VIPer11：节能型离线高压转换器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，寻找一款性能出色、节能高效的高压转换器至关重要。今天，我们就来深入了解一下STMicroelectronics推出的VIPer11，这是一款集成了800V雪崩耐用功率MOSFET和PWM电流模式控制的智能高压转换器，在众多应用场景中都有着出色的表现。

文件下载：viper11.pdf

一、VIPer11的核心特性

1. 强大的功率MOSFET

VIPer11采用了800V雪崩耐用功率MOSFET，这使得它能够覆盖超宽的VAC输入范围。这种高耐压的设计不仅允许扩展输入电压范围的应用，还能有效减小DRAIN缓冲电路的尺寸，为工程师在设计电路时提供了更大的灵活性。

2. 嵌入式功能模块

它集成了HV启动和感应FET、电流模式PWM控制器等功能模块。这些嵌入式模块的存在，使得整个系统的设计更加简洁，减少了外部元件的使用数量，降低了成本和设计复杂度。

3. 多档电流限制保护

根据不同的型号（VIPER113、VIPER114、VIPER115），VIPer11提供了不同的漏极电流限制保护，分别为370 mA、480 mA和590 mA，能够满足不同应用场景下的电流保护需求。

4. 宽电源电压范围

其工作电压范围为4.5V至30V，这使得它能够适应多种不同的电源环境，提高了系统的兼容性和稳定性。

5. 超低功耗设计

在节能方面，VIPer11表现出色。在空载条件下，230VAC输入时，系统输入功耗小于10 mW；在230VAC输入且负载为250 mW时，功耗小于400 mW。这种超低功耗的设计使得它能够轻松满足最严格的节能标准。

6. 抖动开关频率

VIPer11采用了抖动开关频率技术，其开关频率有30 kHz ± 7%（X型）、60 kHz ± 7%（L型）和120kHz ± 7%（H型）三种可选。这种技术能够有效降低EMI滤波器的成本，减少电磁干扰。

7. 丰富的保护功能

它具备过载/短路（OLP）、线路或输出过压保护（OVP）、最大占空比计数器保护、VCC钳位保护、脉冲跳过保护、嵌入式热关断和内置软启动等多种保护功能，并且在出现故障后能够自动重启，大大提高了系统的可靠性和稳定性。

二、引脚设置与功能

VIPer11采用SSOP10封装，各个引脚都有其特定的功能：

1. GND（引脚1）

作为接地和MOSFET源极，内部MOSFET源极和器件偏置电流的返回端都连接到该引脚。所有偏置元件的接地都应连接到通向该引脚的走线，并与脉冲电流返回端分开，以避免干扰。

2. VCC（引脚2）

控制器的电源引脚，需要在该引脚和GND之间连接一个外部存储电容。在启动时，该引脚内部连接到高压电流源，为VCC电容提供充电电流。同时，建议在靠近IC的位置并联一个小的旁路电容（典型值为0.1 μF），用于噪声滤波。

3. DIS（引脚3）

禁用引脚。当该引脚的电压超过内部阈值VDIS_th（典型值为1.2 V）超过tDEB时间（典型值为1 ms）时，PWM将在自动重启模式下禁用tDIS_RESTART（典型值为500 msec），一旦VDIS降至VDIS_th以下，将恢复正常操作。通过在DIS引脚和整流电源之间连接一个分压器，可以构建输入过压保护。在非隔离拓扑中，同样可以实现输出过压保护。如果不需要禁用功能，应将DIS引脚焊接到GND。

4. FB（引脚4）

直接反馈引脚，是内部跨导误差放大器（E/A）的反相输入，内部参考电压相对于GND为1.2 V。在非隔离转换器中，输出电压信息通过分压器直接输入到该引脚。在初级调节中，FB分压器连接到VCC。如果将FB焊接到GND，则E/A将被禁用。

5. COMP（引脚5）

补偿引脚，是内部E/A的输出。在该引脚和GND之间需要放置一个补偿网络，以实现控制环路的稳定性和良好的动态性能。在二次反馈的情况下，内部E/A必须禁用，COMP直接由光耦合器驱动，以控制DRAIN峰值电流设定点。

