Viper22a схема без трансформатора

Неизолированный импульсный преобразователь с двумя выходами для питания бытовых приборов

STMicroelectronics Viper22A STTH102 STTH106

Fabio Cacciotto, STMicroelectronics

Реализация многих функций современных бытовых приборов в значительной степени основана на использовании микроконтроллеров и дополнительных схем. Хотя обеспечить изоляцию от сети переменного тока могут обычные трансформаторы с железным сердечником, низковольтное питание микропроцессоров, выходные сигналы которых управляют связанными с сетью силовыми ключами, требуют еще одного уровня электрической изоляции, такой как оптроны или импульсные трансформаторы.

Разработчики могут избежать сложностей и затрат, связанных с добавлением дополнительных компонентов изоляции от неизолированной линии сети переменного тока. Но если получение с помощью автономного импульсного источника питания одного низкого напряжения не вызывает никаких трудностей, получение нескольких напряжений представляет определенную проблему и требует относительно сложной конструкции.

В качестве альтернативы вы можете использовать однокристальный контроллер импульсного преобразователя, такой, например, как Viper22A, выпускаемый STMicroelectronics (IC₁ на Рисунке 1), с помощью которого из напряжения сети переменного тока от 88 В до 265 В можно получить два стабилизированных напряжения суммарной мощностью до 3.3 Вт. При указанных на рисунке номиналах компонентов схема обеспечивает нагрузку напряжениями –5 В ±5% при токе до 300 мА и –12 В ±10% при токе до 150 мА.

Рисунок 1.	Этот автономный импульсный источник питания стабилизирует два выходных напряжения.

В состав Viper22A входят тактовый генератор 60 кГц, источник опорного напряжения, цепь защиты от перегрева и высоковольтный силовой MOSFET, способный рассеивать мощность в несколько ватт. Хотя микросхема Viper22A выпускается в 8-выводном корпусе, для ее работы требуются всего четыре контакта: вход напряжения питания V_DD, вход обратной связи FB, а также выводы истока и стока MOSFET. Остальные выводы – вход резервного питания и дополнительные контакты стока – служат для улучшения отвода тепла в печатную плату.

Резистор R₄ ограничивает броски входного тока и одновременно выполняет функцию защитного предохранителя. Диодом D₁ переменное напряжение сети выпрямляется до эффективного значения порядка 160 В и сглаживается фильтром на элементах C₁, R₁, L₁, и C₂. Помимо сглаживания пульсаций постоянного тока, фильтр снижает электромагнитные помехи до уровня, соответствующего требованиям европейского стандарта 55014 CISPR14. Дополнительное снижение кондуктивных излучений обеспечивает демпфирующий конденсатор C₉, включенный параллельно диоду D₁.

Конденсатор C₃ накапливает положительный заряд в течение времени, когда MOSFET закрыт, и отдает его для питания микросхемы IC₁ напряжением V_DD, когда MOSFET открыт. Обратное напряжение диода D₃ может достигать суммы пикового выпрямленного напряжения сети и максимального выходного постоянного напряжения, поэтому в качестве D₃ следует выбирать диод с быстрым восстановлением, рассчитанный на пиковое обратное напряжение 600 В.

Для обратной связи, замыкающей контур регулирования, используется напряжение V_OUT2. Сумма напряжения база-эмиттер PNP транзистора общего назначения Q₁ и обратного напряжения стабилитрона D₆ устанавливает напряжение V_OUT2 равным –5 В. Стабилитрон D₇ сдвигает напряжение на входе обратной связи микросхемы IC₁ в ее линейный диапазон 0…1 В. Для исключения высокочастотной генерации в цепи обратной связи проводники, идущие к конденсатору C₄, необходимо сделать как можно более короткими. Две обмотки катушки L2 намотаны на гантельном ферритовом сердечнике TDK SRW0913; соотношение витков обмотки определяет выходное напряжение V_OUT1. Для поддержания стабилизации при отсутствии нагрузки на выходе V_OUT1 и полной нагрузке на V_OUT2 между V_OUT1 и общей линией заземления включен дополнительный резистор R₅.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

DataSheet

Техническая документация к электронным компонентам на русском языке.

VIPER22A- Основной ключ импульсного блока питания с низким энергопотреблением

Особенности

• Фиксированная частота переключения 60 кГц
• Широкий диапазон напряжения V_DD от 9 В до 38 В
• Режим управления током
• Дополнительная блокировка при пониженном напряжении с гистерезисом
• Высоковольтный источник пускового тока
• Защита от перегрева, перегрузки по току и напряжению с автоматическим перезапуском

Основной тип	SO-8	DIP-8
Европейский (195 — 265 В перем. тока)	12 Вт	20 Вт
США / широкий диапазон (85 — 265 В переменного тока)	7 Вт	12 Вт

Описание

VIPer22A-E объединяет в себе отдельный ШИМ-контроллер с токовым режимом и высоковольтный силовой полевой МОП-транзистор, расположенные на одном кремниевом кристалле.

