VIPER222：高性能高壓轉換器的深度剖析

在電子工程師的日常設計工作中，選擇合適的高壓轉換器至關重要。今天我們就來深入探討一下意法半導體（ST）推出的VIPER222高性能高壓轉換器，看看它有哪些特點和優(yōu)勢，以及如何在實際應用中發(fā)揮作用。

文件下載：viper222.pdf

一、VIPER222的特性亮點

強大的功率MOSFET與PWM控制

VIPER222集成了一個730V的雪崩耐用功率MOSFET和PWM控制器，這種集成設計不僅減少了外部元件的使用，還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。其內部還嵌入了高壓啟動和電流檢測電路，進一步簡化了物料清單（BoM）。

低功耗與高效能

該器件具有頻率抖動功能，能夠有效分散電磁干擾（EMI），允許使用更小的濾波器。同時，采用的突發(fā)模式技術使得在輕負載時能夠實現(xiàn)極低的輸入功耗，例如在230VAC下無負載輸入功率僅為40mW。

多重保護機制

VIPER222具備短路保護和熱關斷功能，當出現(xiàn)短路或過熱情況時，能夠及時保護器件和整個系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

二、應用領域廣泛

VIPER222適用于多種領域的輔助開關電源（SMPS），包括家用電器、消費電子、工業(yè)設備和照明等。其高性能和穩(wěn)定性能夠滿足不同應用場景的需求。

三、引腳設置與功能

引腳描述

典型功率能力

需要注意的是，這里的功率數(shù)據(jù)是在特定環(huán)境條件下測量得到的，實際應用中可能會有所不同。

四、電氣和熱學參數(shù)

絕對最大額定值

VIPER222的絕對最大額定值規(guī)定了其在正常工作時各參數(shù)的極限范圍，例如漏源電壓（VDS）最大為730V，脈沖漏極電流（ID）最大為2A等。這些參數(shù)為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據(jù)，確保器件在安全的工作范圍內運行。 例如，漏源電壓（VDS）超過730V可能會導致MOSFET擊穿，影響器件的正常工作甚至損壞器件；脈沖漏極電流（ID）過大可能會使器件過熱，加速器件的老化。因此，工程師在設計電路時，需要根據(jù)實際應用場景合理選擇器件的工作參數(shù)，確保其在絕對最大額定值范圍內運行。

熱學數(shù)據(jù)

熱學數(shù)據(jù)反映了器件在工作過程中的散熱性能，如熱阻（RTH - JC）等參數(shù)。不同的安裝方式和散熱條件會對熱阻產生影響，進而影響器件的工作溫度。在設計散熱系統(tǒng)時，工程師需要根據(jù)這些熱學數(shù)據(jù)來選擇合適的散熱方式和散熱器件，保證器件在合適的溫度下工作，提高其穩(wěn)定性和可靠性。

五、電氣特性詳解

基本參數(shù)

VIPER222的電氣特性在特定條件下（TJ = 25°C，VCC = 9V）進行測試，包括擊穿電壓（VBVDSS）、漏源導通電阻（RDS(on)）、輸出電容（COSS）等參數(shù)。這些參數(shù)直接影響器件的性能和工作效率，例如擊穿電壓決定了器件能夠承受的最大電壓，漏源導通電阻影響了器件在導通狀態(tài)下的功率損耗。 以擊穿電壓（VBVDSS）為例，它決定了器件能夠承受的最大電壓。如果在實際應用中，電路中的電壓超過了該擊穿電壓，MOSFET可能會發(fā)生擊穿現(xiàn)象，導致器件損壞，從而影響整個電路的正常工作。又如漏源導通電阻（RDS(on)），它直接影響了器件在導通狀態(tài)下的功率損耗。RDS(on)越小，在相同電流下，器件的功率損耗就越小，效率也就越高。因此，工程師在選擇器件時，需要根據(jù)具體的應用需求，綜合考慮這些基本參數(shù)，以確保電路的性能和效率。

開關與控制參數(shù)

開關頻率（FOSC）、最小開關頻率（FOSCmin）、最大占空比（DMAX）等參數(shù)與器件的開關性能和控制精度密切相關。不同的應用場景可能需要不同的開關頻率和占空比，工程師可以根據(jù)這些參數(shù)來優(yōu)化電路設計，提高系統(tǒng)的性能。 在一些對效率要求較高的應用場景中，如開關電源，適當提高開關頻率可以減少電感和電容的體積，從而減小電源的尺寸和重量。然而，較高的開關頻率也會增加開關損耗，降低效率。因此，需要根據(jù)具體的效率和尺寸要求，選擇合適的開關頻率。又如最大占空比（DMAX），它決定了器件在一個開關周期內導通的時間比例。在一些對輸出電壓要求較高的應用中，需要選擇較大的最大占空比，以提高輸出電壓。但同時，也要考慮到器件的散熱和可靠性等問題。那么，在你的實際設計中，是如何根據(jù)不同的應用場景來選擇這些開關與控制參數(shù)的呢？

