VIPER27：高性能低電壓PWM控制器芯片的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的PWM控制器芯片往往能為整個(gè)電路系統(tǒng)帶來(lái)更穩(wěn)定、高效的運(yùn)行表現(xiàn)。今天，我們就來(lái)深入探討一下ST公司的VIPER27，這是一款集多種先進(jìn)功能于一身的高性能低電壓PWM控制器芯片。

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一、VIPER27概述

VIPER27擁有一個(gè)800V、雪崩堅(jiān)固的功率部分，這使得它在高壓環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。其內(nèi)部集成了眾多關(guān)鍵電路，包括具有抖動(dòng)功能的振蕩器、帶軟啟動(dòng)功能的啟動(dòng)電路、PWM邏輯、可調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)的電流限制電路、二次過流電路、突發(fā)模式管理、欠壓電路、欠壓鎖定（UVLO）電路、自動(dòng)重啟電路和熱保護(hù)電路等。獨(dú)特的突發(fā)模式操作保證了在待機(jī)模式下的高性能，有助于達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。并且，所有的故障保護(hù)都采用自動(dòng)重啟模式，重復(fù)率極低，可有效防止IC過熱。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）功率部分與柵極驅(qū)動(dòng)器

功率部分采用了具有雪崩堅(jiān)固性的N溝道MOSFET，最低擊穿電壓（BVDSS）為800V，在25°C時(shí)典型導(dǎo)通電阻（RDS(on)）為7Ω。這種設(shè)計(jì)不僅確保了在指定能量額定范圍內(nèi)的安全操作，還具備高dv/dt能力。集成的SenseFET結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了幾乎無(wú)損耗的電流檢測(cè)。柵極驅(qū)動(dòng)器在開啟和關(guān)斷過程中提供受控的柵極電流，以最小化共模電磁干擾（EMI）。在欠壓鎖定（UVLO）條件下，內(nèi)部下拉電路會(huì)使柵極保持低電平，防止功率部分意外開啟。

（二）高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器

高壓電流發(fā)生器通過漏極（DRAIN）引腳供電，僅當(dāng)輸入大容量電容器電壓高于典型值80V的VDRAIN_START閾值時(shí)才會(huì)啟用。開啟時(shí)，典型值為3mA的IDDch電流會(huì)被輸送到VDD引腳的電容器。在故障事件后的自動(dòng)重啟模式下，IDDch電流會(huì)降至0.6mA，以在重啟階段實(shí)現(xiàn)緩慢的占空比。

（三）上電與軟啟動(dòng)

當(dāng)輸入電壓上升到設(shè)備啟動(dòng)閾值VDRAINSTART時(shí)，由于來(lái)自內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電路的IDDch電流，VDD電壓開始上升。當(dāng)VDD電壓達(dá)到VDDon閾值時(shí)，功率MOSFET開始切換，高壓電流發(fā)生器關(guān)閉。在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間，漏極電流限制會(huì)逐漸增加到最大值，這樣可以顯著減少次級(jí)二極管的應(yīng)力，還能防止變壓器飽和。軟啟動(dòng)時(shí)間持續(xù)8.5ms，并且在每次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器或故障后都會(huì)執(zhí)行該功能。VDD電容器的大小需要根據(jù)公式[C{VDD}=frac{I{DDch } × t{SSaux }}{V{DDon }-V{DDoff }}]進(jìn)行計(jì)算，以確保在輔助繞組提供能量之前，VDD電壓不會(huì)低于VDDoff閾值。

（四）掉電操作

當(dāng)轉(zhuǎn)換器掉電時(shí)，一旦輸入電壓過低導(dǎo)致達(dá)到峰值電流限制，系統(tǒng)就會(huì)失去調(diào)節(jié)。VDD電壓下降，當(dāng)?shù)陀贒Doff閾值時(shí)，功率MOSFET關(guān)閉，能量傳輸中斷，VDD電壓進(jìn)一步降低。如果VIN低于VDRAIN_START，啟動(dòng)序列將被禁止，掉電完成。這一特性有助于防止轉(zhuǎn)換器重啟嘗試，并確保系統(tǒng)掉電期間輸出電壓?jiǎn)握{(diào)衰減。

（五）自動(dòng)重啟操作

如果轉(zhuǎn)換器掉電后，VIN高于DRAIN_START，只有當(dāng)VDD電壓降至VDD(RESTART)閾值以下時(shí)，啟動(dòng)序列才會(huì)被激活。故障后的充電電流IDDch典型值為0.6mA，而正常啟動(dòng)階段為3mA。這一特性與低VDD(RESTART)閾值相結(jié)合，確保了故障后IC的重啟嘗試重復(fù)率極低，轉(zhuǎn)換器能夠以極低的功率吞吐量安全工作。

