基于VIPer28的5V/10W隔離反激式電源設(shè)計與測試

引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，我們常常會遇到需要應(yīng)對負載峰值的情況，比如打印機和音頻系統(tǒng)等。對于這類應(yīng)用，設(shè)計一個能夠在短時間內(nèi)處理峰值功率，同時又能保證成本效益的電源至關(guān)重要。今天我們就來探討一下基于STMicroelectronics的VIPer28設(shè)計的一款5V、2A，具備3.3A峰值電流能力（持續(xù)1.9秒）的隔離反激式電源。

文件下載：EVLVIPER28L-10W.pdf

適配器特性

電氣規(guī)格

電路描述

電源采用反激式拓撲結(jié)構(gòu)。輸入部分包含保護元件（保險絲和用于浪涌電流限制的NTC）、用于EMC抑制的濾波器（C1、T2、C13）、二極管橋（BR1）和作為前端AC - DC轉(zhuǎn)換器的電解大容量電容器（C3）。變壓器使用標(biāo)準(zhǔn)的E25鐵氧體磁芯，還采用了瞬態(tài)抑制二極管鉗位網(wǎng)絡(luò)來對漏感進行去磁。

上電時，DRAIN引腳為內(nèi)部高壓啟動電流發(fā)生器供電，該發(fā)生器將C4電容器充電至 (V_{DDon }) 。此時，功率MOSFET開始開關(guān)，發(fā)生器關(guān)閉，IC由C4中存儲的能量供電，直到輔助繞組電壓足夠高，通過D1和R1維持工作。

VIPer28的電流限制值由CONT和GND引腳之間的電阻R3決定，當(dāng)R3值足夠高時，電流限制值與數(shù)據(jù)手冊中的默認值I (Dlim) 相同。該電阻與D2、R14和R15一起用于實現(xiàn)過壓保護和前饋校正功能。

輸出整流器D4選用功率肖特基類型，根據(jù)計算的最大反向電壓、正向電壓降和功率耗散進行選擇。輸出電壓調(diào)節(jié)通過二次反饋實現(xiàn)，由TS431驅(qū)動光耦合器（PC817），確保初級和次級之間的必要絕緣。光晶體管直接驅(qū)動VIPer28的FB引腳，該引腳連接到由C6、C7和R12組成的補償網(wǎng)絡(luò)。

此外，在輸出端添加了一個小的LC濾波器，以過濾高頻紋波，同時不增加輸出電容器的尺寸，并在輸出連接器的焊點附近放置了一個100 nF的電容器，以限制尖峰幅度。

變壓器

變壓器的尺寸、引腳排列和機械特性在相關(guān)附圖中給出。

測試結(jié)果

典型波形

我們記錄了不同輸入電壓和負載條件下的漏極電壓和電流波形。在低輸入電壓滿載和高輸入電壓峰值負載條件下，轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），這有助于降低初級側(cè)（功率開關(guān)）和次級側(cè)（輸出二極管D4和輸出電容器C9、C14）的均方根電流，從而減少功率耗散和功率元件的應(yīng)力。

調(diào)節(jié)精度和輸出電壓紋波

不同線路和負載條件下的輸出電壓測量結(jié)果表明，輸出電壓不受線路條件的影響。同時，測量了 (V{DD}) 電壓，以確保其在設(shè)備的工作范圍內(nèi)。為防止 (V{DD}) 電壓超過其工作范圍，使用了外部鉗位（Dz、Rz）。

輸出電壓紋波的測量結(jié)果顯示，該板配備的LC濾波器能有效過濾電壓紋波。

突發(fā)模式和輸出電壓紋波

當(dāng)負載很低，F(xiàn)B引腳電壓低于內(nèi)部閾值 (FBbm) （典型值0.6 V）時，VIPer28會被禁用。當(dāng)FB電壓再次上升到 (V_{FBbm}) 閾值以上100 mV時，設(shè)備重新開始開關(guān)，形成“突發(fā)模式”。這種模式在輕負載或無負載時能降低與頻率相關(guān)的損耗，便于符合節(jié)能法規(guī)。

效率

根據(jù)ENERGY STAR?平均有源模式效率測試方法，在不同輸入電壓下，對滿載以及75%、50%和25%滿載的效率進行了測量。結(jié)果表明，該電源屬于低電壓電源類別，其效率高于ENERGY STAR?要求的73.37%。

輕負載性能

在無負載條件下，測量了不同輸入電壓下的輸入功率，結(jié)果遠低于ENERGY STAR?的要求。此外，還記錄了輸出負載為25 mW和50 mW時的輸入功率和效率。

過載保護

VIPer28是一種電流模式轉(zhuǎn)換器，通過逐周期增加或減少初級峰值電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)FB引腳電壓達到 (V{FBIin}) （典型值3.5 V）時，漏極峰值電流達到最大值 (Ilim) 。如果負載功率需求超過轉(zhuǎn)換器的功率能力，F(xiàn)B引腳電壓超過 (V{FBIin}) ，設(shè)備會等待一定時間（由電容器C7的值決定）后關(guān)閉系統(tǒng)。

二次過流保護

VIPer28具有一級可調(diào)節(jié)的初級過流限制，當(dāng)超過該限制時，功率MOSFET會關(guān)閉。此外，還有二級固定的初級過流保護，閾值為1.2 A（典型值）。如果漏極峰值電流超過該閾值，設(shè)備會進入警告狀態(tài)，若再次超過，設(shè)備會停止PWM活動，直到 (V_{DD}) 引腳電壓循環(huán)。

輸出過壓保護

在功率MOSFET關(guān)斷期間，輔助繞組產(chǎn)生的電壓通過變壓器的輔助 - 次級匝數(shù)比跟蹤轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。當(dāng)CONT引腳電壓連續(xù)四個開關(guān)周期超過內(nèi)部 (VovP) 閾值（典型值3 V）時，控制器會識別出過壓情況并關(guān)閉轉(zhuǎn)換器。

EPT功能

VIPer28的EPT功能允許在有限時間內(nèi)提供高于標(biāo)稱功率的額外功率，同時保持轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)。當(dāng)峰值漏極電流超過 (I{Dlim}) 值的85%時，連接在EPT和GND引腳之間的電容器 (C{EPT}) 會被內(nèi)部5 μA電流逐周期充電。如果額外功率需求在EPT引腳電壓達到 (V_{EPT(STOP)}) 閾值（典型值4 V）之前消失，電容器會以相同速率放電，系統(tǒng)繼續(xù)正常工作；否則，轉(zhuǎn)換器會關(guān)閉，電容器放電至零。

熱測量

使用紅外相機對電路板進行熱分析，結(jié)果顯示在90 (V_{AC}) 市電輸入、滿載條件下，各關(guān)鍵組件的溫度在合理范圍內(nèi)。

EMI測量

進行了符合EN55022（B類）歐洲標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測試，結(jié)果表明該電路板的電磁干擾在可接受范圍內(nèi)。

電路板布局

提供了電路板的頂層和底層布局圖，合理的布局有助于減少電磁干擾和提高電源的穩(wěn)定性。

結(jié)論

這款基于VIPer28的隔離反激式電源適用于廣泛的應(yīng)用，可作為外部適配器或消費設(shè)備中的輔助電源。特別值得一提的是，它在輕負載條件下的輸入功率非常低，效率性能也遠高于ENERGY STAR?計劃（版本2.0）對外部AC/DC適配器的要求。對于電子工程師來說，這款電源設(shè)計是一個值得參考的案例，你在實際應(yīng)用中是否也遇到過類似的電源設(shè)計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。