VIPER11B：高效節(jié)能離線高壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，高效節(jié)能且性能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標。今天要介紹的VIPER11B，就是這樣一款極具特色的高壓轉(zhuǎn)換器，它在多種應(yīng)用場景中都能展現(xiàn)出卓越的性能。

文件下載：viper11b.pdf

一、VIPER11B概述

VIPER11B是一款智能集成的高壓轉(zhuǎn)換器，它將800V雪崩堅固型功率MOSFET與PWM電流模式控制巧妙結(jié)合。這種設(shè)計不僅能適應(yīng)極寬的VAC輸入范圍，還能有效降低DRAIN緩沖電路的尺寸。此外，它的低功耗特性使其能夠輕松滿足最嚴格的節(jié)能標準。其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了家電、家居自動化、工業(yè)、消費電子和照明等領(lǐng)域的低功率開關(guān)電源，以及低功率適配器。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）功率MOSFET與寬輸入范圍

VIPER11B采用的800V雪崩堅固型功率MOSFET，是其適應(yīng)超寬VAC輸入范圍的關(guān)鍵。這種設(shè)計使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，大大提高了其通用性。同時，其內(nèi)置的HV啟動和sense - FET，進一步簡化了電路設(shè)計，減少了外部元件的使用。

（二）電流模式PWM控制

電流模式PWM控制是VIPER11B的核心控制方式，它能夠精確地控制輸出電流，提高電源的穩(wěn)定性和效率。不同型號的VIPER11B（如VIPER113B和VIPER114B）具有不同的漏極電流限制，分別為370mA和480mA，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行選擇。

（三）低功耗與節(jié)能

在節(jié)能方面，VIPER11B表現(xiàn)出色。在空載條件下，230VAC輸入時，其系統(tǒng)輸入功耗小于10mW；在250mW負載、230VAC輸入時，功耗小于400mW。這種低功耗特性使得它在滿足節(jié)能標準的同時，也降低了系統(tǒng)的運行成本。

（四）抖動開關(guān)頻率

抖動開關(guān)頻率是VIPER11B的一個重要特性，其開關(guān)頻率為60kHz ± 7%（類型L）。通過抖動開關(guān)頻率，可以將開關(guān)頻率的諧波能量分散到多個頻段，從而降低了EMI濾波器的成本，減少了電磁干擾。

（五）多重保護功能

VIPER11B具備多種保護功能，如過載/短路保護（OLP）、線路或輸出過壓保護（OVP）、VCC鉗位保護、脈沖跳過保護和熱關(guān)斷保護等。這些保護功能能夠自動重啟，確保了系統(tǒng)在各種異常情況下的安全性和可靠性。同時，內(nèi)置的軟啟動功能可以在啟動過程中逐漸增加電流限制設(shè)定點，保護系統(tǒng)免受沖擊。

在電子設(shè)備的設(shè)計中，多重保護功能就如同為設(shè)備穿上了一層堅固的鎧甲。就像帶多重保護功能的便攜式燃氣燒烤爐，具備氣瓶檢知、過壓保護、熄火報警和溫度感知等多重安全裝置，能大大提高產(chǎn)品的安全性能。電子設(shè)備也是如此，多重保護功能不可或缺。

以VIPER11B為例，它的多重保護功能對其在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作起著關(guān)鍵作用。過載/短路保護（OLP）能在電路出現(xiàn)過載或短路情況時，迅速切斷電源，避免元件因過大電流而損壞；線路或輸出過壓保護（OVP）可防止因電壓過高對設(shè)備造成不可修復(fù)的損傷；VCC鉗位保護確保了電源電壓的穩(wěn)定，避免電壓異常波動影響設(shè)備性能；脈沖跳過保護能有效避免“flux - runaway”現(xiàn)象，保證在啟動過程中設(shè)備的穩(wěn)定性；熱關(guān)斷保護則在設(shè)備溫度過高時及時停止工作，防止過熱損壞元件。