（六）振蕩器

開關(guān)頻率內(nèi)部固定為60kHz或115kHz，并且兩種版本的開關(guān)頻率都會(huì)以250Hz（典型）的速率進(jìn)行調(diào)制，分別約為±4kHz（60kHz版本）或±8kHz（115kHz版本）。這種擴(kuò)頻操作將開關(guān)頻率各諧波的能量分布到多個(gè)邊帶諧波上，雖然總能量不變，但每個(gè)諧波的幅度變小，從而降低了電磁干擾。

（七）具有可調(diào)電流限制設(shè)定點(diǎn)的電流模式轉(zhuǎn)換

VIPER27是一款電流模式轉(zhuǎn)換器，它通過檢測(cè)漏極電流并將其轉(zhuǎn)換為電壓，然后與反饋引腳的電壓進(jìn)行逐周期比較。默認(rèn)電流限制值IDlim可以通過連接到CONT引腳的RLIM電阻進(jìn)行調(diào)整。CONT引腳需要一定的最小吸收電流才能激活I(lǐng)Dlim調(diào)整，如果沒有RLIM或RLIM值較高（如100kΩ），電流限制將固定為默認(rèn)值。

（八）過壓保護(hù)（OVP）

VIPER27集成了監(jiān)測(cè)輸出電壓的邏輯，在功率MOSFET關(guān)斷期間，使用CONT引腳的電壓作為輸入信號(hào)。此時(shí)，輔助繞組的電壓通過匝數(shù)比跟蹤輸出電壓。當(dāng)CONT引腳電壓在四個(gè)連續(xù)周期內(nèi)超過參考電壓Vovp時(shí)，過壓保護(hù)將停止功率MOSFET的工作，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。為了避免功率MOSFET關(guān)斷后的噪聲干擾，會(huì)在TSTROBE時(shí)間后的短窗口內(nèi)對(duì)CONT引腳電壓進(jìn)行采樣。

（九）反饋與過載保護(hù)（OLP）

反饋引腳控制PWM操作、突發(fā)模式并激活過載保護(hù)。當(dāng)反饋引腳電壓在VFBbm和VFBIin之間時(shí)，漏極電流被檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電壓，與反饋引腳電壓進(jìn)行逐周期比較。當(dāng)兩者相等時(shí)，PWM邏輯命令功率MOSFET關(guān)斷，漏極電流始終限制在IDlim值。在過載情況下，反饋引腳電壓升高，當(dāng)超過VFBIin時(shí)，PWM比較器禁用，漏極電流由OCP比較器限制在IDlim。當(dāng)反饋引腳電壓達(dá)到VFBOdp閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并以降低的IDDch值（0.6mA）啟動(dòng)。過載檢測(cè)到設(shè)備關(guān)閉的時(shí)間可以通過CFB電容的值進(jìn)行設(shè)置，公式為[T{OLP-delay }=C{FB} × frac{V{FBolp }-V{FBlin }}{3 mu A}]。

（十）輕載或空載時(shí)的突發(fā)模式操作

當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，反饋回路會(huì)降低反饋引腳電壓。當(dāng)電壓降至突發(fā)模式閾值VFBbm以下時(shí)，功率MOSFET停止開關(guān)。之后，由于反饋回路對(duì)能量輸送停止的反應(yīng)，反饋引腳電壓升高，超過VFBbm + VFBbmhys時(shí)，功率MOSFET再次開始開關(guān)。這種交替的開關(guān)和停止模式就是突發(fā)模式，它可以使平均開關(guān)頻率遠(yuǎn)低于正常工作頻率，從而最大限度地減少與頻率相關(guān)的損耗。在突發(fā)模式期間，漏極電流峰值被鉗位在ID_BM水平。

（十一）欠壓保護(hù)

欠壓保護(hù)是一種非鎖存的關(guān)斷功能，當(dāng)檢測(cè)到市電欠壓情況時(shí)會(huì)被激活。欠壓比較器內(nèi)部參考VBRth閾值，如果BR引腳電壓低于該參考值，PWM將被禁用，功率MOSFET關(guān)閉。在欠壓條件下，VDD電壓會(huì)在VDDon和UVLO閾值之間持續(xù)振蕩。為了提高抗噪性，存在電壓滯后。當(dāng)引腳電壓高于參考值加上電壓滯后時(shí)，開關(guān)操作將重新啟動(dòng)。欠壓比較器還具有電流滯后IBRhyst，設(shè)計(jì)者可以分別設(shè)置功率MOSFET在欠壓事件后開始和停止開關(guān)的整流輸入電壓VINon和VINoff。