保護與控制相關參數(shù)

例如熱關斷溫度（TSD）、過流保護電流（ILIM）等參數(shù)，這些參數(shù)為器件提供了可靠的保護機制。當器件的溫度超過熱關斷溫度或電流超過過流保護電流時，器件會自動進入保護狀態(tài)，避免因過熱或過流而損壞。

六、典型電氣特性曲線

VIPER222的典型電氣特性曲線展示了一些關鍵參數(shù)隨溫度的變化關系，如漏極電流限制（ILIM）、參考電壓（VREF）等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解器件在不同溫度環(huán)境下的性能變化，為電路設計提供更準確的參考。

七、工作原理剖析

啟動過程

在首次啟動時，集成的高壓電流源會對VCC電容進行充電。為避免因VCC意外短路到GND而損壞IC，在啟動初期，當電容完全放電時，充電電流較小（I_CH1）。隨著VCC超過1V，充電電流增加到I_CH2，以加快充電速度。當VCC達到VON時，充電電流停止，高壓電流源禁用，器件由電容存儲的能量供電，初級MOSFET開始開關。同時，器件的內部軟啟動功能會在8個步驟內將逐周期電流限制設定點從0逐步增加到I_LIM，軟啟動時間（tSS）內部設定為8ms，該功能在每次轉換器啟動和故障事件后的重啟時都會被激活。

反饋環(huán)路

VIPER222工作在電流模式，內部會對初級電流進行感應并轉換為電壓，該電壓會被施加到PWM比較器的同相引腳。感應電壓會通過分壓器與EA - IN引腳的電壓進行逐周期比較。OCP比較器與PWM比較器并行工作，將初級電流限制在I_LIM閾值以下。有兩種方式可以閉合環(huán)路并實現(xiàn)輸出調節(jié)：通過電阻分壓器或通過外部誤差放大器加光耦。

脈沖跳過與輕載突發(fā)模式

脈沖跳過功能用于避免轉換器啟動時常見的“磁通失控”情況。當DRAIN峰值電流在t_ON_MIN內超過I_LIM時，會跳過一個開關周期，直到達到最小開關頻率Foscmin（典型值為15kHz）。當DRAIN峰值電流在t_ON_MIN內未超過I_LIM時，會恢復一個開關周期，直到達到標稱開關頻率FOSC（30或60kHz）。輕載時，當負載減小時，反饋環(huán)路會降低EA - OUT引腳電壓。如果電壓低于VEA - BM閾值，DRAIN峰值電流會降低到I_LIM_BM，避免因低開關頻率產生可聽噪聲。當負載增加時，V_EA_OUT增加，當達到V_EA_SAT閾值時，DRAIN峰值電流達到最大值ILIM。

保護機制

VIPER222具備多種保護機制，如短路保護和VCC鉗位保護。短路保護方面，當輸出出現(xiàn)過載或短路時，IC會以I_LIM運行。如果在50ms內該情況消除，IC將繼續(xù)正常運行；如果持續(xù)時間達到t_OVL（典型值為50ms），保護將觸發(fā)，器件停止開關t_RESTART（典型值為1s），然后以軟啟動階段恢復開關。如果故障仍然存在，經(jīng)過t_OVL后，IC將再次禁用t_RESTART；否則恢復正常運行。VCC鉗位保護方面，如果VCC達到鉗位電平V_CLAMP，且注入引腳的電流超過內部閾值I_CC_FAIL超過t_CC_FAIL，將檢測到故障情況，PWM將禁用t_RESTART，然后在軟啟動階段再次激活，該保護在軟啟動時間內禁用。

八、基本應用電路

VIPER222適用于多種拓撲結構，如非隔離反激轉換器、初級側反激轉換器、隔離反激轉換器、降壓轉換器和降壓 - 升壓轉換器等。不同的應用電路根據(jù)具體需求選擇合適的拓撲結構和外部元件，以實現(xiàn)最佳的性能和效率。

九、封裝信息

VIPER222采用SSOP10封裝，ST提供不同等級的ECOPACK?封裝以滿足環(huán)保要求。封裝的機械數(shù)據(jù)和推薦焊盤尺寸為工程師在PCB設計時提供了詳細的參考，確保器件的正確安裝和散熱性能。

綜上所述，VIPER222是一款性能優(yōu)異、功能豐富的高壓轉換器。在實際設計中，電子工程師可以根據(jù)具體的應用需求和電路要求，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，合理選擇參數(shù)和設計外圍電路，以實現(xiàn)高性能、高可靠性的電源設計。你在使用VIPER222或其他類似器件時，遇到過哪些問題或有什么獨特的設計經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。