這種全方位的保護功能，就像一個智能的守護者，時刻關(guān)注著設(shè)備的運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常便能迅速做出反應(yīng)，保障設(shè)備的正常運行。對于我們電子工程師來說，在設(shè)計過程中充分考慮并運用多重保護功能，是提高產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。那么在你的設(shè)計項目中，有沒有遇到過因為保護功能不完善而導(dǎo)致的問題呢？

三、引腳設(shè)置與功能詳解

（一）引腳概述

VIPER11B采用SSOP10封裝，各個引腳都有其特定的功能。了解這些引腳的作用，對于正確使用VIPER11B至關(guān)重要。

（二）關(guān)鍵引腳功能

1. GND（引腳1）：作為接地引腳，它是內(nèi)部MOSFET的源極連接點，同時也是器件偏置電流的返回點。在電路設(shè)計中，所有偏置元件的接地都應(yīng)連接到該引腳的走線，并且要與脈沖電流返回路徑分開，以減少干擾。
2. VCC（引腳2）：為控制器提供電源，需要在該引腳和GND之間連接一個外部存儲電容。在啟動時，內(nèi)部連接的高壓電流源會為VCC電容充電。此外，建議在靠近IC的位置并聯(lián)一個小的旁路電容（典型值為0.1μF），用于濾波降噪。
3. DIS（引腳3）：用于禁用功能。當該引腳電壓超過內(nèi)部閾值VDIS_th（典型值為1.2V）且持續(xù)時間超過tDEB（典型值為1ms）時，PWM會在自動重啟模式下被禁用tDIS_RESTART（典型值為500ms），直到VDIS下降到VDIS_th以下才恢復(fù)正常工作。通過在DIS引腳和整流 mains之間連接一個分壓器，可以實現(xiàn)輸入過壓保護；在非隔離拓撲中，同樣的原理也可用于輸出過壓保護。如果不需要此功能，可將DIS引腳焊接到GND。
4. FB（引腳4）：作為直接反饋引腳，是內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器（E/A）的反相輸入。E/A的內(nèi)部參考電壓為VFB_REF（相對于GND的典型值為1.2V）。在非隔離轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓信息通過分壓器直接輸入到該引腳；在初級調(diào)節(jié)中，F(xiàn)B分壓器連接到VCC。如果將FB引腳焊接到GND，則E/A將被禁用。
5. COMP（引腳5）：是內(nèi)部E/A的輸出引腳。通常在該引腳和GND之間連接一個補償網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)控制環(huán)路的穩(wěn)定性和良好的動態(tài)性能。在二次反饋中，需要禁用內(nèi)部E/A，并通過光耦直接驅(qū)動COMP引腳來控制DRAIN峰值電流設(shè)定點。
6. DRAIN（引腳6 - 10）：作為MOSFET的漏極引腳，內(nèi)部高壓電流源在啟動和穩(wěn)態(tài)運行時從該引腳吸收電流，為VCC電容充電。這些引腳與MOSFET的內(nèi)部金屬PAD機械連接，有助于散熱。在PCB設(shè)計中，應(yīng)在這些引腳下方留出足夠的銅面積，以降低總結(jié) - 環(huán)境熱阻，促進功率耗散。

引腳的功能設(shè)計對于電子元件的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在電子元件的加工和應(yīng)用過程中，引腳的設(shè)計和處理方式會直接影響到整個電路的運行效果。

就拿常見的電子元件引腳加工來說，從引腳的整型、取料、預(yù)彎，到修剪、整平，每個環(huán)節(jié)都緊密圍繞著引腳的功能需求展開。比如在專利“一種電子元件引腳加工的裝置”中，通過設(shè)置供料機構(gòu)、預(yù)彎機構(gòu)、整型機構(gòu)、修剪機構(gòu)、整平機構(gòu)和轉(zhuǎn)移機構(gòu)，提高了對電子元件引腳加工的自動化程度，減少了人工或半自動整型的廢品率以及勞動強度，降低了生產(chǎn)成本。這是因為合理的引腳加工能夠確保引腳與電路板或其他電子元件的良好連接，保證信號的穩(wěn)定傳輸和電源的正常供應(yīng)。

再看電子元件引腳的修剪和折彎切割等操作，“一種電子元件引腳快速修剪設(shè)備”解決了操作方便且不損壞電子元件的問題，“一種電子元件引腳折彎切割裝置”則實現(xiàn)了一次性對引腳進行折彎和切割，提高了生產(chǎn)效率。這些設(shè)備和方法的出現(xiàn)，都是為了滿足電子元件引腳功能設(shè)計的要求，使得引腳能夠更好地適應(yīng)不同的電路需求和應(yīng)用場景。

在電子元件引腳的絕緣處理方面，“一種電子元件引腳的絕緣管固定裝置”便于將絕緣管套固定在引腳上，避免絕緣管套脫離引腳，從而提高了電子元件的安全性和可靠性。這說明引腳的絕緣設(shè)計也是其功能設(shè)計的重要組成部分，能夠有效防止短路和瞬間干擾等問題。

電子工程師在設(shè)計過程中，必須充分考慮電子元件引腳的功能設(shè)計，確保引腳的各項性能指標符合電路的要求。同時，不斷關(guān)注和采用先進的引腳加工技術(shù)和設(shè)備，能夠提高設(shè)計的質(zhì)量和效率。那么，在你以往的設(shè)計中，有沒有因為引腳設(shè)計不合理而遇到過問題呢？

四、電氣與熱性能分析

（一）絕對最大額定值

需要注意的是，超過這些絕對最大額定值的應(yīng)力可能會對器件造成永久性損壞，長時間暴露在絕對最大額定條件下也可能影響器件的可靠性。

（二）熱性能

這里的(1)是指安裝在具有最小銅面積的標準單面FR4板上的情況；(2)是指安裝在具有100mm2（0.155平方英寸）、35μm厚銅層的標準單面FR4板上的情況?？梢钥闯?，不同的安裝條件會對熱性能產(chǎn)生顯著影響。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的散熱需求和安裝環(huán)境，選擇合適的散熱方式和PCB布局，以確保器件的溫度在安全范圍內(nèi)。

（三）電氣特性

VIPER11B的電氣特性涵蓋多個方面，下面為你詳細介紹其中一些關(guān)鍵部分：

1. 功率部分	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VBVDSS	Breakdown voltage	IDRAIN = 1 mA, VCOMP = GND, TJ = 25 °C	800			V
   IDSS	Drain - source leakage current	VDS = 400 V, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			1	μA
   IOFF	OFF - state drain current	VDRAIN = max. rating, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			45
   RDS(on)	Static drain - source ON - resistance	IDRAIN = 295 mA, TJ = 25 °C			17	Ω
   		IDRAIN = 295 mA, TJ = 125 °C			34

   從這些參數(shù)可以看出，VIPER11B的功率部分表現(xiàn)出良好的性能。例如，其擊穿電壓高達800V，使得它能夠適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍；漏源泄漏電流和關(guān)態(tài)漏極電流都非常小，這有助于減少功耗，提高效率。

2. 電源部分 電源部分的特性對于設(shè)備的穩(wěn)定供電至關(guān)重要。相關(guān)參數(shù)如下：	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VHV_START	Drain - source start - up voltage				26	V
   RG	Start - up resistor	VDRAIN = 400 V, VDRAIN = 600 V, VFB > VFB_REF	28	34	40	MΩ
   ICH1	VCC charging current at startup	VDRAIN = 100 V, VCC = 0 V	0.7	1	1.3	mA
   ICH2	VCC charging current at startup	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	2	3	4	mA
   ICH3 (1)	Max. VCC charging current in self - supply	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	6.5	7.5	8.5	mA
   VCC	Operating voltage range	VGND = 0 V	4.5		30	V
   VCCclamp	Clamp voltage	ICC = Iclamp_max	30	32.5	35	V
   Iclamp max	Clamp shutdown current	(2)	30	35	40	mA
   tclamp max	Clamp time before shutdown		325	500	675	μs
   VCCon	VCC start - up threshold	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	15	16	17	V
   VCSon	HV current source turn - on threshold	VCC falling	4	4.25	4.5	V
   VCCoff	UVLO	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	3.75	4	4.25	V
   Iq	Quiescent current	Not switching, VFB > VFB_REF		0.3	0.45	mA
   ICC	Operating supply current, switching	VDS = 150 V, VCOMP = 1.2 V, FOSC = 60 kHz		1.25	1.5	mA

