利用VIPer53封装上系统实现经济型机顶盒供电

随着小型化的趋势日渐增强，新的封装方法和集成电路互连方法被开发出来。今天，“片上系统”是指在同一个封装内组装两个集成电路的封装方法。这种新的封装方法满足了所有的单片集成电路解决方案无法满足的应用要求，特别是那些功率要求不断提高而专用的热设计的成本不能提高的交流-直流变流器、大功率系统和高压系统。
　　封装上系统VIPER53 特性
　　VIPer53是新一代高度集成的离线开关集成电路，采用ST的纵向智能功率专利技术（VIPower），具有很高的集成度，内置一个采用多重漏极网格工艺（MD-Mesh）的功率场效应MOS晶体管，目标应用包括机顶盒、DVD视盘机、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。系统的控制部分和功率场效应MOS晶体管都装在同一个封装内。现有的封装包括DIP-8双列直接插入封装和PowerSO-10钮扣型封装

图1描述了控制部分和功率场效应MOS晶体管

　　MD-Mesh 技术综合了一个新的纵向漏极结构和ST的“网格覆盖”横向布局。MDmesh 采用一个纵向P型带结构，这个结构由一个可以降低普通轻掺杂漏极电阻的分割阵列组成。
　　控制部分采用高压M0-3 VIPower制造工艺，这个智能工艺允许控制电路的设计具有保护功能，采用单一封装框架，组装过程变得十分简便。
　　VIPer53 的优点首先是在无负载条件下将能耗降低到近乎零，使电源制造商可以达到新的更加严格的生态标准，如“节能之星计划”；其次，因为通态电阻RDS(on),低，在25℃ 时只为1欧姆，功率变换效率明显提高，而且无需使用散热器，从而避免了制造成本的增加。
　　典型情况下，DIP-8封装版VIPer53输出功率为30W ，PowerSO-10版的输出功率40W ，电压范围85 Vac ～ 265 Vac。
　　这个器件包括了组成一次侧开关电路所需的全部模块：控制部分包括启动变换器的高压电流源、脉宽调制驱动器和各种保护功能，如过压保护、热关机、逐周限流和新的负载保护，同时功率场效应MOS晶体管的最小击穿电压为620V ，通态电阻RDS(on) 在25℃时为1欧姆。
　　通过连接OSC引脚的电阻-电容网络（RC），可以从外部设置开关的频率，最高可以设定到300 kHz，当变换器接通时，位于漏极引脚和VDD引脚之间的内部高压电流源为器件供电，并向一个连接VDD 引脚的外部电容器充电。当VDD电压达到VDDon阈压时，内部高压电流源关闭，器件开始开关操作，变压器辅助绕组给器件供电。
　　反馈控制系统属于电流式控制，通过Comp引脚实现系统功能。电流式控制是指比较流经Mdmesh功率场效应MOS晶体管和反馈变压器的电流与调节回路的输出电压产生的反馈信号，然后，通过对比结果确定MDmesh 场效应MOS晶体管的导通时间。
　　VIPer53 实现的新的重要特性是通过TOVL 引脚实现的过负载时延。如果Comp引脚电压超过4.35V (典型值);，过负载保护就会启动，连接TOVL引脚的外部电容器开始充电，同时场效应MOS晶体管开始不断地开关操作。在这个期间，漏极电流限制在1.6A。如果过负载维持不变，TOVL电容器达到 VOVLth阈压，场效应MOS晶体管关断，并停止向变换器输出传送能量。在这种条件下，VDD 电压下降，当达到VDDoff 阈压时，内部高压电流源接通：一个新的周期开始。如果过负载或短路继续存在，器件进入无休止的重启序列，如图2所示。延时是电容充电时间。TOVL 引脚上的电容值的选择导致了VDD 引脚上的电容值的选择。特别是，tOVL (TOVL引脚上的电容充电时间) 必须大于变换器的启动时间tss。这是辅助绕组无法向电容和器件输送充足电能的时间。

　　为经济型机顶盒供电
　　机顶盒(STB)通常用于连接卫星和有线电视供应商，并能够支持电子游戏。这类消费电子产品通常放在电视机上，与电视和录像机的信号处理电路相互连接。机顶盒体现了信息与娱乐之间的最佳结合，通过一台电视和一条电缆或电话线，机顶盒可以提供家庭上网、交互信息、视频流和电子编程

