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1、基于VIPer53机顶盒开关电源的设计fenghy导语：VIPer53是新一代高度集成的离线开关集成电路，采用ST公司的纵向智能功率专利技术VlPower，具有很高的集成度VIPer53是新一代高度集成的离线开关集成电路，采用ST公司的纵向智能功率专利技术VlPower，具有很高的集成度，内置一个采用多重漏极网格工艺MDMesh的功率MOSFET，目的应用包括机顶盒、DVD影碟机、录像机的电源变换器以及电视、PC机和旅行适配器内的辅助电源。VIPer53采用片上系统，同一个封装内包含有系统的控制局部和功率MOSFET。这种新的封装工艺知足r所有的单片集成电路无法知足的应用需求，十分是对那些功率
2、要求不断进步而专用热设计本钱控制愈加严格的电力变换器。本文采用VIPer53设汁了一种30W机顶盒专用开关电源，给出了设计方法和实验结果。1VIPer53的工作原理VIPer53集成了增强型电流形式PWM控制器和一个高压MD.Mesh功率MOSFET。VIPer53内部构造如图1所示，包括开关电路一次侧所需的全部模块：控制局部包括该变换器启动用高压电流源、脉宽调制驱动器和各种保护功能，如过压保护、热关机、逐周限流和负载保护，功率MOSFET的最小击穿电压为620V，通态电阻RDSFET在25时为1。引脚VDD为控制电路的电源，在启动阶段为外部相连的电容充电，包含4个闯值电压。VDDcm为开启电
3、压，典型值为115V:VDDoff为关机电压，典型值为84V；VDDreg为原边反应工作的电压起始点，精准15V；VDDovp为过压保护电压，典型值为18V。引脚SOURCE为功率MOSFET的源级和电路参考地。引脚DRAIN为功率MOSFET的漏级，连接高频变压器的原边绕组，在上电阶段被内部高压电流源利用，为引脚VDD外部电容充电。引脚TOVL连接一个外部电容用于产生过载保护延时，引脚COMP上的电压大于435v时过载保护发生。引脚OSC通过外部连接的阻容网络RT一CT定开关频率。引脚COMP为电流形式构造的输入和内部误差放大器的输出，允许通过外部无源网络设定该SMPS的动态特性，可用的电压
4、范围为O545V。低于O5V时功率MOSFET关闭，高于435V时过压保护发生，该动作延时时间长短由与引脚T0VL相连的定时电容大小决定。图1VIPer53的内部构造通过连接OSC引脚的电阻一电容网络，可以从外部设置开关频率，最高可以设定到300kHz。当开关电源上电时，位于漏极引脚和脚VDD之间的内部高压电流源为器件供电，并向一个连接VDD外部电容器充电。当VDD电压到达电压闯值VDDon时，内部高压电流源关闭，器件开场正常操纵，由高频变压器辅助绕组继续为VIPer53器件供电。VIPer53的反应控制系统属于电流控制，通过脚COMP实现系统功能。该控制是指将流经功率MOSFET及回扫变压器
5、的电流与调节电路的输出电压产生的反应信号进展比拟，比拟的结果断定确定MOSFET的导通时间。VIPer53的优点首先是在空载条件下将能耗降低到近乎零，使电源制造商可以到达新的更加严格的生态标准，如“能源之星方案；其次，由于通态电阻RDSon低，功率变换效率明显进步，而且无需使用散热器，进而防止了制造本钱的增加。典型情况下，DIP一8封装可输出功率30W，PowerSO一10封装可输出功率40W，使用电压范围为ACR5265V。VlPer53的一个重要功能是指通过脚TOVL完成的过载延时。假如引脚COMP电压超过4.35V，过载保护就会启动，连接引脚TOVL的外部电容器就开场充电，同时MOSFE
6、T开场不断地开关操纵。在这个期间，漏极电流限制在16A。假如过载状态维持不变，待TOVL电容电压到达阈值电压VOVLth,MOSFET关断。此时，VDD电压下降，当到达VDDoff闽值电压时，内部高压电流源接通，那么一个新的启动周期开场。假如过载或者短路状态继续存在，VIPer53将进入无休止的重启序列。引脚TFOVL的外接电容充电时间为延时时间，该时间tOVL必须大于该开关电源的启动时间tss由于这段时间内辅助绕组无法向系统提供充足的电能。2机顶盒电源的要求在数字机顶盒的所有功能模块中，从接收器、32位微处理器、不同偏压的数字电路到周边设备，以及输入输出电路，都各有特定的电源电压要求。数字机
7、顶盒使用数字信号处理器DSI，和微处理器MPU并且支持嵌入式操纵系统以知足当今嵌入式音频、视频和通讯应用对高速运算和低功耗的要求。为了充分发挥动态电源治理才能，局部处理器内部集成有一个片内开关稳压器，它利用22536V外接电源电压可产生0712V可设置的内核工作电压，进而节省了外部电源元器件。在机顶盒供电中，除了+33V以及+5V输出为数字信号处理器、微处理器等控制芯片组供电外，还需要+12V、+24V和+30V输出，例如在新一代机顶盒中，很多外设如硬盘、DVD等，都需要+12V电源。对于机顶盒电源而言，由于输出功率高，输出路数多，而且由于线性稳压电源的效率低、适应电网电压范围窄，稳压性能差、
