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作者：Mirko Sciortino, Giacomo Mercadante, Vittorio Giammello 摘要 VIPer0P是一款離線交流變直流轉換器，內部集成一個800V耐雪崩功率MOSFET和一個PWM控制器，在寬輸入功率范圍內實現7W輸出功率。嵌入式零功耗模式(ZPM)讓開關電源功耗在230VAC時低于4mW，按照IEC 62301標準定義，這個功耗值可視為零功耗。 VIPer0P內部功能集成度很高，有助于設計人員設計一款輕巧的電源，同時節省組件成本。 VIPer0P是一款設計靈活的功率轉換器，適用于開關電源拓撲，例如，反激式轉換器、正極或負極輸出降壓式轉換器。 該產品的寬輸出電壓范圍(5V-30V)方便設計人員靈活地選用變壓器。在諸多內部保護功能中，新的磁通量密度泄漏防護可防止啟動過程中發生電流尖峰和變壓器飽和現象。 前言 目前，綠色節能對于家電廠商是一個巨大挑戰，為達到現行或以后出臺的更嚴格的能效法規的要求，家電廠商必須按照節能環保理念設計產品。 智能功率產品是意法半導體的一大業務之柱，意法半導體致力于為客戶智能家電提供節能電源，而VIPer0P正是意法半導體履行承諾的范例。 很多家電在大部分生命周期內是處于待機模式，白白浪費大量電能，導致這種現象的原因很簡單，只是沒有人去關閉機械式電源開關，切斷電器與電源插座的電連接。 智能開關機管理可有效地解決這種能源浪費問題，VIPer0P的零功耗模式(ZPM)正是為此設計。即使家電處于待機狀態下，未斷開與電源插座的連接，先進的開關機管理技術仍可實現極低的輸入功耗。 事實上，設備在工作周期結束后可以立即自動關閉，必要時再重啟開機。零功耗模式是由微控制器自動控制，也可以由用戶用低壓開關按鈕或遙控系統加以控制。有了零功耗模式后，電器產品可省去機械開關，降低組件成本。 VIPer0P產品特性 圖2所示是VIPer0P的結構簡圖，組件包括一個800V擊穿電壓、20Ω導通電阻的MOSFET晶體管和一個內置過流保護機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到電磁干擾規范要求，控制器工作頻率采用頻率抖動技術的固定頻率。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，意法半導體提供兩款產品，分別是(FOSC)開關頻率為60kHz的“L”款和120kHz的“H”款。VIPer0P配備輕載管理功能，在幾毫安負載時同樣能夠取得良好的能效。 為避免人耳聽到噪聲，在輕載時，漏極限流(IDLIM)從400mA降至105mA，此時，控制器進入脈沖頻率調制(PFM)模式。 該產品封裝采用SO16窄貼裝(SMD)。 
圖1 – VIPer0P的主要應用領域 零功耗模式 作為該產品的一個主要特性，零功耗模式是指產品被完全關斷的待機狀態，此時，輸出電壓為零，在 230V電壓下，待機功耗在4mW以下。芯片進入零功耗模式的方法是：強制OFF引腳連接SGND引腳，時長tDEB_OFF 大于10ms；退出零功耗模式(恢復正常開關操作)的方法是：強制ON引腳連接SGND引腳，時長tDEB_ON大于20µs。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，即按開關按鈕或操作遙控器。
圖2 - VIPer0P架構
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。 誤差放大器的內部參考電壓是1.2V，EAGND引腳上的外部接地參考電壓相對SGND(控制器接地)變負，這準許在非隔離架構中,通過連接在FB、SGND和 EAGND引腳之間的分壓器，輕松準確地設置負輸出電壓。EAGND直接連在負輸出電壓軌上。 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置COMP引腳電壓。光耦合器源出電流與二次側外部誤差放大器(TL431或類似放大器)的誤差信號成正比。 不論哪一種情況，須在COMP和SGND兩個引腳之間設置補償網絡。 內部電源 嵌入式高壓(HV)啟動電路包括800V啟動MOSFET晶體管和可開關的高壓電流發生器，其提供的電流ICH 為連接VCC引腳的外部電容CVCC充電。當VCC電壓達到啟動閾壓8V時，芯片開始工作，一次側MOSFET開關開始運行，高壓電流發生器關閉。
圖4 –VIPer0P電源模式: 自供電和外部電源 在穩態下，芯片支持兩個不同的偏壓：自供電和外部電源，如圖4所示。 在自供電模式下，CVCC電容存儲的電能為芯片提供電源，不論何時，只要電壓降至4.25V，高壓電流發生器就會激活，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撲情況下），可使VCC電壓保持在4.25V以上，高壓電流發生器始終處于關閉狀態。 甚至當輸出電壓較低(例如，5V)時，VCC的寬電壓范圍(5V - 30V)使芯片能夠繼續使用外部電源，從而提高系統能效，降低組件成本。30V上限使芯片可承受輔助電壓的劇烈變化，讓設計人員靈活地選擇變壓器。 IC自動重啟保護 芯片內部保護電路可提高最終產品和芯片本身的安全性和可靠性。這些保護功能包括過流保護(OCP)、VCC電壓鉗位保護、最大占空比計數器和過熱保護(OTP)。