Типовые области применения микросхемы это автономные источники питания для адаптеров зарядных устройств, резервные источники питания для телевизоров или мониторов, вспомогательные источники для управления двигателем и т. д. Внутренняя схема управления предлагает следующие преимущества:

Большой диапазон входного напряжения на выводе V_DD учитывает изменения вспомогательного напряжения питания. Эта функция хорошо адаптирована к конфигурациям адаптера зарядного устройства.

Автоматический пакетный режим при низкой нагрузке

Защита от перенапряжения в режиме HICCUP.

Рисунок 1. Блок-схема VIPER22A

1 Электрические параметры

1.1 Максимальные значения

Значения выше номинала, указанного в таблице «абсолютных максимальных значений», может привести к необратимому повреждению устройства. Здесь указаны максимальные значения, и работа устройства при этих или любых других условиях, превышающих указанные в номинальных режимах данной спецификации, не подразумевается. Воздействие абсолютных максимальных значений в течение продолжительного времени может повлиять на надежность устройства.

Обозначение	Параметр	Значение	Ед. изм.
VDS(sw)	Коммутируемое напряжение сток-исток (TJ = 25…125 °C) (1)	-0.3…730	В
VDS(st)	Пусковое напряжение сток-исток (TJ = 25…125 °C) (2)	-0.3…400	В
Id	Постоянный ток стока	Внутренне ограничен	A
VDD	Напряжение питания	0…50	В
Ifb	Ток обратной связи	3	мА
VESD	Электростатический разряд: Модель машины (R = 0 Ом; C = 200 пФ) Модель зарядного устройства	200 1.5	В кВ
TJ	Рабочая температура перехода	Внутренне ограничена	°C
Tc	Рабочая температура корпуса	от -40 до 150	°C
Tstg	Температура хранения	от -55 до 150	°C

Таблица 1. Абсолютные максимальные значения

1. Этот параметр применяется, когда источник пускового тока ВЫКЛЮЧЕН. Это тот случай, когда напряжение V_DD достигло V_DDon и остается выше V_DDoff.
2. Этот параметр применяется, когда включен источник пускового тока. Это тот случай, когда напряжение V_DD еще не достигло V_DDon или упало ниже V_DDoff.

1.2 Тепловые характеристики

Обозначение	Параметр	SO-8	DIP-8	Unit
RthJC	Тепловое сопротивление переход-корпус	Max	25	15	°c/Вт
RthJA	Тепловое сопротивление переход-окружающая среда (1)	Max	55	45	°c/Вт

Таблица 3. Тепловые Характеристики

1. При установке на стандартную одностороннюю плату FR4 с площадью медной фольги 200 мм ₂ (толщиной не менее 35 мкм), подключенной ко всем выводам DRAIN.

2 Электрические характеристики

T_J = 25 °C, V_DD = 18 В, если не указано иное

Обозначение	Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
BVDSS	Напряжение сток-исток	ID = 1 мА; VFB = 2 В	730	В
IDSS	Ток стока в закрытом состоянии	VDS = 500 В; VFB = 2 В; Tj= 125 °C	0,1	мА
rDS(on)	Сопротивление канала в открытом состоянии	lD = 0.4 A lD = 0.4 A; Tj=100 °C	15 —	17 31	Ом
tf	Время спада	lD = 0.2 A; VIN = 300 В (1) (См. рис. 9)	100	нс
tr	Время нарастания	lD = 0.4 A; VIN = 300 В (1) (См. рис. 13)	50	нс
СOSS	Выходная емкость	VDS = 25 В	40	пФ

Таблица 4. Силовая часть

1. На зажимах индуктивной нагрузки

Обозначение	Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
IDDch	Пусковой ток зарядки	100 В TSD-THYST	0	мA
IDD0	Рабочий ток питания без переключения	lFB = 2 мA	3	5	мA
IDD1	Рабочий ток питания при переключении	lFB= 0.5 мA; lD = 50 мA (1)	4,5	мA
DRST	Коэффициент заполнения при перезапуске	(См. Рис. 11)	16	%
VDDoff	Пороговое значение VDD для отключения при пониженном напряжении	(См. Рис. 10, 11)	7	8	9	В
VDDon	Пороговое значение VDD для запуска	(См. Рис. 10, 11)	13	14,5	16	В
VDDhyst	Пороговое значение VDD для гистерезиса	(См. Рис. 10)	5,8	6,5	7,2	В
VDDovp	Пороговое значениеVDD при перегрузке	38	42	46	В

Таблица 5. Питание

1. Эти условия испытаний, полученные с резистивной нагрузкой, приводят к максимальному времени в открытом состоянии.

