基于VIPer53的开关电源设计

开关电源广泛地应用在机顶盒、DVD播放机、录像机等消费电子产品中,降低成本、提高效率和稳定性是此类电路设计的关键。而VIPer53是一款适合此类应用的开关电源电路,该电路采用了系统级封装、VIPower技术和MDmesh技术。本文详细介绍了该芯片的性能特点和设计方法。

VIPer53是采用系统级封装技术的高度集成离线开关电路,采用纵向智能电源技术(VIPower),内置一个采用多重漏极网格技术(MDmesh)的功率MOSFET,系统控制部分和功率MOSFET都集成在同一个封装内。

该芯片采用芯片到芯片(chip-to-chip)的制造方法,并利用MDmesh和VIPower技术。MDmesh技术综合了一种新的纵向漏极结构和“网格重叠”横向布局,采用一个纵向P型带结构,该带结构由一个可以降低一般轻掺杂漏极电阻的隔离材料组成。控制部分采用高压M0-3 VIPower制造技术,这种技术允许控制电路具有保护功能,采用一个单一的封装结构使组装过程变得十分简便。

VIPer53在无负载条件下将功耗降到较低的水平,使电源制造商可以达到新的更加严格的环境标准,如“能源之星计划”。此外,由于R_DS(on)较低,在25℃时仅1Ω,电源变换效率明显提高,不需要采用散热器,从而降低了制造成本。

在VIPer53芯片内包括组成初级侧开关电路所需的全部模块:控制部分包括启动变换器的高压电流源、脉宽调制驱动器和各种保护功能,如过压保护、热关机、逐周限流和新的负载保护,同时功率MOSFET的最小击穿电压为620V,R_DS(on)在25℃时为1Ω。

通过连接DSC引脚的电阻-电容网络可以从外部设置开关频率,最高可以设定为300kHz,当变换器接通时,位于漏极引脚和V_DD引脚之间内部高压电流源为器件供电,并向一个连接V_DD的外部电容器充电。当V_DD电压达到V_DDon阈值时,内部高压电流源关闭,器件开始开关工作,变压器辅助绕组给器件供电。采用VIPer53的参考电路设计如图所示。

该芯片的反馈控制系统属于电流模式控制,通过Comp引脚实现控制功能。电流模式控制是指将流经MDmesh功率MOSFET和回扫变压器的电流与调节回路的输出电压产生的反馈信号比较,比较的结果决定MDmesh MOSFET的导通时间。

VIPer53通过TOVL引脚实现的过载保护延时功能,如果Comp引脚电压超过4.35V(典型值),过负载保护就会启动,连接TOVL引脚的外部电容器开始充电,同时MOSFET开始不断地开关操作。在此期间,漏极电流限制在1.6A。如果过负载维持不变,TOVL电容达到V_OVLth阈值电压,MOSFET关断,并停止向变换器的输出传送能量。此时,V_DD电压下降,当达到V_DDoff阈值电压时,内部高压电流源接通,一个新的周期开始。如果过负载或短路继续存在,器件进入无休止的重启序列。

保护延时时间是由电容充电时间确定,TOVL引脚上的电容值的选择决定了V_DD引脚上的电容值的选择。TOVL引脚上的电容充电时间t_OVL必须大于变换器的启动时间t_ss,在这个时间内辅助绕组不能向电容和器件输送充足电能。

在设定开关频率时需要同时考虑到变压器尺寸和电磁干扰特性要求,以满足EN55022标准。在非连续导通模式下,当输入电压最小时效率高于70%,最大负载周期为47%。在最低电压2.5V输出上进行调节操作,交叉调节是通过一个简单的电路和优化的变压耦合来实现的。除使用电压调节器从5V提供3.3V电压输出外,所有输出都直接连接负载。

输入EMI滤波器由一个π形滤波器组成,该滤波器同时滤除差模和共模干扰。为了降低待机功耗,电路设计时采用一个Transil箝位电路取代了功耗较高的标准RCD电路。

VIPer53芯片本身充分考虑到了电路启动、电压检测和无负载情况,使电源设计变得更加简单,并提高了电源的整体效率,简化了电路。除的3.3V输出需要一个简单的辅助电路外,其它每个输出都通过自动回复模式(hiccup mode)实现短路保护。此外,为提高短路保护特性,电路中还使用一个在关断时可以抑制尖峰电压的消隐电路(由Q1、C9和R5组成),输入部分采用了一个NTC(负温度系数)电阻器,以限制在电源启动时过高的涌入电流,通过R2和C4设定开关频率,C5是连接V_DD引脚的VIPer电源电容。

在待机和轻载时,VIPer53利用内置突发模式电路跳过一些开关周期,从而降低了等效开关频率。这个特性在最新一代VIPer53上得到了进一步提高,根据COMP引脚电压,器件可以提供一个双值消隐时间,即电压是0.5V或1V,消隐时间为150ns或400ns,并具有防振荡的滞后。

在图所示电路中,通过2.5V输出上的一个TL431和一个光耦合器提供电压反馈,光耦合器集电极上的电压可以确定VIPer器件的峰值漏极电流,反馈比较电路跨接在TL431阴极和参考引脚上。为提高5V输出的调节功能,输出检测电压被两个电阻分压,如图所示。事实上,这个输出通常连接到对电压变化敏感的电路,如微处理器和其它低压逻辑器件。

随着输入电压的变化,变换器可以实现优良的电压调节,无负载时功耗很低,满负载时效率高于70%。由于内部电流发生器供给2mA的恒流,所以启动时间与输入电压无关,只与V_DD电容器有关。

通过在高压输出使用绕组耦合,以及在2.5V和5V输出使用一个辅助电路(图中的Q1和Q3),可以为任何输出提供短路保护。在第一种情况下,电源工作在自动回复模式；在第二种情况下,通过光耦合器驱动COMP引脚来限制输出功率。

按照EN55022B类标准测量上述电路的EMI特性,测量使用一个50Ω的LISN 和一个频谱分析仪。测试结果表明,尽管使用了峰值检波器,但是辐射级的测量结果却低于平均极限,顺利通过了测试要求。

F. GENNARO

F. SALANITRI

意法半导体公司