（十二）二級(jí)過流保護(hù)與打嗝模式

VIPER27能夠防止次級(jí)整流器短路、次級(jí)繞組短路或反激變壓器硬飽和等異常情況。當(dāng)漏極電流超過IDMAX閾值時(shí)，會(huì)進(jìn)入“警告狀態(tài)”。如果在后續(xù)開關(guān)周期中信號(hào)未觸發(fā)，則認(rèn)為是臨時(shí)干擾，保護(hù)邏輯將重置為空閑狀態(tài)；否則，如果連續(xù)兩個(gè)開關(guān)周期超過IDMAX閾值，則認(rèn)為是真正的故障，功率MOSFET將關(guān)閉。關(guān)閉狀態(tài)會(huì)一直鎖定，直到VDD電壓降至其重啟電壓VDD(RESTART)以下，之后VDD電容器會(huì)以600μA的電流重新充電，若VDDon出現(xiàn)，轉(zhuǎn)換器將重新開始切換。如果故障條件未消除，設(shè)備將進(jìn)入自動(dòng)重啟模式，表現(xiàn)為低頻間歇操作（打嗝模式），大大降低了功率電路的應(yīng)力。

三、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了兩種典型的反激應(yīng)用電路，分別是最小功能反激應(yīng)用和全功能反激應(yīng)用。這些電路展示了VIPER27在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式，為工程師提供了參考。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和電氣規(guī)格，合理選擇和連接各個(gè)元件，確保電路的性能和穩(wěn)定性。

四、電氣數(shù)據(jù)與特性

（一）絕對(duì)最大額定值

VIPER27的各項(xiàng)參數(shù)都有明確的最大額定值，如漏極到源極（接地）電壓最大為800V，重復(fù)雪崩能量（受TJ = 150°C限制）最大為5mJ等。在使用過程中，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，以避免設(shè)備損壞。

（二）熱數(shù)據(jù)

不同封裝（SO16N和DIP7）的熱阻數(shù)據(jù)有所不同，如熱阻結(jié)到引腳（耗散功率為1W）在SO16N封裝下最大為25°C/W，在DIP7封裝下最大為35°C/W。了解這些熱數(shù)據(jù)有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)散熱方案時(shí)做出合理的選擇。

（三）電氣特性

涵蓋了功率部分、供電部分、控制器部分等多個(gè)方面的電氣特性。例如，功率部分的擊穿電壓、關(guān)斷狀態(tài)漏極電流、導(dǎo)通電阻等；供電部分的啟動(dòng)電壓、充電電流、工作電壓范圍等；控制器部分的反饋引腳和CONT引腳的相關(guān)參數(shù)、電流限制、振蕩器頻率等。這些詳細(xì)的電氣特性數(shù)據(jù)為我們深入了解VIPER27的性能提供了依據(jù)。

（四）典型電氣特性曲線

文檔中給出了多個(gè)典型電氣特性曲線，如電流限制與結(jié)溫（TJ）的關(guān)系、開關(guān)頻率與TJ的關(guān)系、漏極啟動(dòng)電壓與TJ的關(guān)系等。通過這些曲線，我們可以直觀地了解VIPER27在不同溫度條件下的性能變化，為實(shí)際應(yīng)用中的溫度補(bǔ)償和性能優(yōu)化提供參考。

五、封裝機(jī)械數(shù)據(jù)

VIPER27提供了SO16窄和DIP - 7兩種封裝形式。文檔詳細(xì)給出了這兩種封裝的機(jī)械尺寸數(shù)據(jù)，包括各個(gè)維度的最小、典型和最大值。在進(jìn)行PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要根據(jù)這些封裝尺寸數(shù)據(jù)合理安排元件的位置，確保電路板的尺寸和布局符合要求。

六、總結(jié)與思考

VIPER27憑借其豐富的功能和優(yōu)異的性能，在消費(fèi)和家用設(shè)備的輔助電源、ATX輔助電源、中低功率AC - DC適配器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其各項(xiàng)特性和參數(shù)，合理選擇元件和設(shè)計(jì)電路，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。例如，在軟啟動(dòng)和過載保護(hù)方面，如何根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到最佳的性能表現(xiàn)？在散熱設(shè)計(jì)上，如何根據(jù)熱數(shù)據(jù)選擇合適的散熱方案，保證設(shè)備在不同環(huán)境溫度下都能正常工作？這些問題都值得我們深入思考和探索。希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地了解和應(yīng)用VIPER27這款優(yōu)秀的芯片。