Обозначение	Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
FOSC	Общее изменение частоты генератора	VDD = VDDoff … 35 В; TJ = 0 … 100 °C	54	60	66	кГц

Таблица 6. Генератор

Обозначение	Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
GID	Коэффициент усиления по току lFB к lD	(См. Рис. 12)	560
IDlim	Ограничение пикового тока	VFB = 0 В (См. Рис. 12)	0,56	0,7	0,84	A
IFBsd	Ток отключения lFB	(См. Рис. 12)	0,9	мA
RFB	Полное сопротивление на выводе FB	lD = 0 мA (См. Рис. 12)	1,2	кОм
td	Задержка определения тока до выключения	lD = 0.4 A	200	нс
tb	Время гашения	500	нс
tONmin	Минимальное время включения	700	нс

Таблица. 7 Компаратор ШИМ

Обозначения	Параметр	Условия испытаний	Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
TSD	Температура теплового отключения	(См. Рис. 13)	140	170	°C
ТHYST	Гистерезис теплового отключения	(См. Рис. 13)	40	°C

Таблица 8. Тепловая защита

Основной тип	SO-8	DIP-8
Европейский (195 — 265 В перем. тока)	12 Вт	20 Вт
США / широкий диапазон (85 — 265 В переменного тока)	7 Вт	12 Вт

Таблица. 9 Типовая мощность (1)

1. Вышеуказанные значения мощности получены при адекватных тепловых условиях.

3 Распиновка и назначение выводов

Рисунок 2. Распиновка

Рисунок 3. Условные направление токов и напряжений

Вывод	Назначение вывода
VDD	Питание цепей управления. Также обеспечивает зарядный ток во время запуска благодаря источнику тока высокого напряжения, подключенному к стоку. Для этого компаратор c гистерезисом контролирует напряжение VDD и обеспечивает два порога срабатывания: — VDDon: значение напряжения (обычно 14,5 В), при котором устройство начинает переключаться и отключает источник пускового тока. — VDDoff: значение напряжения (обычно 8 В), при котором устройство прекращает переключение и включает источник пускового тока.
SOURCE	Исток мощного МОП-транзистора и общий провод (земля)
DRAIN	Сток мощного МОП-транзистора. Также используется внутренним источником тока высокого напряжения во время фазы запуска для зарядки внешнего конденсатора питания VDD.
FB	Вывод обратной связи. Диапазон полезного напряжения располагается в пределах от 0 В до 1 В и определяет пиковый ток стока МОП-транзистора. Ограничение тока, которое соответствует максимальному току стока, достигается для вывода FB, закороченного на вывод SOURCE.

Таблица 10. Назначение выводов

4 Принцип работы

4.1 Прямоугольные U-I выходные характеристики

Полная схема регулирования может обеспечить комбинированные и точные выходные характеристики. На рисунке 4. представлена вторичная обратная связь через оптрон, управляемый TSM101. Эта микросхема имеет два операционных усилителя и источник опорного напряжения, что позволяет регулировать как выходное напряжение, так и ток. Интегрированная функция ИЛИ выполняет комбинацию двух результирующих сигналов ошибки, что приводит к двойному ограничению напряжения и тока, известному как прямоугольная выходная характеристика. Этот тип источника питания особенно полезен для зарядных устройств аккумуляторов, где выход в основном используется в токовом режиме, чтобы обеспечить определенную скорость зарядки. Точная регулировка напряжения также удобна для литий-ионных аккумуляторов, требующих обоих режимов работы.

4.2 Широкий диапазон напряжения V_DD

Диапазон напряжения на выводах V_DD составляет от 9 В до 38 В. Эта особенность обеспечивает большую гибкость при проектировании для достижения различных характеристик. На Рисунке 4 была выбрана прямая конфигурация, чтобы предоставить устройству два преимущества:

• Как только устройство начинает переключаться, оно сразу получает энергию от вспомогательной обмотки. Таким образом, емкость C5 может быть уменьшена, небольшого керамического smd-конденсатора (100 нФ) достаточно для обеспечения функции фильтрации. Общее время запуска от включения входного напряжения до наличия выходного напряжения резко сокращается.
• Характеристика выходного тока может сохраняться даже при очень низком или нулевом выходном напряжении. Поскольку TSM101 также питается в прямом режиме, она поддерживает регулировку тока независимо от выходного напряжения. Напряжение на выводе V_DD может изменяться в той же степени, что и входное напряжение, то есть с коэффициентом около 4 для широкого диапазона применений.

