在非隔离脱机应用中使用VIPer12A智能功率IC的低成本电源

在工业及家电业中，低成本应用非隔离脱机电源的普及程度日益提高。电源尺寸是一个关键因素，业界一直在寻求不使用体积庞大的50/60Hz变压器的新型有效解决方案。内在的简易性和易用性，使智能功率技术的应用程度不断提高。意法半导体(ST)开发的VIPer12A是一款单片智能功率IC，其组件包括一个60KHz的集成脉宽调制控制器和一个击穿电压为730V的高压功率MOSFET。与同等级别的分立器件相比，这款智能功率IC具有功率转换效率高、成本低廉和空间小的优点。本文主要分析了几个采用功率IC的非隔离拓扑，例如标准降压、降压/升压配置，以及一个双输出拓扑和一种带双重互补性输出的创新拓扑。这些拓扑涵盖了工业及家电市场上低功率应用的主要方面。另外，本文还给出了设计建议及应用实例，同时还介绍了智能功率IC的特性，如启动功能、过热和过流集成保护及反馈电路等，以及它们是如何简化小型电源的。近年来，在工业及家电市场，兴起一股以降低变换器尺寸和成本为目标、从线性向开关电源变迁的潮流。由于国际标准、推荐规范和市场前景等原因，效能高的解决方案成为各厂商的首选甚至成为强制性的标准，使得旧项目必须更新，从50/60Hz变压器和线性调节器向高频电力变流器过渡。此外，新的成本优化设计，唤起了厂商对适用于全球应用开发的构想，开始考虑宽范围的输入电压。由于开关电源方案建立在对功率半导体开关导通时间的调制基础之上，因此，开关电源技术为厂商实现自己的构想提供了可能性。在工业和家电市场上，产品规格是很好的标准，因为系统通常由微控制器、继电器、LED、显示器、低功率电机控制器的双向晶闸管或隔离栅器件的门极驱动器组成。因此，所需的直流电压通常是：门极驱动器为+15V；微控制器和LED为+5V；继电器为24V或12V等。系统的复杂性以及给这些器件馈电的电源，产生了不同应用之间的差异。智能功率IC的控制器和功率器件都是板上集成的，而且不需要处理功率器件的驱动问题及有关电源核心块的布局问题，因此，通过简化设计过程，智能功率技术进一步简化了这种电源的设计和开发过程。本文概述了非隔离拓扑，并分析了一些采用VIPer12A智能功率集成技术的典型应用。

本文引用地址：脱机低功率拓扑概述通过调整电源开关的工作比，脱机非隔离拓扑无需任何隔离变压器就可把交流电源转变成一个稳定的直流电压源。把能量从输入传输到输出的是一个低成本的电感器。如图1所示，通过两个拓扑，可以产生分别对应降压和降压/升压拓扑输入电压的公共端子的正电压或负电压。两个拓扑都使用一个电感器储存能量，在电源开关接通时充电。电感电流波形决定变换器的工作模式，如“连续式”或“不连续式”。在连续式操作中，电感电流从来不归零，而在不连续式中，在规定的时间电感电流是零。谈到电感电流的单一零点，我们定义了一种“边界模式”。在连续模式中，利用开关的工作比D，通过电子方式对电压进行控制，两个变换器工作方式就像一个变压器。根据(1)和(2)，工作比D由导通时间ton和开关时间TS的比来决定。 降压变换器(1)降压/升压变换器(2)当开关接通时，输出电感器上(Vi-Vo)上出现一个恒压，使电感器上的电流按照公式(3)计算出的速率di/dt线性上升。(3)当开关断开时，电感器上的电压极性相反，并设法维持电流与关断前相同。二极管导通，并限制电感器电压至理想的零状态。L上电压是V0，其电流以式(4)给出的速率下降。(4)开关再次接通时，L上的电流从D转向开关S，向二极管施加反馈偏压。电感器L上的电流包括当开关断开时二极管的开关电流。电感电流围绕直流电流值I0，以L值决定的波动系数上下波动。由于起源于基本拓扑，因此，使用低成本器件就可以实现双输出变换器，如图2所示。这些拓扑特别适用于降压变换器，但也适用于降压-升压变换器。如图2(a)所示，在这种拓扑中，输出电感器的两个线圈以回扫方式耦合，并且匝数n正确。第二种拓扑描述了一种创新的配置，适用于供给双重互补性输出，见图2(b)。因为使用标准单线圈电感器，所以成本优化是这种配置的主要优势。在电感电流处于续流状态时，给电容器充电可以产生第二个互补性输出。借助一个数值恰当的齐纳二极管，可以调节电容器上的电压。在标准降压拓扑中(见图3)，节点1的电压由二极管D钳制，使电感电流可以继续流动。在此方案中，齐纳二极管Dz钳制节点1的电压为(Vd+Vz)，其中Vd是二极管上的压降，Vz是齐纳二极管的电压。如果电容跨接齐纳二极管和地线，则会生成一个负电压源。根据电路工作原理，第二个输出供给的电流不能超过第一个。开关周期基本上可以分为两个时段，如图3所示。对于不连续导通模式DCM，在开关S接通期ton，输入直流总线与输出相连，对负载供电，见图3(a)。一旦开关断开，如图3(b)所示，电感电流继续流经二极管D1，直到电流值为0而且输出电容C1给负载供电。齐纳二极管出现在续流通道上，不会影响变换器的基本操作，但是会影响到效率，有关齐纳二极管如何影响变换器的效率，见图4。如果输出OUT2没有负载，续流会经过二极管D1和Dz。随着从OUT2吸取的电流增大，续流会流过一个不同的通路，分成两个元件，如图4(b)所示。这种方式降低了Dz的功耗，相应地提高了效率。因此，对于一个给定的输出电流Iout1，如果互补输出施加负载，变换器就会具备更加优秀的性能。两个输出电容器的选择取决于输出波动的规格。必须选择一个适当的C2，同时应考虑到互补性输出与交流电源输出存在某种联系。如果需要一个去耦性输出，就必须使用一个合适的控制电路，见图5。这个电路的工作方式像一个等效负载，使用成本低廉的器件可以轻松实现这个电路。这个电路的组件包括两个晶体管Q1和Q2(如一个PNP和NPN BJT)、一个电阻器R1和一个齐纳二极管Dz1。在Q2和Dz1驱动下，不管Vout1供电的负载如何，晶体管Q1都能保证L感应一个规定的电流。不管Iout1如何，这种方法使Iout2有多种变化，而且只受Iout1最大容许值的限制。

