采用智能电源IC的非隔离脱机应用低成本电源

近年来，在工业及家电市场上产生了以降低变压器尺寸和成本为目标，从线性电源向开关电源转变的趋势。因为国际标准、推荐规范和市场的原因，效能高的解决方案成为各厂商的首选甚至成为强制性的标准，结果产生从50/60Hz变压器和线性调节器向高频电力变流器过渡。此外，成本优化的新设计引发了厂商对适用于全球应用的开发构想，使他们开始思考宽范围的输入电压。由于开关电源方案是基于对功率半导体开关导通时间的调节方法，因此，开关电源技术为厂商实现自己的构想提供了可能性。

智能电源IC的控制器和功率器件完全集成在单芯片内，而且不必考虑功率器件驱动及有关电源核心部分的布局问题，因此，智能功率技术进一步简化了这种电源的设计和开发过程。由意法半导体公司开发的VIPer12A就是一款低成本的单片智能电源IC，其组件包括一个60KHz的集成脉宽调制控制器和一个击穿电压为730V的高压功率MOSFET。本文主要分析了几个采用电源IC的非隔离拓扑，例如标准降压、降压/升压配置、一个双输出拓扑和一种带双重互补性输出的创新拓扑。本文还列举了一些设计建议及应用实例，同时还介绍了智能电源IC的特性，如启动功能、过热和过流集成保护及反馈电路等，以及它们如何简化小型电源。

脱机低功率拓扑结构概述

通过调整电源开关的工作比，脱机非隔离拓扑结构无需任何隔离变压器就可把交流电源转变成一个稳定的直流电压。如图1所示，两个拓扑结构分别用于产生正电压和负电压，都使用一个电感器储存能量，在电源开关接通时充电。电感电流波形决定变换器的工作模式，如“连续模式”或“非连续模式”。在连续模式中，电感电流从来不归零，而在非连续式中，在规定的时间电感电流是零。

在连续模式中，利用开关的工作比D通过电子方式对电压进行控制，两个变换器工作方式就像一个变压器。根据公式1和2，工作比D由导通时间t_on和开关时间T_S的比来决定。

公式1 降压变换器

公式2 降压/升压变换器

当开关接通时，输出电感器上(V₁-V₀)上出现一个恒压，使电感器上的电流按照公式(3)计算出的速率di/dt线性上升。

公式3

当开关关断时，电感器上的电压极性相反，并设法维持电流与关断前相同。二极管导通，并钳制电感器电压至理想的零状态。L上电压是V₀，其电流以公式4给出的速率下降。

公式4

一旦开关再次接通时，L上的电流从D转向开关S，向二极管施加反馈偏压。电感器L上的电流包括当开关断开时二极管上的开关电流。电感电流围绕直流电流值I₀以L值决定的波动系数上下波动。

由于采用基本拓扑结构，因此使用低成本器件就可以实现双输出变换器，如图2所示。这些拓扑特别适用于降压变换器，但也适用于降压-升压变换器。如图2a所示，在这种拓扑结构中，输出电感器的两个线圈以回扫方式耦合并且匝数n适当。第二种拓扑结构是一种创新的配置，适用于供给双重互补性输出。由于使用标准单线圈电感器，该配置的主要优点是降低了成本。在电感电流处于续流状态时，给电容器充电可以产生第二个互补性输出。借助一个参数恰当的齐纳二极管可以调节电容器上的电压。

在图3所示的标准降压拓扑结构中，节点1的电压由二极管D钳制，使电感电流可以继续流动。在这个解决方案中，齐纳二极管D_z钳制节点1的电压至(V_d +V_z)，其中V_d是二极管上的压降，V_z是齐纳二极管的电压。如果电容跨接齐纳二极管和地线，则会生成一个负电压源。根据工作原理，第二个输出供给的电流不会超过第一个。开关周期基本上可以分为两个时间段，如图3所示。对于不连续导通模式(DCM)，在开关S接通期t_on，输入直流总线与输出相连，对负载供电(见图3a)。一旦开关断开，电感电流继续流经二极管D₁，直到电流值为0而且输出电容C₁给这个负载馈电为止。

齐纳二极管出现在续流通道上不会影响变换器的基本工作，但是会降低效率，图4中示意了齐纳二极管的作用原理。如果输出OUT₂没有负载，续流电流会经过二极管D₁和D _z。

