开关电源用新型零功耗AC/DC转换器

摘要

VIPer0P是一款离线交流变直流转换器，内部集成一个800V耐雪崩功率MOSFET和一个PWM控制器，在宽输入功率范围内实现7W输出功率。嵌入式零功耗模式(ZPM)让开关电源功耗在230VAC时低于4mW，按照IEC 62301标准定义，这个功耗值可视为零功耗。

VIPer0P内部功能集成度很高，有助于设计人员设计一款轻巧的电源，同时节省组件成本。

VIPer0P是一款设计灵活的功率转换器，适用于开关电源拓扑，例如，反激式转换器、正极或负极输出降压式转换器。

该产品的宽输出电压范围(5V-30V)方便设计人员灵活地选用变压器。在诸多内部保护功能中，新的磁通量密度泄漏防护可防止启动过程中发生电流尖峰和变压器饱和现象。

前言

目前，绿色节能对于家电厂商是一个巨大挑战，为达到现行或以后出台的更严格的能效法规的要求，家电厂商必须按照节能环保理念设计产品。

智能功率产品是意法半导体的一大业务之柱，意法半导体致力于为客户智能家电提供节能电源，而VIPer0P正是意法半导体履行承诺的范例。

很多家电在大部分生命周期内是处于待机模式，白白浪费大量电能，导致这种现象的原因很简单，只是没有人去关闭机械式电源开关，切断电器与电源插座的电连接。

智能开关机管理可有效地解决这种能源浪费问题，VIPer0P的零功耗模式(ZPM)正是为此设计。即使家电处于待机状态下，未断开与电源插座的连接，先进的开关机管理技术仍可实现极低的输入功耗。

事实上，设备在工作周期结束后可以立即自动关闭，必要时再重启开机。零功耗模式是由微控制器自动控制，也可以由用户用低压开关按钮或遥控系统加以控制。有了零功耗模式后，电器产品可省去机械开关，降低组件成本。

VIPer0P产品特性

图2所示是VIPer0P的结构简图，组件包括一个800V击穿电压、20?导通电阻的MOSFET晶体管和一个内置过流保护机制的固定频率的电流式PWM控制器。为了能够使用最小的滤波器达到电磁干扰规范要求，控制器工作频率采用频率抖动技术的固定频率。在能效和变压器尺寸方面，为便于客户选择最有效的解决方案，意法半导体提供两款产品，分别是(FOSC)开关频率为60kHz的“L”款和120kHz的“H”款。VIPer0P配备轻载管理功能，在几毫安负载时同样能够取得良好的能效。

为避免人耳听到噪声，在轻载时，漏极限流(IDLIM)从400mA降至105mA，此时，控制器进入脉冲频率调制(PFM)模式。
该产品封装采用SO16窄贴装(SMD)。


图1-VIPer0P的主要应用领域

零功耗模式

作为该产品的一个主要特性，零功耗模式是指产品被完全关断的待机状态，此时，输出电压为零，在 230V电压下，待机功耗在4mW以下。芯片进入零功耗模式的方法是：强制OFF引脚连接SGND引脚，时长tDEB_OFF 大于10ms；退出零功耗模式(恢复正常开关操作)的方法是：强制ON引脚连接SGND引脚，时长tDEB_ON大于20μs。如图3所示，ON/OFF引脚可由微控制器管理，而退出零功耗模式，则需要用户干预，即按开关按钮或操作遥控器。


图2-VIPer0P架构


图3-微控制器控制的零功耗模式示例

嵌入式误差放大器

VIPer0P集成一个误差放大器(EA)，反相输入端和输出端分别是FB和COMP。

误差放大器的内部参考电压是1.2V，EAGND引脚上的外部接地参考电压相对SGND(控制器接地)变负，这准许在非隔离架构中,通过连接在FB、SGND和 EAGND引脚之间的分压器，轻松准确地设置负输出电压。EAGND直接连在负输出电压轨上。

若需要正输出电压，则将EAGND引脚与SGND引脚焊在一起，将分压器置于FB和SGND两个引脚与输出端之间。

如果需要隔离电源，则FB引脚与SGND引脚焊在一起，以禁用误差放大器，通过光耦合器的源出电流设置COMP引脚电压。光耦合器源出电流与二次侧外部误差放大器(TL431或类似放大器)的误差信号成正比。

不论哪一种情况，须在COMP和SGND两个引脚之间设置补偿网络。

内部电源

嵌入式高压(HV)启动电路包括800V启动MOSFET晶体管和可开关的高压电流发生器，其提供的电流ICH 为连接VCC引脚的外部电容CVCC充电。当VCC电压达到启动阈压8V时，芯片开始工作，一次侧MOSFET开关开始运行，高压电流发生器关闭。


图4-VIPer0P电源模式: 自供电和外部电源

在稳态下，芯片支持两个不同的偏压：自供电和外部电源，如图4所示。

在自供电模式下，CVCC电容存储的电能为芯片提供电源，不论何时，只要电压降至4.25V，高压电流发生器就会激活，为电容充电，直到8V为止。

在外部电源模式下，通过连接变压器辅助绕组或者输出端（后者只有在非隔离型拓扑情况下），可使VCC电压保持在4.25V以上，高压电流发生器始终处于关闭状态。

甚至当输出电压较低(例如，5V)时，VCC的宽电压范围(5V - 30V)使芯片能够继续使用外部电源，从而提高系统能效，降低组件成本。30V上限使芯片可承受辅助电压的剧烈变化，让设计人员灵活地选择变压器。

