基于VIPer22A的空調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　目前，新型空調(diào)機(jī)采用兩個(gè)主低壓輸出給內(nèi)部電子設(shè)備供電。這兩個(gè)主輸出的低壓分別是+12V和+5V。低輸出電壓是由一個(gè)內(nèi)部開關(guān)電源產(chǎn)生。這個(gè)開關(guān)電源需要以下多個(gè)重要特性∶效率高，重量輕，尺寸小，待機(jī)功耗低等。

??? 設(shè)計(jì)人員利用VIPerX2系列產(chǎn)品可以開發(fā)出一個(gè)含有所有這些重要功能的電源，因此，該系列產(chǎn)品是開發(fā)空調(diào)應(yīng)用的最理想的解決方案, 特別是本文介紹的電路板是為改進(jìn)圖1所示的特性而專門開發(fā)的，表1列舉了空調(diào)開關(guān)電源的技術(shù)規(guī)格。

　　表1∶電氣規(guī)格

　　圖1: 電路板布局

　　1. VIPERX2A描述

　　VIPerX2A 是一個(gè)單封裝的產(chǎn)品，在同一顆芯片上整合了一個(gè)專用電流式PWM控制器和一個(gè)高壓功率場效應(yīng)MOS晶體管。這種方法可以減少組件數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，簡化電路板設(shè)計(jì)。因此，這個(gè)產(chǎn)品家族廣泛用于離線開關(guān)式電源。此外，該系列產(chǎn)品還采用微型的SMD封裝(SO-8)。VIPer系列的待機(jī)功耗(小于1W)符合藍(lán)天使和能源之星等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.1 一般特性

　　VIPerx2A產(chǎn)品采用ST的VIPower M0-3高壓專利技術(shù)，M0-3高壓技術(shù)利用一個(gè)P型掩埋層的方法，允許在同一顆芯片上集成低壓系統(tǒng)(PWM)和電流垂直流動(dòng)的功率級，如圖2所示。 VIPerX2A產(chǎn)品有以下一般特性∶自動(dòng)熱關(guān)斷;高壓啟動(dòng)電流源;防止輸出短路導(dǎo)致?lián)舸┕收系拇蜞?HICCUP)模式;保證低負(fù)載條件下低功耗的突發(fā)模式。

　　而且，VIPower M0-3技術(shù)還可用于開發(fā)最小擊穿電壓為730V的功率場效應(yīng)MOS晶體管。表2說明了該產(chǎn)品在不同的封裝和工作條件下的功率處理能力。

　　圖2:MO-3技術(shù)示意圖

　　表2∶在不同的封裝和工作條件下的功率處理能力

　　1.2 結(jié)構(gòu)框圖

　　通過仔細(xì)觀察圖3的示意圖，我們不難看出功率級是由含有一個(gè)快速比較器的電流式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)電流來自NMO Ssense和feed-back(FB)兩個(gè)引腳。比較器輸出連接到消隱時(shí)間模塊，以確保導(dǎo)通時(shí)間最短。只需一個(gè)外部振蕩器，即可將開關(guān)頻率固定在 60kHz，從而不再需要其它的外部組件。其它的內(nèi)部模塊是內(nèi)部電源穩(wěn)壓器和過熱檢測器，前者在VDD引腳上能夠支持45V，後者在170°C(典型值)時(shí)提供熱關(guān)斷功能。該產(chǎn)品的系統(tǒng)控制是一個(gè)電流模式結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，N-MOS感應(yīng)電流和FB電流匯合在電阻器R2上。電阻R2上的電壓取決于這個(gè)電流值的大小，然後，這個(gè)電壓值與一個(gè)內(nèi)部固定的參考電壓(0.23V)比較。比較器的輸出用于驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)MOS晶體管，因此，開關(guān)頻率取決于反饋電流和 Id電流值的大小。在這個(gè)應(yīng)用中，反饋回路的實(shí)現(xiàn)方法是通過一個(gè)光耦合器利用輸出電壓驅(qū)動(dòng)這個(gè)FB引腳，以保證輸入出輸出之間的絕緣。監(jiān)視VDD電壓的是一個(gè)磁滯比較器，它能夠管理啟動(dòng)電流生成器。事實(shí)上，只要VDD電壓值大于VDDON的電壓值，比較器就會(huì)導(dǎo)通，并給VDD電容器充電。一旦達(dá)到這個(gè)條件，功率場效應(yīng)MOS晶體管就立即開始開關(guān)操作。突發(fā)模式工作原理是跳過相同的開關(guān)周期，以便在負(fù)載減弱時(shí)降低功耗。

　　2. 空調(diào)應(yīng)用

　　2.1 示意圖

　　圖4給出了本文討論的空調(diào)機(jī)使用的VIPer22電源的示意圖。這個(gè)電源設(shè)計(jì)有兩個(gè)輸出電壓，分別是12V和5V。最大功率處理能力是10W，輸出電壓 12V。第一個(gè)輸出的峰值電流是900mA。然而，第二個(gè)輸出(5V)的實(shí)現(xiàn)方法是在第一個(gè)輸出上串聯(lián)一個(gè)線性穩(wěn)壓器(7805)和一個(gè)分配電壓降的齊納二極管D9。這個(gè)解決方案讓5V輸出電壓具有很高的精確度，因此該方案特別適合給微控制器或/ 和邏輯電路、LCD和蜂鳴器供電。第二輸出的峰值電流為400mA。如圖4所示，該解決方案的二次側(cè)反饋是一個(gè)隔離式的逆向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂苹芈吠ㄟ^一個(gè)光耦合器(TL431)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)光耦合器含有一個(gè)高穩(wěn)定性的參考電壓管，以檢查12V輸出電壓，確保輸入和輸出完全絕緣。一個(gè)Transil緩沖電路 (D6-D7)可以有效地防護(hù)反射電壓和漏電感產(chǎn)生的峰值電壓。

　　圖4: 空調(diào)開關(guān)電源示意圖

　　2.2 測試結(jié)果

　　這個(gè)應(yīng)用的主要目標(biāo)是確保兩個(gè)輸出的電壓都非常精確。第一個(gè)輸出(12V)的電壓精確度很高是因?yàn)樗挥诙畏€(wěn)壓反饋內(nèi)，而第二個(gè)輸出(5V)的電壓精度很高是因?yàn)檫@條線路采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線性穩(wěn)壓器。這個(gè)空調(diào)器應(yīng)用是為寬壓市電(85-265VAC)而開發(fā)的。如圖5所示，待機(jī)功耗總是低于1W，符合能源之星的待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。圖6所示是在5V輸出無負(fù)載條件下測量到的能效值。

　　圖5: 待機(jī)條件下功耗曲線圖

　　圖6: 效率測量結(jié)果

　　3 演示板描述

　　3.1 電路板布局

　　這是一個(gè)單層電路板設(shè)計(jì)，下層是銅線，上層是絲網(wǎng)印刷面。兩個(gè)線路如圖7所示，這個(gè)電路板的尺寸為50x40mm。

　　圖7: 電路板布局(尺寸為50x40mm)

　　3.2 材料單

　　表3給出了開發(fā)這個(gè)應(yīng)用所需的組件的詳細(xì)清單。

　　表3 VIPer22電源應(yīng)用組件清單