VIPER16：高效離線轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，一款性能優(yōu)異的離線轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天要給大家介紹的是ST公司的VIPER16，它屬于Fixed frequency VIPer? plus family，具有眾多出色的特性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。接下來(lái)，我們將深入探討VIPER16的各個(gè)方面。

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一、VIPER16的特性亮點(diǎn)

1. 強(qiáng)大的功率部分

VIPER16擁有800V雪崩堅(jiān)固功率部分，這使得它在高壓環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作，為設(shè)備提供可靠的電源支持。其采用的n - 通道功率MOSFET，最小擊穿電壓達(dá)800V，典型導(dǎo)通電阻 (R_{DS(on)}) 為20Ω，還包含SenseFET結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)損的電流檢測(cè)和熱感測(cè)。

2. 低EMI設(shè)計(jì)

采用PWM操作并帶有頻率抖動(dòng)功能，能有效降低電磁干擾（EMI）。不同型號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率不同，VIPer16L為60kHz，VIPer16H為115kHz，且頻率會(huì)進(jìn)行調(diào)制，如60kHz版本調(diào)制約 ±4kHz，115kHz版本調(diào)制約 ±8kHz，調(diào)制頻率為230Hz，這種擴(kuò)頻操作將開(kāi)關(guān)頻率各諧波的能量分布到多個(gè)邊帶諧波上，減小了諧波幅度。

3. 低功耗優(yōu)勢(shì)

在低功率應(yīng)用中無(wú)需輔助繞組，在230VAC時(shí)待機(jī)功率小于30mW。其具有多種低功耗模式，如突發(fā)模式，當(dāng) (V{COMP}) 電壓低于 (V{COMPL}) 閾值時(shí)，功率MOSFET保持關(guān)斷狀態(tài)，功耗降至 (I_{DD0}) 電流，有助于滿(mǎn)足節(jié)能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

4. 豐富的保護(hù)功能

• 限流功能：可通過(guò)LIM引腳設(shè)置較低的漏極電流限制值，默認(rèn)值為 (I_{Dlim}) 。
• 軟啟動(dòng)功能：在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)階段，軟啟動(dòng)功能會(huì)逐步增加逐周期漏極電流限制，直至達(dá)到默認(rèn)值 (I_{Dlim}) ，減少對(duì)次級(jí)二極管的應(yīng)力，防止變壓器在啟動(dòng)和短路時(shí)飽和。
• 自動(dòng)重啟功能：在過(guò)載或短路故障后，經(jīng)過(guò) (t_{RESTART}) 時(shí)間會(huì)通過(guò)軟啟動(dòng)自動(dòng)重啟，確保設(shè)備在故障排除后能繼續(xù)正常工作。
• 熱關(guān)斷功能：當(dāng)溫度達(dá)到熱關(guān)斷溫度 (T{SD}) （典型值160°C）時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，溫度下降 (T{HYST}) （典型值30°C）后恢復(fù)正常。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

注：1. 典型連續(xù)功率在50°C環(huán)境下，非通風(fēng)封閉適配器中測(cè)量；2. 在50°C環(huán)境下，開(kāi)放式框架設(shè)計(jì)中，有足夠散熱時(shí)的最大實(shí)際連續(xù)功率。

三、引腳設(shè)置與功能

VIPER16有DIP - 7和SO16 narrow兩種封裝，不同引腳具有不同功能：

• GND引腳：連接到內(nèi)部功率MOSFET的源極和控制器接地參考。
• DRAIN引腳：高壓漏極引腳，內(nèi)置高壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)偏置電流也從此引腳獲取，引腳連接到金屬框架以利于散熱。
• VDD引腳：控制部分的電源電壓引腳，為外部電容提供充電電流。
• LIM引腳：可設(shè)置漏極電流限制值，通過(guò)連接外部電阻到GND可降低限制值，在高電氣噪聲環(huán)境下可連接電容，但電容值需小于470nF。
• FB引腳：內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器的反相輸入引腳，在非隔離拓?fù)渲?，輸出電壓的反?a target="_blank">信號(hào)直接施加到該引腳；在隔離電源中，可將該引腳短路到GND以禁用內(nèi)部誤差放大器。
• COMP引腳：誤差放大器的輸出引腳，用于環(huán)路補(bǔ)償，在隔離電源中，電流環(huán)路需通過(guò)光晶體管在該引腳與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)閉合。

四、電氣數(shù)據(jù)與特性

1. 最大額定值

VIPER16有一系列嚴(yán)格的最大額定值，如漏極 - 源極電壓最大為800V，重復(fù)雪崩能量最大為2mJ，重復(fù)雪崩電流最大為1A等，這些參數(shù)確保了設(shè)備在安全范圍內(nèi)工作。

2. 熱數(shù)據(jù)

不同封裝的熱阻不同，如SO16N封裝的熱阻 (R{thJP}) 最大為35°C/W， (R{thJA}) 最大為90°C/W；DIP - 7封裝的 (R{thJP}) 最大為40°C/W， (R{thJA}) 最大為110°C/W。這對(duì)于散熱設(shè)計(jì)非常重要，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇封裝和散熱措施。

3. 典型電氣特性

通過(guò)一系列圖表展示了VIPER16的典型電氣特性，如 (I{Dlim}) 與結(jié)溫 (T{J}) 的關(guān)系、開(kāi)關(guān)頻率 (F{osc}) 與結(jié)溫 (T{J}) 的關(guān)系等。這些特性有助于工程師在不同工作條件下準(zhǔn)確評(píng)估和設(shè)計(jì)電路。

五、典型電路設(shè)計(jì)

VIPER16可用于多種典型電路，如降壓轉(zhuǎn)換器、降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器、反激式轉(zhuǎn)換器（初級(jí)調(diào)節(jié)和非隔離）等。在設(shè)計(jì)這些電路時(shí)，需要根據(jù)具體需求合理選擇電路拓?fù)浜驮?shù)。例如，在反激式轉(zhuǎn)換器中，要注意輔助繞組的設(shè)計(jì)和反饋網(wǎng)絡(luò)的連接，以確保電路的穩(wěn)定性和性能。

六、布局指南與設(shè)計(jì)建議

1. PCB布局要點(diǎn)

• 信號(hào)地應(yīng)與功率地和脈沖高電流回路分開(kāi)布線，所有信號(hào)地跡線通過(guò)一個(gè)靠近IC GND引腳的“星點(diǎn)”連接到功率地。
• 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能靠近COMP引腳連接，GND跡線要盡可能短。
• 在VDD引腳附近放置一個(gè)小的旁路電容（幾百pF至0.1μF），采用低ESL陶瓷電容，可提供干凈的偏置電壓，保護(hù)IC免受EFT/ESD測(cè)試的影響。

2. 其他注意事項(xiàng)

• 使用SO16封裝時(shí)，建議用信號(hào)跡線將引腳4連接到GND引腳，以提高抗噪性。
• 可在LIM引腳連接一個(gè)可選電容，但不要超過(guò)470nF，以提高IC的抗噪性。
• 要在漏極引腳下方設(shè)計(jì)足夠的散熱銅面積，以改善熱耗散，但不建議在GND引腳放置大的銅面積。同時(shí)，要盡量減小脈沖回路（初級(jí)、RCD和次級(jí)回路）的面積，以降低寄生自感和輻射電磁場(chǎng)，減少電磁干擾。

七、總結(jié)

VIPER16作為一款高性能的離線轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和豐富的保護(hù)功能，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分了解其特性和參數(shù)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和PCB布局，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。