8、粗笨等，趋向于采用技术成熟的开关电源。330W机顶盒开关电源高频变压器的设计一种5路输出的机顶盒电源的技术指标如下：1输出3.3V2A；2输出5.VlA：3输出12V100mA；4输出24V500mA；5输出30V50rnA；6总功率输出接近30W。利用反激式开关电源的高频变压器一般设计方法或者专用的VIPERSCOFT软件设计机顶盒的高频变压器。辅助绕组用来提供15V工作电压，由于与脚VDD相连的误差放大器设定值为15V，因此副边绕组的匝数必须通过副边绕组与辅助绕组匝数比来建立。首先选定原级与电压输出最低的次级的匝比，NpNoL，然后计算每匝电压值V1,V1=VOL十VDNoL,VD为二极管
9、正向导通压降，PN结二极管取O7V，肖特基二极管取O4V。最终确立了一组高频变压器参数，如图2所示。图2高频变压器的绕组参数技术要求：磁芯为EE28立式，磁芯材料为PC40。变压器经过油浸处理，各个绕组之间的绝缘耐压不低于AC2500V，lmin；各层之间的绝缘电压不低于AC1500V，lmin。所有线圈与外壳绝缘电压不低于AC2500V，lmin。4机顶盒开关电源的电路设计VIPer53与外围器件以及整个变压器输入侧与输出侧电路与参数如图3所示。辅助绕组通过二极管DlD直接向VIPer53提供稳定15V电压。过载延时电路由脚TOVL外R2D和C3D组成，器件参数确保了延时时间大于该开关电源的
10、启动时间。增强电流形式控制外围电路由R3D、C4D与C5D构成，可以设置该开关电源的动态特性。图3机顶盒开关电源电路原理输入EMI滤波器采用共模线圈、共模和差模电容构成的滤波网络，可以同时滤除差模和共模干扰，见图3所示的电源输和入端。电源输入端增加了一个NTC电阻，以便限制系统上电时涌流的幅值。高频变压器原级采用标准的RCD钳位电路，也可以采用TRANSIL电路来降低待机损耗。电容ClE和C2F用于降低高频变压器的产生共模干扰。开关频率为100kHz，通过电阻RlD和ClDn设定。在待机和轻载时，内置突发形式电路可以跳过一些开关周期，降低等效的开关频率。根据脚COMP的电压大小，VIPer53
11、提供一个双值消隐时间，即电压为05V和lV时消隐时间为150ns和400ns。本设计中负载功率和输出电流最大的输出为+33V、+5V和+24V输出，鉴于24V为选用输出，+33V与+5V输出功率接近，因此主电压反应采用+33V和5V输出。通过一个可调精细并联稳压器TL431和一个光耦提供反应电压，光耦集电极的电压可以确定BIPer53的峰值漏极电流，反应比拟电路跨接在TL431的阴极和参考引脚上。C6D与R5D为TL43l的频率补偿网络。R7D、R8D和R9D为比例反应电阻，使得+33V和+5V输出按照一定的比例进展反应，使得两路输出电压的负载调整率均可达5。其余各路输出均按照高频变压器的匝数
12、比来决定鉴于+33V、+5V和+24v输出功率较大，都增加了后级Lc滤波器，以便减少纹波电压。5实验结果与分析在实验室完成了对该机顶盒开关电源的制作和实验，电路板尺寸为74mm186mm。实测最小输入沟通电压85V时的最大占空比为45%，额定输入沟通电压220V时最大占空比为28%。电源输入端连续传导骚扰的准峰值和平均值曲线均符合EN55022CLASSB标准。沟通220V供电时，轻载与满载时辅助绕组提供的工作电源均为15V，最大工作电流20mA。轻载时+33V、+5V、+12V、+24V和+30V输出平均值分别为348V、5.52V、140V、250V和308V,最大纹波电压峰峰值小于20m
13、V。满载时分别输出320V、520V、121V、231V和30OV，最大纹波电压峰峰值分别为175mV、150mV、250mV、80mV和80mV。满载时+33V、+5V和+24V输出的输出电压波形和对应的纹波电压波形分别如陶4、图5和图6所示功率M0SFET的集电极D与发射极S之间的电压VCE如图7所示，可见占空比为28，小于50，VCE峰值为540V，另外空载时VCE峰值为450V，均小于MOSFET的击穿电压620V。6结语本文在分析机顶盒对开关电源要求的根底上，利用功率集成电路VIPer53给予了一种实现具有5路输出，适用于通用沟通输入，具有良好的传导EMI性能的电源。实验说明利用VIPer53的机顶盒电源具有设计方便、效率高、体积小、重量轻等优点，而且待机损耗小，无需额外散热器，是一种理想的开关电源用功率IC。0