机顶盒不断增加的功能要求输入线路提供更大的功率，以供给所有必要的电路，考虑到空间和冷却限制因素，提高电源效率成为首要任务。单板电源在无负载条件下必须具备很小的待机功耗，而且排放的热量无需某一类型的有效通风 。

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这里介绍一个用于新的机顶盒的经济型电源的设计。这个变换器采用二次隔离输出调节的逆向配置，使用一个DIP-8封装的VIPower VIPer53，提供4个隔离输出。这个电源适用于这种消费应用要求的通用输入范围。这个电源的设计适用于宽范围输入电压：85～265Vac； 27W 输出功率，4个输出。

这个电源解决方案是按照表1所列的规格设计的，开关频率的选择考 虑到了变压器尺寸和电磁干扰特性需要满足EN55022 标准。在断续导通模式下，当输入电压最小时，目标效率高于70%，最大负载系数达到47% 。
　　在最低电压即3.3V时进行调节操作，交叉调节是通过一个简单的电路和优化的变压耦合来实现的。除使用一个电压调节器提供5V电压的7V输出外，所有输出都直接连接负载。
　　输入电磁干扰（EMI）滤波器由一个同时用于差分模和共模辐射的π形滤波器组成。为了降低待机功耗，我们使用一个Transil箝位取代了功耗较高的标准电阻-电容-二极管（RCD）箝位电路。
　　在启动、检测和无负载方面，VIPer53DIP 进一步简化了电源设计，并提高了电源的整体效率，简化了电路。除需要一个简单的辅助电路的3.3V和7V输出外，对于每个输出，短路保护都具有打嗝模式，此外，为提高短路特性，还使用一个先进的关断时可以屏蔽峰值电压的消隐电路(图3中的Q1, C9, R5)。输入部分还配备了一个NTC（负温度系数）电阻器，以限制在电源启动时体电容内的涌流。
　　根据数据表所给的电路图，开关频率由 R2和C4设定，C5是连接VDD 引脚的VIPer电源的电容。
　　内置突发模式电路支持周期跳跃，从而降低了等效开关频率，改进了待机和小负载条件。这个功能在最新一代VIPer53 上得到了进一步开发，根据COMP 引脚电压，器件可以提供一个双值消隐时间，即电压是0.5V或 1V，消隐时间为150ns 或400ns，并具有防振荡的滞后功能。
　　通过2.5V 输出上的一个TL431 和一个光耦合器提供电压反馈，光耦合器集电极上的电压可以确定VIPer 器件的峰值漏极电流。反馈比较电路跨接在TL431阴极和参考引脚上。为提高5V输出的调节功能，输出电压检测功能被两个电阻器拆分，如图3所示。事实上，这个输出通常连接电压敏感电路如微处理器和其它低压逻辑器件。
　　性能测试结果
　　本节介绍了电源在电压调节、功耗和波形方面的性能。
　　随着输入电压的变化，变换器的电压调节性能十分优异，无负载时功耗很低，满负载时效率高于70% 。图4和图5分别给出了在无负载和满负载条件下110Vac 和 220Vac 时漏极电压VDS。图6给出了分别在110Vac 和 220Vac 时的启动瞬间电压。因为内部电流发生器供给2mA的恒流，所以启动时间与输入电压无关，只与VDD 电容器有关。
　　通过在高压输出使用绕组耦合，在2.5V和5V 输出使用使用一个辅助电路（图3中的Q1和Q3），可以为任何输出提供短路保护。
　　在第一种情况中，电源以打嗝模式工作；在第二种情况中，通过光耦合器驱动COMP引脚来限制输出功率。
　　图7描述了22V输出在 Vin=110Vac 和Vin=220Vac短路时的漏极和VDD 电压。在这两种情况中，因为电源只工作几毫秒，所以功耗很有限。

电磁干扰（EMI）测量是按照EN55022 B 类标准进行的，测量使用了一个50W 的LISN 和一个频谱分析仪。图8和图9分别描述了在全负载条件下115Vac 和 230Vac 标称输入电压时的测量结果。尽管使用了峰值检波器，但是辐射级的测量结果却低于平均极限，顺利通过了预合格测试。