IC自动重启保护

芯片内部保护电路可提高最终产品和芯片本身的安全性和可靠性。这些保护功能包括过流保护(OCP)、VCC电压钳位保护、最大占空比计数器和过热保护(OTP)。如果其中某一项保护功能激活并将芯片关闭，芯片将在持续一段时间后自动重启，这些被禁用的时间称为自动重启时间，用参数tRESTART表示，参数值在芯片内部固定，通常为1秒),然后从软启动开始自动重启过程。
automatically restarted with soft start phase.这个过程将会反复出现，直到故障排除为止。

更低的漏极峰流为可靠启动提供保障

新的脉冲跨周调制模式保护功能可避免漏极电流过高和变压器饱和，这两种现象在转换器启动阶段特别常见(图5中的虚线)，因为当输入和输出电压差值很大时，电压时间开始失衡，如果不加以控制，IDRAIN将会迅速升高。

脉冲跨周调制模式工作原理如下：在导通时间tON_MIN最小值内，若IDRAIN大于IDLIM ，则开关频率逐周期二分频，降至最低值15kH，如图5实线所示。如果确实满足上述条件，开关频率保持在15kHz, 且当内部过流保护计数器OCP记到最后一个数时，过流保护功能启动。在导通时间tON_MIN内，若IDRAIN小于IDLIM ，则开关频率逐周期二倍频，直到开关频率FOSC恢复到正常为止。


图5-启动期内的脉冲跨周调制模式

VIPer0P评估板

电路板介绍

如图6所示，STEVAL-ISA174V1能够让用户使用VIPer0P全部功能，在实际应用中快速测试器件的性能。该演示板采用非隔离反激式拓扑，通过双输出端口提供大约7W输出(-5V输出800mA; +7V输出大约400mA)，板载 VIPer0P “L”款功率转换器。

通过将误差放大器的悬浮接地参考引脚EAGND连至负电压轨和FB、EAGND和SGND引脚之间的分压器，很容易获得负输出电压。

该评估板通过变压器二次侧线圈匝数比设定+7V输出电压，使用一个小信号二极管供给VCC引脚，因此节省了自供电源和启动高压电流发生器所发生的功耗。结合VIPer0P内部模块的低功耗，这样设计可在轻载和空载条件实现极低的输入功耗。


图6-STEVAL-ISA174V1


表1-空载和轻载输入功耗

零功耗模式

在正常式作期间按下开关按钮时，OFF引脚被强制连至SGND引脚，且连接时间大于DEB_OFF，芯片进入零功耗模式。除退出零功耗模式所需的模块外，芯片内部所有模块均关闭。表2列出了零功耗模式输入功耗测量值。

再按下开关时，ON引脚被强制连至SGND引脚，且连接时间大于DEB_ON，芯片退出零功耗模式。芯片通过软启动恢复开关操作，重新开始输出功率。在实际应用中，ON和OFF引脚可以由微控制器控制，如图3所示。实际上，这些引脚的上拉电阻有几微安的驱动能力，可在零功耗模式供给微控制器。


表2-零功耗模式功耗

保护

如果连续施加过载输出，过载时间tOVL达到50ms，芯片将会启动自我保护功能，关闭自动重启电路的功率部分 ，重启时间tRESTART时间典型值为1秒(图7)。这样设计可确保转换器保持较低的重启尝试重复率，使转换器安全地工作，保持极低的功耗吞吐量，避免过载现象反复出现时芯片过热。


图7-稳态期间的过载保护

此外，在保护电路触发后的启动期间，内部软启动功能激活(图8)，实际上，这是过流保护阈值逐渐提高过程，在内部固定周期tSS (8 ms)内，IDLIM分8步从0升至400mA标称值。这个功能的用途是降低二次侧二极管和电路板功率器件上的应力，提高系统总体可靠性。


图8-在超载保护期间重启过程中的软启动

在过载现象消除后，芯片恢复正常工作。

在启动阶段，若IDRAIN 在tONMIN时间内升至较高值，则脉冲跨周调制模式激活，以降低芯片的开关频率(图9)，为电感提供更多的放电时间，帮助限制漏极峰流值，防止电流失控现象发生，避免变压器出现饱和，提高系统总体可靠性。


图9-启动期内的脉冲跨周调制模式

VIPer0P评估软件

eDesignSuite：一款以电源管理为主要应用的在线仿真工具，用于电源(AC-DC和DC-DC)、LED灯具(AC-DC和 DC-DC)、太阳能、充电器、滤波器和天线设计。

该仿真工具支持许多基于意法半导体产品的拓扑(控制器、MOSFET、二极管、保险、稳压器等)。新产品 VIPer0P即将被列入支持范围。插入转换器的主要参数(Vin, Vout, Iout等)，选择要使用的控制器，几秒后，eDesignSuite就能生成一个完整设计：带全部注释的互动电路示意图、完整的互动组件清单、分析图库(例如，主电流和电压仿真、能效、Bode稳定性和功率损耗)和变压器设计。

在完成一个简单的在线注册后，即可登录意法半导体网站www.st.com/edesignsuite，使用软件工具(下面是基于VIPerPLUS系列产品的eDesignSuite设计图示例)。



结论

VIPer0P是意法半导体最新推出的创新的绿色智能电源解决方案。

VIPer0P让电源设计人员能够轻松满足市场对稳健性和能效的双重要求。  

STEVAL-ISA174V1评估套件评测结果证明，基于VIPer0P的开关电源可轻松满足能效法规的严格要求，例如，CoC5和IEC62301的零功耗要求。此外，评估板套件还能演示IEC电磁兼容性、电磁干扰、电涌、突发和应用性静电放电等规范预认证测试。

显然，VIPer0P为家电厂商带来增加产品价值的机会。