這些參數(shù)展示了VIPER11B在電源啟動和供電方面的特性。例如，啟動電阻RG的范圍在28 - 40MΩ之間，不同的啟動電壓和電流設(shè)置有助于在不同的應(yīng)用場景下實現(xiàn)穩(wěn)定的啟動和供電。低的靜態(tài)電流和工作電流也體現(xiàn)了其節(jié)能的特點。

綜合來看，VIPER11B在電氣和熱性能方面都有出色的表現(xiàn)。但在實際設(shè)計中，我們?nèi)孕枰鶕?jù)具體的應(yīng)用需求，對這些參數(shù)進行合理的選擇和調(diào)整，以確保設(shè)備的最佳性能。你在設(shè)計中有沒有遇到過熱性能或電氣特性方面的挑戰(zhàn)呢？

四、電氣與熱性能分析

（一）絕對最大額定值

需要注意的是，超過這些絕對最大額定值的應(yīng)力可能會對器件造成永久性損壞，長時間暴露在絕對最大額定條件下也可能影響器件的可靠性。

（二）熱性能

這里的(1)是指安裝在具有最小銅面積的標準單面 FR4 板上的情況；(2)是指安裝在具有 100mm2（0.155 平方英寸）、35μm 厚銅層的標準單面 FR4 板上的情況。可以看出，不同的安裝條件會對熱性能產(chǎn)生顯著影響。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的散熱需求和安裝環(huán)境，選擇合適的散熱方式和 PCB 布局，以確保器件的溫度在安全范圍內(nèi)。

（三）電氣特性

VIPER11B 的電氣特性涵蓋多個方面，下面為你詳細介紹其中一些關(guān)鍵部分：

1. 功率部分	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VBVDSS	Breakdown voltage	IDRAIN = 1 mA, VCOMP = GND, TJ = 25 °C	800			V
   IDSS	Drain - source leakage current	VDS = 400 V, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			1	μA
   IOFF	OFF - state drain current	VDRAIN = max. rating, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			45
   RDS(on)	Static drain - source ON - resistance	IDRAIN = 295 mA, TJ = 25 °C			17	Ω
   		IDRAIN = 295 mA, TJ = 125 °C			34

從這些參數(shù)可以看出，VIPER11B 的功率部分表現(xiàn)出良好的性能。例如，其擊穿電壓高達 800V，使得它能夠適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍；漏源泄漏電流和關(guān)態(tài)漏極電流都非常小，這有助于減少功耗，提高效率。

2. 電源部分 電源部分的特性對于設(shè)備的穩(wěn)定供電至關(guān)重要。相關(guān)參數(shù)如下：	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VHV_START	Drain - source start - up voltage				26	V
   RG	Start - up resistor	VDRAIN = 400 V, VDRAIN = 600 V, VFB > VFB_REF	28	34	40	MΩ
   ICH1	VCC charging current at startup	VDRAIN = 100 V, VCC = 0 V	0.7	1	1.3	mA
   ICH2	VCC charging current at startup	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	2	3	4	mA
   ICH3 (1)	Max. VCC charging current in self - supply	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	6.5	7.5	8.5	mA
   VCC	Operating voltage range	VGND = 0 V	4.5		30	V
   VCCclamp	Clamp voltage	ICC = Iclamp_max	30	32.5	35	V
   Iclamp max	Clamp shutdown current	(2)	30	35	40	mA
   tclamp max	Clamp time before shutdown		325	500	675	μs
   VCCon	VCC start - up threshold	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	15	16	17	V
   VCSon	HV current source turn - on threshold	VCC falling	4	4.25	4.5	V
   VCCoff	UVLO	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	3.75	4	4.25	V
   Iq	Quiescent current	Not switching, VFB > VFB_REF		0.3	0.45	mA
   ICC	Operating supply current, switching	VDS = 150 V, VCOMP = 1.2 V, FOSC = 60 kHz		1.25	1.5	mA