4.3 Принцип работы обратной связи

Вывод обратной связи контролирует работу устройства. В отличие от обычных схем управления ШИМ, которые используют вход напряжения (инвертированный вход операционного усилителя), вывод FB чувствителен к току. На рисунке 5 представлена внутренняя структура токового режима.

Рисунок 5. Внутренняя структура контроля тока

Силовой МОП-транзистор выдает ток отслеживания I_s, который пропорционален основному току I_d. Через R2 проходит этот ток и ток, идущий от вывода FB. Затем напряжение на R2 сравнивается с фиксированным опорным напряжением около 0,23 В. МОП-транзистор отключается, когда выполняется следующее уравнение:

Из чего следует значение I_s:

Используя отношение тока отслеживания из коэффициента усиления МОП-транзистора G_ID:

Ограничение тока достигается при замыкании вывода FB на землю (V_FB = 0 В). Это приводит к возникновению отрицательного тока на этом выводе, который выражается следующим образом:

Подставив это выражение в предыдущее, можно получить ограничение тока стока I_Dlim:

В реальном применении вывод FB управляется оптопарой, как показано на рисунке 5., которая действует как подтягивающий резистор. Таким образом, невозможно действительно замкнуть этот вывод на землю, и указанное выше значение тока стока недостижимо. Тем не менее, конденсатор C усредняет напряжение на выводе FB, и когда оптопара выключена (запуск или короткое замыкание), можно предположить, что соответствующее напряжение очень близко к 0 В.

Для малых токов стока формула (1) действительна до тех пор, пока I_FB удовлетворяет условию I_FB Рисунок 6. Передаточная функция I_FB

Из всего выше сказанного можно построить зависимость постоянного тока I_D от тока I_FB, как показано на рисунке 6. На этом рисунке также учтено время внутреннего гашения и связанное с ним минимальное время включения. Это налагает требование на минимальный ток стока, при котором устройство больше не может управлять им линейно. Этот ток стока зависит от значения индуктивности первичной обмотки трансформатора и входного напряжения. Могут возникнуть два случая, в зависимости от значения этого тока по сравнению с фиксированным значением 85 мА, как описано выше.

Рисунок 7. Последовательность запуска

Это зарядное устройство включает в себя источник пускового тока высокого напряжения, подключенный к стоку устройства. Как только на вход преобразователя подается напряжение, этот источник пускового тока активируется до тех пор, пока V_DD ниже, чем V_DDon. При достижении значения V_DDon источник пускового тока отключается, и устройство начинает работать, включая и выключая свой основной силовой МОП-транзистор. Поскольку на вывод FB не поступает ток от оптопары, устройство работает с полной допустимой нагрузкой по току, и выходное напряжение возрастает до тех пор, пока не достигнет точки регулирования, когда вторичный контур начинает посылать ток в оптопару. В этот момент преобразователь переходит в регулируемый режим, при котором на вывод FB поступает ток, необходимый для подачи необходимой мощности на вторичную обмотку.

Эта последовательность показана на рисунке 7. Обратите внимание, что во время реальной фазы запуска tss устройство потребляет некоторую энергию от конденсатора на V_DD, ожидая, пока вспомогательная обмотка обеспечит непрерывное питание. Если значение этого конденсатора слишком низкое, фаза запуска завершается до получения энергии от вспомогательной обмотки, и преобразователь никогда не запустится. Это показано на том же рисунке пунктирными линиями.

4.5 Порог перенапряжения

Детектор перенапряжения на выводе VDD позволяет VIPer22A перезапускать себя, когда V_DD превышает V_DDovp. Это проиллюстрировано на Рисунке 8., который показывает всю последовательность событий перенапряжения. Обратите внимание, что это событие фиксируется только на время, необходимое V_DD для достижения значения V_DDoff, а затем устройство автоматически возобновляет нормальную работу.

Рисунок 8. Последовательность событий при перенапряжении

5 Графики и схемы работы

6. Размеры корпуса

Чтобы соответствовать экологическим требованиям, ST предлагает эти устройства в различных классах пакетов ECOPACK®, в зависимости от их уровня соответствия экологическим требованиям. Технические характеристики ECOPACK®, определения марок и статус продукта доступны на сайте: www.st.com. ECOPACK — торговая марка ST.

Таблица 11. Размеры корпуса DIP-8 Рисунок 16. Чертеж корпуса DIP-8 Таблица 12. Размеры корпуса SO-8 Рисунок 17. Размеры корпуса SO-8

7 Парт номера

Парт номер	Корпус	Упаковка
VIPER22ASTR-E	SO-8	Лента и катушка
VIPer22AS-E	SO-8	Труба
VIPer22ADIP-E	DIP-8	Труба

Таблица 13. Парт номера

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник