技术分析：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、20Ω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。