如果其中某一項保護功能激活并將芯片關閉，芯片將在持續一段時間后自動重啟，這些被禁用的時間稱為自動重啟時間，用參數tRESTART表示，參數值在芯片內部固定，通常為1秒),然后從軟啟動開始自動重啟過程。automatically restarted with soft start phase.這個過程將會反復出現，直到故障排除為止。 更低的漏極峰流為可靠啟動提供保障 新的脈沖跨周調制模式保護功能可避免漏極電流過高和變壓器飽和，這兩種現象在轉換器啟動階段特別常見(圖5中的虛線)，因為當輸入和輸出電壓差值很大時，電壓時間開始失衡，如果不加以控制，IDRAIN將會迅速升高。 脈沖跨周調制模式工作原理如下：在導通時間tON_MIN最小值內，若IDRAIN大于IDLIM ，則開關頻率逐周期二分頻，降至最低值15kH，如圖5實線所示。如果確實滿足上述條件，開關頻率保持在15kHz, 且當內部過流保護計數器OCP記到最后一個數時，過流保護功能啟動。在導通時間tON_MIN內，若IDRAIN小于IDLIM ，則開關頻率逐周期二倍頻，直到開關頻率FOSC恢復到正常為止。
圖5 – 啟動期內的脈沖跨周調制模式 VIPer0P評估板 電路板介紹 如圖6所示，STEVAL-ISA174V1能夠讓用戶使用VIPer0P全部功能，在實際應用中快速測試器件的性能。該演示板采用非隔離反激式拓撲，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”款功率轉換器。通過將誤差放大器的懸浮接地參考引腳EAGND連至負電壓軌和FB、EAGND和SGND引腳之間的分壓器，很容易獲得負輸出電壓。 該評估板通過變壓器二次側線圈匝數比設定+7V輸出電壓，使用一個小信號二極管供給VCC引腳，因此節省了自供電源和啟動高壓電流發生器所發生的功耗。結合VIPer0P內部模塊的低功耗，這樣設計可在輕載和空載條件實現極低的輸入功耗。
圖6–STEVAL-ISA174V1 表1–空載和輕載輸入功耗
零功耗模式 在正常式作期間按下開關按鈕時，OFF引腳被強制連至SGND引腳，且連接時間大于DEB_OFF，芯片進入零功耗模式。除退出零功耗模式所需的模塊外，芯片內部所有模塊均關閉。表2列出了零功耗模式輸入功耗測量值。 再按下開關時，ON引腳被強制連至SGND引腳，且連接時間大于DEB_ON，芯片退出零功耗模式。芯片通過軟啟動恢復開關操作，重新開始輸出功率。在實際應用中，ON和OFF引腳可以由微控制器控制，如圖3所示。實際上，這些引腳的上拉電阻有幾微安的驅動能力，可在零功耗模式供給微控制器。 表2 - 零功耗模式功耗
保護 如果連續施加過載輸出，過載時間tOVL達到50ms，芯片將會啟動自我保護功能，關閉自動重啟電路的功率部分 ，重啟時間tRESTART時間典型值為1秒(圖7)。這樣設計可確保轉換器保持較低的重啟嘗試重復率，使轉換器安全地工作，保持極低的功耗吞吐量，避免過載現象反復出現時芯片過熱。
圖7 – 穩態期間的過載保護 此外，在保護電路觸發后的啟動期間，內部軟啟動功能激活(圖8)，實際上，這是過流保護閾值逐漸提高過程，在內部固定周期tSS (8 ms)內，IDLIM分8步從0升至400mA標稱值。這個功能的用途是降低二次側二極管和電路板功率器件上的應力，提高系統總體可靠性。
圖8 – 在超載保護期間重啟過程中的軟啟動 在過載現象消除后，芯片恢復正常工作。 在啟動階段，若IDRAIN 在tONMIN時間內升至較高值，則脈沖跨周調制模式激活，以降低芯片的開關頻率(圖9)，為電感提供更多的放電時間，幫助限制漏極峰流值，防止電流失控現象發生，避免變壓器出現飽和，提高系統總體可靠性。
圖9 – 啟動期內的脈沖跨周調制模式 VIPer0P評估軟件 eDesignSuite：一款以電源管理為主要應用的在線仿真工具，用于電源(AC-DC和DC-DC)、LED燈具(AC-DC和 DC-DC)、太陽能、充電器、濾波器和天線設計。 該仿真工具支持許多基于意法半導體產品的拓撲(控制器、MOSFET、二極管、保險、穩壓器等)。新產品 VIPer0P即將被列入支持范圍。插入轉換器的主要參數(Vin, Vout, Iout等)，選擇要使用的控制器，幾秒后，eDesignSuite就能生成一個完整設計：帶全部注釋的互動電路示意圖、完整的互動組件清單、分析圖庫(例如，主電流和電壓仿真、能效、Bode穩定性和功率損耗)和變壓器設計。 在完成一個簡單的在線注冊后，即可登錄意法半導體網站www.st.com/edesignsuite，使用軟件工具(下面是基于VIPerPLUS系列產品的eDesignSuite設計圖示例)。
結論 VIPer0P是意法半導體最新推出的創新的綠色智能電源解決方案。 VIPer0P讓電源設計人員能夠輕松滿足市場對穩健性和能效的雙重要求。 STEVAL-ISA174V1評估套件評測結果證明，基于VIPer0P的開關電源可輕松滿足能效法規的嚴格要求，例如，CoC5和IEC62301的零功耗要求。此外，評估板套件還能演示IEC電磁兼容性、電磁干擾、電涌、突發和應用性靜電放電等規范預認證測試。 顯然，VIPer0P為家電廠商帶來增加產品價值的機會。 參考文獻 [1] SPIRIT1數據手冊*“Zero power off-line high voltage converter”: available on www.st.com. [2] eDesignSuite tool available for VIPer0P on www.st.com/edesignsuite. | |||||||||||||||||||||||||||
