保護功能，如過載保護、最大占空比計數(shù)器保護、VCC鉗位保護、禁用功能和熱關(guān)斷等。在出現(xiàn)故障時，PWM會在自動重啟模式下禁用一段時間，然后在故障消除后恢復正常操作。

五、應(yīng)用信息

1. 典型應(yīng)用電路

VIPer11適用于多種拓撲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計，如反激式、降壓式和降壓 - 升壓式轉(zhuǎn)換器。文檔中提供了多種典型應(yīng)用電路的原理圖，包括非隔離反激式轉(zhuǎn)換器、帶線路OVP的非隔離反激式轉(zhuǎn)換器、隔離反激式轉(zhuǎn)換器、初級側(cè)調(diào)節(jié)隔離反激式轉(zhuǎn)換器、降壓式轉(zhuǎn)換器和降壓 - 升壓式轉(zhuǎn)換器等。這些原理圖為工程師在實際設(shè)計中提供了參考。

2. 節(jié)能性能

通過對采用VIPer11的5 V/1.6 A非隔離反激式轉(zhuǎn)換器和5 V/360 mA降壓式轉(zhuǎn)換器的測試，結(jié)果表明該器件能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率和較低的空載及輕載功耗。在不同的輸入電壓和負載條件下，轉(zhuǎn)換器的效率和功耗都能滿足節(jié)能要求。

3. 布局指南和設(shè)計建議

為了確保VIPer11的正常工作和性能，文檔中提供了詳細的PCB布局指南和設(shè)計建議。包括信號和功率走線的分離、敏感引腳的濾波、功率環(huán)路的限制、線長的縮短、走線的優(yōu)化和散熱設(shè)計等方面。遵循這些建議可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

六、總結(jié)

VIPer11作為一款高性能的節(jié)能型離線高壓轉(zhuǎn)換器，具有超寬的輸入電壓范圍、豐富的保護功能、低功耗和良好的電磁兼容性等優(yōu)點。它適用于多種低功率開關(guān)電源和適配器的設(shè)計，如家用電器、家庭自動化、工業(yè)、消費電子和照明等領(lǐng)域。電子工程師在設(shè)計相關(guān)電路時，可以充分利用VIPer11的這些特性，設(shè)計出更加高效、穩(wěn)定和可靠的電源系統(tǒng)。你在使用類似的高壓轉(zhuǎn)換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。