VIPER17：高性能離線轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的轉(zhuǎn)換器芯片對于電源設(shè)計的成敗至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下STMicroelectronics推出的VIPER17，一款專為反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計的高性能離線轉(zhuǎn)換器。

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一、VIPER17概述

VIPER17是一款具有800V雪崩耐受功率部分的離線轉(zhuǎn)換器，集成了PWM控制、兩級過流保護(hù)、過壓和過載保護(hù)、滯回?zé)岜Ｗo(hù)、軟啟動以及故障消除后的安全自動重啟等功能。其先進(jìn)的頻率抖動技術(shù)降低了EMI濾波器成本，欠壓保護(hù)功能則在整流輸入電壓低于系統(tǒng)正常最低水平時保護(hù)開關(guān)電源。此外，該芯片的突發(fā)模式操作和極低的功耗滿足了待機(jī)節(jié)能法規(guī)要求。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 高耐壓與低EMI：800V雪崩耐受功率部分確保了芯片在高壓環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，而PWM操作結(jié)合頻率抖動技術(shù)有效降低了EMI，為工程師在電磁兼容性設(shè)計方面提供了便利。
2. 寬工作頻率范圍：提供L型60kHz和H型115kHz兩種工作頻率選擇，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。
3. 超低待機(jī)功耗：在265VAC輸入時，待機(jī)功率低于30mW，符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品對節(jié)能的嚴(yán)格要求。
4. 多重保護(hù)功能：具備可調(diào)節(jié)的限流設(shè)置點(diǎn)、精確的過壓保護(hù)、板載軟啟動、故障后的安全自動重啟以及滯回?zé)彡P(guān)斷等功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

VIPER17的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了各種消費(fèi)電子、工業(yè)設(shè)備和照明等領(lǐng)域，具體包括：

1. 消費(fèi)電子適配器：如PDA、攝像機(jī)、剃須刀、手機(jī)和游戲機(jī)等設(shè)備的適配器。
2. 輔助電源：為LCD/PDP電視、顯示器、音頻系統(tǒng)、計算機(jī)、工業(yè)系統(tǒng)、LED驅(qū)動器等設(shè)備提供輔助電源。
3. 開關(guān)電源：適用于機(jī)頂盒、DVD播放器和錄像機(jī)、白色家電等設(shè)備的開關(guān)電源。

四、技術(shù)細(xì)節(jié)解析

1. 引腳設(shè)置

VIPER17提供DIP - 7和SO16窄兩種封裝形式，不同引腳具有不同的功能。例如，GND引腳為設(shè)備接地和功率部分的源極；VDD引腳為控制部分提供電源電壓，并在啟動時為外部電容提供充電電流；CONT引腳可用于調(diào)節(jié)限流設(shè)置點(diǎn)和監(jiān)測輸出電壓等。在設(shè)計時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理連接各個引腳，并注意在DRAIN引腳下方設(shè)計散熱銅面積。

2. 電氣數(shù)據(jù)

• 最大額定值：明確了芯片在各種參數(shù)下的最大承受能力，如DRAIN - SOURCE電壓最大為800V，脈沖漏極電流最大為2.5A等。在設(shè)計過程中，必須確保芯片的工作參數(shù)不超過這些額定值，以避免芯片損壞。
• 熱數(shù)據(jù)：給出了不同封裝形式下的熱阻參數(shù)，如SO16N封裝的熱阻結(jié) - 引腳（耗散功率為1W）最大為35°C/W，熱阻結(jié) - 環(huán)境（耗散功率為1W）最大為110°C/W。這些數(shù)據(jù)對于散熱設(shè)計至關(guān)重要，工程師可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的散熱措施，確保芯片在正常的溫度范圍內(nèi)工作。

  3. 典型電氣特性

  通過一系列圖表展示了芯片在不同溫度下的各種電氣特性，如電流限制、開關(guān)頻率、漏極啟動電壓等與溫度的關(guān)系。這些特性曲線可以幫助工程師更好地了解芯片在不同工作條件下的性能變化，從而進(jìn)行合理的設(shè)計和優(yōu)化。

五、工作原理剖析

1. 功率部分和柵極驅(qū)動器

功率部分采用雪崩耐受的N溝道MOSFET，具有800V的最小擊穿電壓和典型的20Ω導(dǎo)通電阻（25°C時），確保了在指定能量額定值內(nèi)的安全操作和高dv/dt能力。集成的SenseFET結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了近乎無損的電流檢測。柵極驅(qū)動器在開關(guān)過程中提供受控的柵極電流，以最小化共模EMI，并在欠壓鎖定（UVLO）條件下通過內(nèi)部下拉電路保持柵極低電平，防止功率部分意外開啟。

2. 高壓啟動發(fā)生器

高壓電流發(fā)生器通過DRAIN引腳供電，僅在輸入大容量電容電壓高于VDRAIN_START閾值（典型值80VDC）時啟用。啟動時，IDDch電流（典型值3mA）為VDD引腳上的電容充電。在故障后的自動重啟模式下，IDDch電流降低至0.6mA，以實(shí)現(xiàn)重啟階段的緩慢占空比。

3. 上電和軟啟動

當(dāng)輸入電壓上升到VDRAIN_START閾值時，VDD電壓由于內(nèi)部高壓啟動電路提供的IDDch電流而開始上升。當(dāng)VDD電壓達(dá)到VDDon閾值時，功率MOSFET開始開關(guān)，高壓電流發(fā)生器關(guān)閉。在轉(zhuǎn)換器啟動過程中，漏極電流限制逐漸增加到最大值，有效減少了次級二極管的應(yīng)力，防止變壓器飽和。軟啟動時間為8.5ms，每次啟動或故障后都會執(zhí)行該功能。