随着从OUT₂吸取的电流增大，续流电流会流过一个不同的通路，如图4b所示。这种方式降低了D_z的功耗，相应地提高了效率。因此，对于一个给定的输出电流I_out1，如果对互补输出施加负载，变换器将具有更加优秀的性能。两个输出电容器的选择取决于输出波动的规格。必须选择一个适当的C₂，同时应考虑到互补性输出与交流电源输出存在某种联系。

如果需要一个去耦性输出，就必须使用一个适合的控制电路，见图5。这个电路的工作方式像一个等效负载，使用低成本器件可以轻松实现这个电路。这个电路的组件包括两个晶体管Q₁和Q₂ (如一个PNP和NPN BJT)、一个电阻器R₁和一个齐纳二极管D _z1。在Q₂和D _z1驱动下，不管V_out1供电的负载如何，晶体管Q₁都能保证L感应一个规定的电流。无论I_out1如何，这种方法使I_out2有多种变化，而且只受I_out1最大容许值的限制。

采用VIPer 12A设计的非隔离变换器

图6a为采用VIPer12A设计的降压变换器。借助连接Vdd引脚的一个二极管D₁和一个电容C₂，通过变换器的输出可以很容易地实现VIPer12A的电源电压。二极管的额定电压选择决定于输入电压，如185-265V的电压范围可以使用一个400V的二极管，C₁的选择要根据变换器的启动时间和短路特性来确定。实际上，在短路期间，Vdd电压会降到最小必需值以下，使内部高压电流发生器能够产生一个新的启动。电容C1的充电和放电时间取决于电容器本身的电容值，另外，如果电流脉冲在器件上产生大量的热，过热保护功能可能会关断电路。电容典型取值范围在300nF至10μF之间，额定电压是250V，视输出电压而定。

调节电路只由跨接FB和Vdd引脚的一个齐纳二极管D_z构成。为了改善调节功能，可以在FB和S引脚之间跨接一个过渡电容器C₂，电容值约为几十个nF。如果输出电压低于15V，要想启动VIPer12A，电路就必须略加修改。在这种情况下，调节电路必须去掉与电源电路的耦合，如图6b所示。二极管D₂是一个低压二极管，如1N4148，使V_dd的电压可以达到启动值。 由于D₂ 和 C₃构成了一个输出电压峰值检测器，因此， C₃ 的电容值将会影响调节电路的精度。在保证高精度的条件下，该电容的电容值最低可以达到100nF。

如果输出电压低于8V，就必须使用一种不同的解决方案。事实上，虽然控制反馈和电源电路是相互独立的，但是，由于输出电压低于Vdd引脚上的最低电压，该器件将无法启动。目前出现了一种允许给电源IC供电的专利技术，如图8a所示，为产生所需的电源电压，该电路设计比标准降压拓扑多用一个感应线圈，它借助一个分压器，通过一个低压二极管向一个辅助电容储存所需的能量。在电源开关处于导通状态时，电容C₄通过D₃充电，然后在电源开关关断时，C₄开始放电，通过D₁把能量传输到C₁。D₃是一个低压二极管，如1N4148，C₄是一个电容值在10nF至1μF之间的低压电容器。

特别是在贮存VIPer12A所需的电荷和供给正确的电压时，必须按照输出感应线圈比L₁2out和(-15V)out<(-8V)的降压/升压变换器的电路简图如图7所示。如果所需的输出电压高于(-8V)，如(-5V)，则必须采用一种不同的解决方案，如图8b所示。二极管D4是一个低压二极管，如1N4148，C₄用于贮存VIPer12A所需的能量，电容值大约是100nF，电容C₁按照标准过程计算，电容器C₂连接FB和S引脚，用于提高整流性能。

应用实例

本部分将全面分析三个采用VIPer12A的应用实例。第一个应用实例是一个16V-100mA的脱机电源，变换器的技术参数是V_in =185-265V_ac，V_out=15V ，I_out=100mA。为了得到在开路负载条件下的输出，在最小输出电流低于2mA的输出端连接了一个负载电阻器R_burden，电路图见图9。为把地线连接到电力网的中性线上，使用了一个单波整流管；为提高反向电压的强度，中性线上可以再连接一个整流二极管。此外，在输入端的两个电容器之间可以插入一个电感线圈，从而构成一个廉价的EMI滤波器，表1列出了所需的元器件名称。这一电源解决方案可以成功地应用于基于微控制器的低功率电机驱动系统。这种应用需要两个稳压输出：电源开关门极驱动器所需的15V电压和微控制器所需的5V电压。在该电路中，使用了一个带正确系统操作复位的5V线性调节器。电路板的尺寸是3.5×4mm，如图10所示。使用表贴元件，电路板尺寸可以进一步缩小。

