单片开关电源VIPer53的原理与应用

单片集成开关电源VIPer53是意法半导体(ST)VIPower家族中新推出的又一性价比极强的电源芯片。该器件内部集成了专用电流型PWM控制器和一个采用多晶胞网格(Mdmesh)工艺的高压功率场效应管(MOSFET)。同时此芯片还含有10～300kHz外部可调频率的振荡器、高压起动电流源、带隙基准、用于环路补偿的并联调整器、误差放大器及输入过压、输入欠压、过流、过温保护等电路。与同等级的芯片相比，除了具有各种完善的保护功能外，最具有特点的就是符合“蓝天使”和“能源之星”的待机功能。
1 基本性能特点
VIPer53有直插和贴片两种封装形式：VIPer53DIP(DIP-8)、VIPer53SP(PowerSO-10)；它们的功率等级分别为50W和65W。
其管脚功能如下：
电源脚(VDD)：提供给芯片内部全部控制电路的电源，同时它与内部漏极(DRAIN)高压电流源相联，此引脚电压的可用范围可以从8.4V扩展到18V。
源极(SOURCE)：功率MOSFET的源极与电路的原边功率地。
漏极(DRAIN)：功率MOSFET的漏极，同时也用于给内部高压电流源充电，最高耐压650V。
补偿脚(COMP)：电流方式结构输入和内部误差放大器输出，通过补偿网络来调节开关电源的动态响应特性，工作电压范围从0.5～4.5V。
过载延时保护(TOVL)：通过外部扩展电容的容值大小来设定过载保护延时点。
振荡脚(OSC)：通过外部扩展阻容网络值来设定电源工作频率，设定工作频率范围从10k～300kHz。
2 基本工作原理
⑴正常工作模式
当输入电压在芯片的漏极(DRAIN)建立起来以后，同时VIPer53通过内部高压电流源对电源(VDD)进行充电。当内部电源电压超过开启域值电压11.5V时，滞回比较器开始工作，并关断内部高压电流源，同时也给RS触发器送一个工作信号。在场应管(MOSFET)打开后进行第一个周期的磁转换，如果关开电源其它信号正常，辅助绕组将给电源(VDD)侧的电容充电，直至电容中储存的能量足以维持VIPer53芯片的最低功耗，此时开关电源进入正常工作模式。
⑵过压保护模式
电源(VDD)电压高于内部18V电压基准时，过压比较器会送一个过压关断的停止工作信号给RS触发器，开关电源进入过压保护模式。
⑶欠压保护模式
电源(VDD)电压低于内部8.4V电压基准时，欠压比较器会送一个欠压关断的停止工作信号给RS触发器，开关电源进入欠压保护模式。
⑷过载保护模式
当通过外部反馈作用于补偿脚(COMP)，当电压高于4.35V时，过载保护将被触发。而扩展于过载延时保护(TOVL)的电容中储存的能量通过内部的开关管进行放电。当电压低于4V以后，芯片即进入完全的过载保护模式。
⑸待机模式
当补偿脚(COMP)电压低于0.5V时，待机比较器会送一个高电平信号至RS触发器，使芯片进待机模式。处于待机状态时，整机功耗小于0.5W。
3 典型应用
图2是一个应用VIPer53设计的12V/4A的原边反馈的开关电源，其输入电压范围为165～265VAC，电源的工作频率是100kHz。此方案针对输出电压精度不是很高的且成本低廉的应用场合。
在变压器原边并联的R1、C3和D1为缓冲电路，用于消除变压器原边关断瞬间的漏感造成的尖峰电压，D3、R4和C4组成VIPer53辅助电源提供电路，R2和C5组成VIPer53的振荡网络，意法半导体提供了很方便的参数配置图，参见图3。R3和C6共同组成一个比例积分的补偿网络来控制系统的瞬态响应速度。当输出回路负荷变化时，流过场效应管(MOSFET)的电流与内部的参考比较来控制输出占空比范围变化，使输出电压保持不变，以达到稳压的作用。
线性光电耦合器Opto1、可调精密电压基准源TL431和C8组成一个一阶控制的负反馈闭环系统。通过电阻R7和R8构成的输出电压采样电路，将电压信号与TL431内部2.5V的电压基准进行比较而形成的误差电压来改变Opto1中的LED流过的电流，即控制光接受三极管的开度来使VIPer53发出脉宽控制信号，调节VIPer53的输出占空比范围使用输出电压保持不变，最终达到稳压的作用。