4. 掉電操作

當(dāng)轉(zhuǎn)換器掉電時，輸入電壓降低導(dǎo)致峰值電流限制達(dá)到，系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)能力。VDD電壓下降，當(dāng)?shù)陀赩DDoff閾值時，功率MOSFET關(guān)閉，能量傳輸中斷，VDD電壓進(jìn)一步降低。如果輸入電壓低于VDRAIN_START，啟動序列被禁止，掉電完成。這一特性有助于防止轉(zhuǎn)換器的重啟嘗試，并確保系統(tǒng)掉電時輸出電壓單調(diào)衰減。

5. 自動重啟操作

在轉(zhuǎn)換器掉電后，如果輸入電壓高于VDRAIN_START，只有當(dāng)VDD電壓下降到VDD(RESTART)閾值時，啟動序列才會被激活。故障后的充電電流IDDch為0.6mA（典型值），而正常啟動時為3mA（典型值）。這一特性結(jié)合低VDD(RESTART)閾值，確保了故障后IC的重啟嘗試具有很長的重復(fù)率，使轉(zhuǎn)換器能夠在極低的功率 throughput下安全工作。

6. 振蕩器

開關(guān)頻率內(nèi)部固定為60kHz或115kHz，并以250Hz（典型值）的速率進(jìn)行±4kHz（60kHz版本）或±8kHz（115kHz版本）的調(diào)制。這種擴(kuò)頻操作將開關(guān)頻率的各次諧波能量分布到多個邊帶諧波上，降低了諧波幅值，減少了電磁干擾。

7. 電流模式轉(zhuǎn)換與限流設(shè)置

VIPER17是一款電流模式轉(zhuǎn)換器，通過檢測漏極電流并將其轉(zhuǎn)換為電壓，與反饋引腳的電壓進(jìn)行逐周期比較。芯片具有默認(rèn)的電流限制值IDLIM，設(shè)計師可以通過連接到CONT引腳的RLIM電阻進(jìn)行調(diào)整。

8. 過壓保護(hù)（OVP）

通過監(jiān)測功率MOSFET關(guān)斷期間輔助繞組的電壓（通過CONT引腳）來實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。當(dāng)CONT引腳電壓連續(xù)四次超過參考電壓VOVP時，過壓保護(hù)將停止功率MOSFET的開關(guān)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入自動重啟模式。為了避免開關(guān)噪聲的影響，電壓采樣在TSTROBE時間后的短窗口內(nèi)進(jìn)行。

9. 反饋和過載保護(hù)（OLP）

反饋引腳控制PWM操作、突發(fā)模式和過載保護(hù)。當(dāng)反饋引腳電壓在VFBbm和VFBlin之間時，通過比較漏極電流轉(zhuǎn)換后的電壓和反饋引腳電壓來控制功率MOSFET的開關(guān)。當(dāng)發(fā)生過載時，反饋引腳電壓升高，超過VFBlin時，PWM比較器禁用，漏極電流由OCP比較器限制。當(dāng)反饋引腳電壓達(dá)到VFBolp閾值時，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并以降低的IDDch電流重新啟動。

10. 突發(fā)模式操作

在無負(fù)載或輕負(fù)載情況下，當(dāng)反饋引腳電壓低于VFBbm閾值時，功率MOSFET停止開關(guān)。隨著反饋引腳電壓上升超過VFBbm + VFBbmhys閾值，功率MOSFET再次開始開關(guān)，實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式操作。這種模式下，平均開關(guān)頻率遠(yuǎn)低于正常工作頻率，有效減少了與頻率相關(guān)的損耗。

11. 欠壓保護(hù)

欠壓保護(hù)是一種非鎖存式關(guān)斷功能，當(dāng)檢測到市電欠壓時激活。當(dāng)BR引腳電壓低于內(nèi)部參考電壓VBRth時，PWM禁用，功率MOSFET關(guān)閉。當(dāng)BR引腳電壓高于參考電壓加上電壓滯回值時，開關(guān)操作重新啟動。設(shè)計師可以通過設(shè)置合適的電阻來調(diào)整功率MOSFET的啟動和關(guān)閉閾值。

12. 第二級過流保護(hù)和打嗝模式

當(dāng)漏極電流超過IDMAX閾值時，芯片進(jìn)入“警告狀態(tài)”。如果連續(xù)兩個開關(guān)周期都超過該閾值，則認(rèn)為發(fā)生真正的故障，功率MOSFET關(guān)閉。關(guān)閉狀態(tài)將一直保持，直到VDD電壓下降到VDDoff閾值，清除鎖存。之后，如果VDD電壓低于VDD(RESTART)閾值，VDD電容再次充電，轉(zhuǎn)換器重新啟動。如果故障未消除，芯片將進(jìn)入低頻間歇操作的打嗝模式，降低功率電路的應(yīng)力。

六、封裝信息

VIPER17提供DIP - 7和SO16窄兩種封裝形式，以滿足不同的應(yīng)用需求。ST還提供不同等級的ECOPACK?封裝，以符合環(huán)保要求。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的封裝，并注意封裝的機(jī)械尺寸和引腳布局。

總之，VIPER17憑借其豐富的功能、出色的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師在電源設(shè)計方面提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計要求，合理選擇芯片的工作參數(shù)和外圍電路，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。