采用VIPer 12A设计的非隔离变换器VIPer12A的特性是用其设计降压变换器的直接原因，见图6(a)。借助连接Vdd引脚的一个二极管和一个电容D1和C2，通过变换器的输出，可以很容易地实现VIPer12A的电源电压。二极管的额定电压取决于输入电压，如185-265V的欧洲电压范围可以使用一个400V的二极管，C1的选择要根据变换器的启动时间和短路特性来确定。实际上，在短路期间，Vdd电压会降到最小必需值以下，使内部高压电流发生器能够产生一个新的启动顺序。电容充放电时间取决于电容器本身的电容值，因此，电源开关的正确供电时间也会发生相应变化。而且，如果电流脉冲在器件上产生大量的热，过温保护功能可能会关断电路。电容典型值范围为300nF~10mF，额定电压是250V，视输出电压而定。调节电路只由跨接FB和Vdd引脚的一个齐纳二极管Dz构成。为了使调节功能更加优秀，可以在FB和S引脚之间跨接一个过渡电容器C2，具体电容值约为几十个nF。如果输出电压低于15V，要想启动VIPer12A，电路就必须略加修改。在这种情况下，调节电路必须去掉与电源电路的耦合，使用独立的二极管和电容供给FB引脚上的齐纳二极管、D2和C3，如图6(b)所示。二极管D2是一个低压二极管，如1N4148，使Vdd的电压可以达到启动值。 由于D2 和 C3 构成了一个输出电压峰值检测器，因此， C3 的电容值将会影响调节电路的精度。要实现高精度，该电容值最低可以达到100nF。 如果输出电压低于8V，就必须使用一种不同的解决方案。事实上，虽然控制反馈和电源电路是相互独立的，但由于输出电压低于Vdd引脚上的最低电压，该器件仍将无法启动，不过，在启动模式工作，无需稳压和高峰流。目前出现了一种允许给功率IC供电的专利技术。如图8(a)所示，为产生所需的电源电压，该电路的设计比标准降压拓扑多用一个感应线圈，它借助一个分压器，通过一个低压二极管在一个辅助电容内储存所需的能量。在电源开关处于导通状态时，电容C4通过D3充电，然后在电源开关断开时，C开始放电，通过D1把能量传输到C1。D3是一个低压二极管，如1N4148，C4是一个电容值在10nF至1mF之间的低压电容器。特别是，贮存VIPer12A所需的电荷和供给正确的电压时，必须按照输出感应线圈比L1/L2和输入交流电压，准确计算电容C4的值。由于感应线圈ESR的原因，C4上的电压还与输出电流有关。电容C1按标准过程计算。有关输出电压Vout<-15V和-15V<Vout<-8V的降压/升压交换器的电路简图，见图7。如果所需的输出电压高于-8V，如-5V，就必须采用一种不同的解决方案，如图8(b)所示。二极管D4是一个低压二极管，如1N4148， C4用于贮存VIPer12A所需能量值，电容值大约是100nF。电容C1按照标准过程计算。电容器C2连接FB和S引脚，以提高整流性能。

应用实例本节介绍并分析三个采用VIPer12A的应用实例。第一个应用实例是一个16V~100mA的脱机电源。变换器的技术参数是Vin=185~265Vac, Vout=15V ，Iout=100mA。为了得到在开路负载条件下的调整输出，在最小输出电流低于2mA的输出端连接了一个负载电阻器Rburden，电路图见图6a。为把地线连接到电力网的中性线上，使用了一个单波整流管。为提高反向电压的强度，中性线上可以再连接一个整流二极管。此外，输入体电容器可以分成2个电容器，其间可以插入一个电感线圈，从而构成一个经济型的EMI滤波器，表1列出了所需的元器件名称。这一电源解决方案可以成功地应用于基于微控制器的低功率电机驱动系统。这种应用需要两个稳压输出：电源开关门极驱动器所需的15V电压和微控制器所需的5V电压，电路图见图9。在这个电路中，使用了一个带正确系统操作复位的5V线性调节器。电路板的尺寸是3.5负离子发生器相关文章:负离子发生器原理电荷放大器相关文章:电荷放大器原理脉宽调制相关文章:脉宽调制原理离子色谱仪相关文章:离子色谱仪原理

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