15V电源的典型波形如图11a所示，输出电流I_out=100mA(边界条件)。负载开路条件下的输出电压和电源电压见图11b。在这种情况下，VIPer12A工作在突发模式(burst mode)，并降低了有效开关频率，使功耗减少到100mW以下。

VIPer12A电源的EMI特性见图13。该图是按照EN55022标准，使用一个50Ω的线路阻抗稳定网络 (LISM)和一个峰值检测器，在0.15-30MHz频率范围内进行的传导发射测试。

第二个应用基于有两个互补输出的降压拓扑，如V_out1=12V和V_out2=-5V，见图14。这个电源具有85到265V的宽输入电压，而且可以工作在非连续模式下。为降低成本，可以使用一个单一整流二极管，输入保险管使用一个适当的电阻器替代。可连接一个简易的输入CLC EMI滤波器，但是，如果功率电平的发射干扰很低，可以拆除CLC EMI滤波器。表2列出了该电源设计的器件。VIPer12A使这个电源具有短路保护功能。事实上，如果OUT₁上出现短路，变换器就会进入重启模式，对功耗进行限制。相反，如果在OUT₂上出现短路，变换器以普通降压变换器的方式工作，V_out1由D_z供给。

图15、图16还提供了一些试验波形，以及线路和负载调节及效率方面的性能试验结果。图15降压变换器的典型波形提供了功率器件的电压、VDS、输出电流、感应线圈和220Vrms V _in (交流)。图15C描述了限制在50mV_pp的OUT₁电压波动，如果电压波动低于0.5%可以采用一个小型低成本输出电容器。通过这个图示，我们可以评估电源的静态性能。图16为电压调节及效率图，可以供给的最大负载输出电流与正输出电流有关。如果需要更大的电流，就需要使用上文提到的调整电路。

最后一个应用实例是关于使用一个耦合感应线圈的双输出变换器，该变换器构筑在一个降压拓扑之上，如图17所示。该变换器采用脱机模式，并扩展了输入电压范围(80V-285V交流)，电源标称输出电流为30mA，输出电压为V_out1=24V；50mA，V_out2=5V。输入电路由一个电阻器(充当保险)、一个单二极管整流器和一个输入LC滤波器组成。这样一个滤波器既可以稳定直流电压，又可以改善EMI性能(符合EN55022B类标准)。必要时，连接电容器C_in1可以进一步降低传导电磁干扰。调节反馈电路连接V_out1和VIPer12A的电源电路，这种连接只需要一个高压二极管和一个电容器，如图17所示的D₃和C₃，从而降低电路的复杂性和成本。

输出电感器L在同一铁氧体芯上有两个耦合线圈，要产生正确的输出电压，线圈匝数和耦合系数必须正确。特别是使用1.5mH电感器时，ELC10 D152E电感器的铁氧体芯上应绕匝数N₁=200t，N₂=60t。齐纳二极管D _z1和D_z2分别负责预防输出过压。在V_out1处于开路负载条件下，对V_out2进行调节时，在V_out1上跨接一个负荷电阻，这种电阻器可以大幅度提升调节性能，而且对效率的影响很小。

输出整流二极管都是快恢复二极管，由于必须维持输入直流总线电压产生的反向电压，所以D1是一个高压二极管，而D2则是一个低压二极管，表3列出了这个电路解决方案所需的元器件。

本文小结：

本文介绍了几种利用ST VIPer12A的主要特性实现低功率、低成本非隔离工业及家电应用电源的降压、升压/降压和改进型的配置。高频开关电力变换的内在优势是使脱机电源可以提高工作效率，降低成本及尺寸。VIPer 12A智能IC在一个单片上集成了一个脉宽调制控制器和一个功率器件，在几瓦的功率范围内，最大幅度地发挥了这些优势。

参考文献：

[1] A. Pressman, "Switching Power Supply Design", McGraw-Hill, 2^nd Ed. 1998.

[2] N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins, "Power Electronics: Converters, Applications and Design , J.Wiley, 2^nd Ed. 1995.

[3] G.C. Chryssis, "High Frequency Switching Power Supplies: Theory and Design", McGraw-Hill, 2^nd Ed. 1989

[4] STMicroelectronics AN1357 "Low cost power supplies using VIPer12A in not isolated applications".

[5] STMicroelectronics AN1374 "Complementary double output non isolated power supply based on VIPer12A".

作者：

N Aiello

F Gennaro

意法半导体