VIPER28：高性能高壓轉換器的設計與應用解析

在電子工程師的日常設計工作中，選擇一款性能優越、功能豐富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VIPER28，它是一款集高性能、低功耗和多種保護功能于一身的高壓轉換器，能滿足眾多應用場景的需求。

文件下載：viper28.pdf

一、VIPER28概述

VIPER28是一款智能集成了800V耐用功率MOSFET與PWM電流模式控制的高壓轉換器。它具有超低的功耗，在輕負載下以突發模式運行，能夠輕松滿足更嚴格的節能標準。此外，該器件還配備了可調節的額外功率定時器（EPT），使其能夠在過載條件下持續工作數秒。它還集成了HV啟動、檢測FET和帶有抖動的振蕩器，大大減少了應用中的組件數量。同時，它具備高級保護功能，如雙級過流保護（OCP）、輸出過壓保護、短路保護和帶滯后的熱關斷保護，并且在故障條件消除后能夠自動重啟。

二、產品特性與優勢

2.1 強大的功率MOSFET與控制功能

• 采用800V雪崩耐用功率MOSFET，可實現超寬范圍的交流輸入電壓 (V_{ac})，確保在不同電壓環境下穩定工作。
• 內置HV啟動和檢測FET，配合PWM電流模式控制器，實現高效的功率轉換。

  2.2 靈活的過流保護

• 具備可選閾值的OCP（(I{Dlim})）和更高值的二級OCP（(I{DMAX})），有效保護IC免受變壓器飽和或次級二極管短路的影響。

  2.3 低功耗設計

• 在230V (V_{ac}) 下，無負載功耗僅為30mW，顯著降低了能源消耗。

  2.4 可調節的工作頻率

• 提供兩種工作頻率：60kHz（L型）或115kHz（H型），并且抖動頻率可降低電磁干擾（EMI）。

  2.5 額外功率管理

• 額外功率定時器（EPT）可在數秒內屏蔽過載電流，增強了設備在過載情況下的穩定性。

  2.6 全面的保護功能

• 輸出過壓保護具有嚴格的容差和數字噪聲濾波器，軟啟動功能可減少啟動時的應力，延長IC使用壽命。
• 熱關斷功能提高了系統的可靠性和IC的使用壽命，并且在故障條件下能夠自動重啟。

三、應用領域

VIPER28的應用范圍廣泛，適用于以下領域：

• 消費和家用設備的輔助電源：為各種家電產品提供穩定的電源支持。
• 電表和數據集中器的電源：滿足這些設備對高精度、低功耗電源的需求。
• AC - DC適配器：為各類電子設備提供高效的電源轉換。

四、產品規格與參數

4.1 封裝與訂購代碼

4.2 典型功率

注：

1. 在50°C環境溫度下，在非通風封閉適配器中測量的典型連續功率。
2. 在50°C環境溫度下，開放式框架設計中具有足夠散熱的最大實際連續功率。
3. 在50°C環境溫度下，具有足夠散熱的最大實際峰值功率，持續時間最長為2秒。

4.3 引腳設置與功能

4.4 電氣特性

VIPER28的電氣特性涵蓋了功率部分、電源部分、控制器部分等多個方面，具體參數可參考文檔中的詳細表格。例如，功率部分的擊穿電壓 (V{BVDSS}) 最小為800V，OFF狀態漏極電流 (I{OFF}) 最大為60μA；電源部分的啟動充電電流 (I_{DDch1}) 典型值為 - 3mA等。

五、典型電路與應用設計

5.1 基本反激式應用電路

基本反激式應用電路是VIPER28常見的應用形式之一，它通過輸入交流電壓，經過一系列的電容、電阻和變壓器等元件，最終輸出直流電壓。在這個電路中，VIPER28作為核心控制器，通過PWM邏輯控制功率MOSFET的開關，實現功率轉換。

5.2 全功能反激式應用電路

全功能反激式應用電路在基本反激式應用電路的基礎上，增加了更多的功能模塊，如額外功率定時器（EPT）、輸出過壓保護等。通過合理設置電路中的電阻、電容等元件參數，可以實現對輸出電壓、電流的精確控制和保護。

六、工作原理與操作模式

6.1 功率部分與柵極驅動器

功率部分采用雪崩耐用的N溝道MOSFET，確保在指定能量額定值內安全運行，并具有高dv/dt能力。柵極驅動器在開啟和關閉時提供受控的柵極電流，以最小化共模EMI。在欠壓鎖定（UVLO）條件下，內部下拉電路將柵極保持在低電平，防止功率部分意外開啟。

6.2 高壓啟動發生器

HV電流發生器通過DRAIN引腳供電，僅當輸入大容量電容器電壓高于 (V_{DRAINSTART}) 閾值（典型值為80V DC）時才啟用。啟動時，(I{DDch1}) 電流（典型值為3mA）被輸送到 (V{DD}) 引腳的電容器；在故障自動重啟模式下，電流降低到 (I{DDch2})（典型值為0.6mA），以實現緩慢的占空比。

