简化50W以下开关电源电路拓朴结构的芯片解析方案

1 引言

低成本、高效率、小型化、离线式调节是开关电源发展的必然趋势。意法半导体公司生产的VIPer50是将功率MOSFET与PWM控制器集成在同一芯片的单片开关电源集成电路，它是目前最具代表性的五端单片开关电源器件。该芯片简化了50W以下开关电源电路的拓朴结构，使得开关电源的效率和可靠性大幅度提高，同时大大降低了电源电路的体积与制造成本。

2　VIPer50的结构特点

VIPer50在芯片上集成了开关管、驱动级、振荡器、PWM控制器、欠压锁存电路、宽带误差放大器、延迟电路、消隐电路、过载和超温保护电路等，实现了单片集成化，内部结构框图如图1所示。

图1　VIPer50内部结构框图

VIPer50的主要特点如下：

(1)集优化的高压纵向功率MOSFET、脉宽调制器(PWM)和各种保护电路于一体，使外围元件减少20~50个，提高了系统的可靠性并降低成本。

(2)工作电压范围为85~265VAC，适合于世界各地的工频电源，无需电压选择开关。

(3)转换效率高，待机电流小。具有独特的突发模式控制功能，当电源处于待机状态时自动进入突发模式，消耗功率低于1W，符合欧洲“蓝天使”的待机标准。

(4)既可工作于固定频率(约200kHz)方式，也可工作于用户调整方式或同步方式，最高工作频率可设置为300kHz。

(5)开机软启动，并具备完善的保护功能，例如欠压磁滞锁存、超温关机、过压限制保护等。

(6)不需要外围电流检测电路，利用MOSFET的导通电阻RDS(on)来检测和控制流它的电流，与分立MOSFET的作用不相同。

3　VIPer50的引脚功能

VIPer50采用了PENTAWATT　HV、PENTAWATT　HV(220)、PowerSO-TOTM三种的封装，各引脚功能描述如下：

漏极引脚(DRAIN)，内部连接高压功率MOSFET的漏极引脚。在电源启动期间，通过高压电流源为内部控制电路提供偏置电流，在电源正常工作期间关闭高压电流源。

源极引脚(SOURCE)，内部连接功率MOSFET的源极引脚。

电源供电引脚(VDD)，该引脚有两种功能：(1)给内部控制电路提供电源电压，当VDD引脚电压低于8V时，功率MOSFET关断，启动电流源被激活， VDD引脚偏置电流约2mA，COMP对地短路。当VDD电压升高到11V阈值电压时，启动电流源自动关闭，器件开始转换，变压器向负载供电。(2)内部连接误差放大器，允许初级调节设置和次级调节设置。

控制引脚(COMP)，该引脚有两种功能：(1)它是误差放大器的输出端，外部连接RC网络用于回路补偿。(2)当电子设备进入待机状态时，COMP引脚将电压低于0.5V，器件能自动转换到突发模式(低频工作模式)，从而降低了开关电源的损耗。

频率调整引脚(OSC)，该引脚通过偏置电阻Rt连接到VDD，Rt、Ct网络决定了内部振荡频率。改变Rt、Ct的参数，可使振荡频率在30kHz~1000kHz范围内调节。Rt、Ct的取值与与振荡频率FSW之间的关系满足：

当Rt>1.2kΩ，Ct≥15nF时，FSW≤40kHz。

用光电耦合器取代Rt、Ct网络，在其发光二极管端引入外部时钟脉冲，电路工作在外同步模式，如图2所示。

图2　VIPer50工作在外同步模式

4 典型应用电路

4.1　通用型开关电源

由VIPer50构成的通用型开关电源电路如图3所示，该电路采用了典型的单端反激式拓朴结构，交流输入电压范围为85~265V，输出功率为30W(+5V、6A)，效率达85%，负载调整率S1在4%~6% 。接通电源后，220V交流电首先经EMI滤波、桥式整流、C2滤波，得到约300V直流高压，再经开关变压器T1初级绕组N1，给VIPer50提供开机电压。反馈绕组N2上的感应电压通过R3、VD3、C4整流滤流后，得到反馈电压，分成两路：一路加至VDD引脚，为芯片提供电源电压;另一路则通过振荡电阻R4送至频率调整端，为振荡电容C5提供充电电压。从T1次级绕组N3输出的PWM功率信号，经过VD2整流及C9、L2、C10滤波后，产生+5V的稳压输出。