這些參數(shù)展示了 VIPER11B 在電源啟動和供電方面的特性。例如，啟動電阻 RG 的范圍在 28 - 40MΩ 之間，不同的啟動電壓和電流設(shè)置有助于在不同的應(yīng)用場景下實現(xiàn)穩(wěn)定的啟動和供電。低的靜態(tài)電流和工作電流也體現(xiàn)了其節(jié)能的特點。

（四）電子元件電氣與熱性能分析的方法

在電子元件的設(shè)計和應(yīng)用中，對其電氣與熱性能進行準確分析至關(guān)重要。以下為你介紹一些常見的分析方法：

1. 熱分析方法

熱分析是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度之間關(guān)系的一類技術(shù)。常見的熱分析技術(shù)包括熱重分析（TG）、差熱分析（DTA）、差示掃描量熱分析（DSC）、熱機械分析（TMA）等。

• 熱重分析（TG）：是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。它能準確地測量物質(zhì)的變化及變化的速率，從 TG 曲線還能派生出微商熱重法（DTG），DTG 曲線能精確地反映出起始反應(yīng)溫度、達到最大反應(yīng)速率的溫度和反應(yīng)終止溫度，還能很好地顯示出重疊反應(yīng)，區(qū)分各個反應(yīng)階段，并進行精確的定量分析。
• 差熱分析（DTA）：是將試樣和參比物置于同一環(huán)境中以一定速率加熱或冷卻，將兩者間的溫度差對時間或溫度作記錄的方法。DTA 可用于研究物質(zhì)的晶型轉(zhuǎn)變、融化、升華、吸附等物理現(xiàn)象以及脫水、分解、氧化、還原等化學(xué)現(xiàn)象。
• 差示掃描量熱分析（DSC）：是為克服 DTA 在定量測量方面的不足而發(fā)展起來的一種新技術(shù)。它在程序升溫的條件下，測量試樣與參比物之間的能量差隨溫度變化。DSC 測定熱量比 DTA 準確，分辨率和重現(xiàn)性也更好，在聚合物領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，更適合測量結(jié)晶度、結(jié)晶動力學(xué)以及聚合、固化、交聯(lián)氧化、分解等反應(yīng)的反應(yīng)熱及研究其反應(yīng)動力學(xué)。

  2. 電氣性能分析方法

• 計算法：利用計算機模擬軟件對電子元件的電氣特性進行計算，先確定元件的物理模型，將元件的物理特性、供電方案以及環(huán)境條件等因素加入模型中，然后通過計算軟件進行模擬計算，得出元件的電氣參數(shù)和特性等數(shù)據(jù)。這種方法可以在設(shè)計階段對元件的性能進行預(yù)測和評估，但需要準確的模型和參數(shù)輸入。
• 試驗法：通過對電子元件進行實際試驗來獲取其電氣特性的方法。試驗過程中，可以利用各種測試儀器對元件的電壓、電流、電阻、電容等參數(shù)進行測量，通過測量結(jié)果可以得到元件的實際電氣性能。試驗法的優(yōu)勢在于可以得到更為真實的數(shù)據(jù)，但成本較高且需要花費較長時間。

綜合來看，VIPER11B 在電氣和熱性能方面都有出色的表現(xiàn)。但在實際設(shè)計中，我們?nèi)孕枰鶕?jù)具體的應(yīng)用需求，選擇合適的分析方法對這些性能進行準確評估，并對相關(guān)參數(shù)進行合理的選擇和調(diào)整，以確保設(shè)備的最佳性能。你在設(shè)計中有沒有遇到過熱性能或電氣特性方面的挑戰(zhàn)呢？