6.3 上電與軟啟動

當輸入電壓上升到設備啟動閾值 (V_{DRAINSTART}) 時，(V{DD}) 電壓由于內部高壓啟動電路的 (I{DDch1}) 電流開始上升。當 (V{DD}) 電壓達到 (V{DDon}) 閾值時，功率MOSFET開始開關，HV電流發生器關閉。在自供電電路（通常是變壓器的輔助繞組和轉向二極管）產生足夠高的電壓之前，IC由 (V{DD}) 引腳的電容器 (C_{VDD}) 存儲的能量供電。軟啟動功能在轉換器啟動時逐漸增加漏極電流限制，減少對次級二極管的應力，防止變壓器飽和。

6.4 掉電與自動重啟

當轉換器掉電時，隨著輸入電壓下降，系統失去調節能力，當 (V{DD}) 電壓低于 (V{DDoff}) 閾值時，功率MOSFET關閉，能量傳輸中斷，啟動序列被禁止，完成掉電過程。當發生故障時，IC停止工作，(V{DD}) 電壓下降，當 (V{DD}) 電壓低于 (V{DD(RESTART)}) 閾值且DC輸入電壓高于 (V{DRAINSTART}) 閾值時，內部HV電流源開啟，為 (C{VDD}) 電容器充電，當 (V{DD}) 電壓達到 (V{DDon}) 閾值時，IC重啟。

6.5 振蕩器與電流模式轉換

開關頻率內部固定為60kHz或115kHz，并通過約 ± 4kHz（60kHz版本）或 ± 8kHz（115kHz版本）以250Hz（典型）的速率進行調制，實現擴頻操作，減少諧波干擾。設備采用電流模式轉換，通過檢測漏極電流并轉換為電壓，與反饋引腳電壓進行比較，實現對功率MOSFET開關的控制。電流限制設定點可通過連接到CONT引腳的 (R_{LIM}) 電阻進行調整。

6.6 過壓保護與CONT引腳功能

設備通過監測功率MOSFET關斷期間的 (V{CONT}) 電壓來實現輸出過壓保護。當 (V{CONT}) 電壓連續四次超過參考電壓 (V{OVP}) 時，過壓保護將停止功率MOSFET，轉換器進入自動重啟模式。為了避免噪聲干擾，(V{CONT}) 電壓在 (T_{STROBE}) 時間后的短窗口內進行采樣。CONT引腳還可用于降低OCP設定點，通過連接外部電阻到地來降低逐周期電流限制的默認值。

6.7 反饋與過載保護

反饋引腳控制PWM操作、突發模式和過載保護。當反饋引腳電壓在 (V{FBbm}) 和 (V{FBIlin}) 之間時，通過比較漏極電流轉換的電壓和反饋引腳電壓，控制功率MOSFET的開關。當反饋引腳電壓達到 (V{FBIin}) 時，內部電流發生器開始為反饋電容器充電，當反饋電壓達到 (V{FBolp}) 閾值時，轉換器關閉并啟動自動重啟。過載延遲時間可通過 (C{FB}) 或 (C{FB1}) 電容器進行設置。

6.8 突發模式操作

在無負載或非常輕負載時，當反饋引腳電壓低于突發模式閾值 (V{FBbm}) 時，功率MOSFET停止開關；當反饋引腳電壓超過 (V{FBbm}+V{FBbmhys}) 時，功率MOSFET再次開始開關。這種突發模式操作可以降低平均開關頻率，減少與頻率相關的損耗。為了防止可聽噪聲，突發模式下的漏極電流峰值被鉗位到 (I{D_BM}) 水平。

6.9 額外功率定時器（EPT）與二級過流保護

額外功率定時器（EPT）通過連接到EPT引腳的電容器 (C{EPT}) 設置消隱時間，允許在該時間內存在過載電流。當漏極電流達到 (I{DLIMEPT}) 閾值時，EPT啟動，充電電流為 (I{EPT})。如果在EPT電壓達到 (V{EPT(STOP)}) 之前漏極電流下降到 (I{DLIMEPT}) 以下，IC繼續正常工作；否則，IC停止并自動重啟。二級過流保護用于保護設備免受次級整流器短路、次級繞組短路或反激變壓器硬飽和的影響。當漏極電流超過 (I{DMAX}) 閾值時，經過一定的判斷邏輯，若確認是故障，則關閉功率MOSFET，設備進入自動重啟模式，實現低頻率間歇操作（打嗝模式），降低功率電路的應力。

七、總結與建議

VIPER28以其豐富的功能、高性能和低功耗等優點，成為電子工程師在設計高壓轉換器時的理想選擇。在實際應用中，工程師需要根據具體的應用場景和需求，合理選擇封裝形式、設置引腳參數、設計電路布局等。同時，要充分利用其各種保護功能，確保設備的可靠性和穩定性。在設計過程中，還需要注意對電路中的關鍵參數進行精確計算和調整，如 (C{VDD}) 電容器的大小、(R{LIM}) 和 (R_{OVP}) 電阻的取值等。希望本文能夠為電子工程師在使用VIPER28進行設計時提供一些有價值的參考和幫助。大家在使用VIPER28的過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流。