为防止刚开机时输入滤波电容C2上的充电电流过大，在交流输入端串联了一只负温度系数的热敏电阻R1。电容C1与扼流圈L2构成简单的EMI滤波器，用于抑制交流电网中的高频噪声。VD1、R2、C3组成钳位保护电路，可将开关变压器T1初级绕组上的高压感应电动势衰减到安全范围内，避免损坏芯片。VD1为阻塞二极管，实选BYD37J型600V/1.5A快恢复二极管;C3优选耐压高、漏电小的陶瓷电容(2200pF/1kV);BR1选择由4只IN4007(1A/1kV)硅整流管构成的桥式整流器。VD3采用高频开关二极管1N4148;VD2须选用10A/30V以上的肖特基二极管，例如B82-004型(15A/40V)。C6、C7和R5组成了回路补偿电路，它们能改善内部误差放大器的频率响应。为抑制共模干扰，在开关变压器N2、N3绕组的同名端之间，还并联了一只高压陶瓷电容(1000pF/3kV)。

图3　由VIPer50构成的通用型开关电源电路

4.2　30W精密开关电源

图3所示的开关电源不足之处在于负载调整率较高(S1在4%~6%)，难以满足精密稳压的要求。由VIPer50构成的30W精密开关电源电路如图4所示。该电源的负载调整率S1<1%，与图3比较主要有以下区别：

(1)电路中增加了由TL431可调式并联稳压器和光电耦合器组成的光耦反馈式电路，通过TL431内部2.5V基准电压和采样电压比较，改变光耦的工作电压的大小，再由光耦调节VIPer50的占空比，即可实现精密稳压的目的。光耦工作在线性状态，CTR(电流放大率)太大，容易造成VIPer50过压保护;若CTR太小，占空比D将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此，应选取CTR范围接近100%的光耦，例如SFH610A-2型光耦。

(2)在VDD引脚中增加了由C6、R4组成的输入浪涌电流保护电路。在接通电源时，开关电源并不立即启动，而是通过R4对C6进行充电，等VDD引脚上电压达到8V时，开关电源才逐渐开始工作，确保芯片在开机瞬间各部分处于低电压、小电流的工作状态，防止内部功率MOSFET被浪涌电流和开关变压器的高压感应电动势损坏。

图4　由VIPer50构成的30W精密开关电源电路

4.3 由微处理器控制的VIPer50开关电源

由微处理器控制的VIPer50开关电源如图5所示。该电源电路的特点是在VIPer50的VDD、COMP引脚之间增加由三极管VT1、VT2和稳压管VD4等组成的待机控制电路，其中VD4跨接在COMP引脚与VT1的集电极之间。开关电源正常工作时，VDD经R5、R7、VD4加到COMP引脚，因VDD小于VD4的反向击穿电压，故COMP引脚电压不受VDD电压的影响，只受光耦IC3的控制。当微处理器发出关机信号时，在VT1的基极输入高电平，VT1、VT2和VD4都导通，COMP引脚立即被钳位到低电平，VIPer50进入低功耗待机模式，封锁输出。这种电源电路特别适合在液晶显示器、打印机、DVD等有待机控制要求的设备中应用。

图5 由微处理器控制的VIPer50开关电源

5 结语

以VIPer50为核心的开关电源，具有外围电路简单、使用灵活、成本低廉、可靠性高等优点，因此在液晶显示器电源、打印机电源、VCR和DVD播放机电源等领域中具有广泛的应用前景。