6 - 10. DRAIN（引脚6 - 10）

MOSFET漏极引脚。内部高压电流源在启动和稳态运行期间从这些引脚吸收电流，为VCC电容充电。这些引脚机械连接到MOSFET的内部金属PAD，以促进散热。在PCB上，应在这些引脚下方放置一个铜区域，以降低总结到环境的热阻，从而便于功率耗散。

三、电气与热特性

1. 绝对最大额定值

VIPer11的各个引脚都有其绝对最大额定值，例如DRAIN引脚的漏源电压最大为800 V，VCC引脚的电压范围为 -0.3 V至内部限制值等。在设计过程中，必须确保各个引脚的电压和电流不超过这些额定值，否则可能会对器件造成永久性损坏。

2. 热数据

该器件的热阻数据表明，在不同的安装条件下，其结到外壳和结到环境的热阻有所不同。当安装在标准单面FR4板上，铜面积为100 mm²（35 μm厚）时，结到环境的热阻为95 °C/W。合理的散热设计对于保证器件的正常工作和可靠性至关重要。

3. 电气特性

在不同的测试条件下，VIPer11的各个参数都有其特定的取值范围。例如，功率部分的击穿电压V BVDSS在IDRAIN = 1 mA、VCOMP = GND、TJ = 25 °C时为800 V；供应部分的启动电阻RG在不同的V DRAIN电压下，取值范围为28 MΩ至40 MΩ等。这些电气特性为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

四、工作原理与特性

1. 高压启动

VIPer11的嵌入式高压启动功能包括一个800V额定的辅助N沟道功率MOSFET和一个可开关的HV电流源。在启动时，当DRAIN引脚的电压超过VHV_START阈值时，HV电流源开启，线性地为Cs电容充电。随着VCC电压的升高，充电电流也会相应变化。当VCC达到启动阈值VCCon时，芯片开始工作，初级MOSFET开始开关，HV电流源禁用，器件由Cs电容中存储的能量供电。在稳态下，IC可以通过输出（非隔离拓扑）或辅助绕组（隔离拓扑）供电。

2. 软启动

内部软启动功能可以在8个步骤内将逐周期电流限制设定点从0逐步增加到IDLIM，软启动时间tSs内部设定为8 ms。这一功能可以在转换器启动或故障重启时保护系统，避免因输出电容完全放电而导致的过大电流。

3. 振荡器

IC内部集成了一个具有抖动功能的固定频率振荡器，开关频率以260 Hz的速率调制约± 7% kHz。这种抖动功能可以实现扩频作用，将开关频率的各次谐波能量分布到多个频段，从而降低传导发射，减少对EMI滤波器的要求。

4. 脉冲跳过保护

当DRAIN峰值电流在tON_MIN内超过IDLIM水平时，会跳过一个开关周期；当DRAIN峰值电流在tON_MIN内未超过IDLIM时，会恢复一个开关周期。这种保护机制可以避免转换器启动时常见的“磁通失控”现象，确保系统的稳定性。

5. 反馈控制

VIPer11支持直接反馈和二次反馈两种方式。在直接反馈中，通过内部E/A和电压分压器可以精确控制输出电压；在二次反馈中，需要禁用内部E/A，通过外部误差放大器和光耦合器来设置DRAIN峰值电流设定点。

6. 脉冲频率调制（PFM）

当输出负载减小时，反馈环路会降低VCOMP电压，从而降低DRAIN峰值电流设定点。当VCOMP达到VCOMPL阈值时，DRAIN峰值电流保持在IDLIM_PFM，并且会跳过一些PWM周期，实现脉冲频率调制。这种工作方式可以在轻载和空载时降低输入功耗，同时避免低频开关产生的可听噪声。

7. 保护功能

VIPer11具备多种保护功能，如过载保护、最大占空比计数器保护、VCC钳位保护、禁用功能和热关断等。在出现故障时，PWM会在自动重启模式下禁用一段时间，然后在故障消除后恢复正常操作。

五、应用信息

1. 典型应用电路

VIPer11适用于多种拓扑结构的转换器设计，如反激式、降压式和降压 - 升压式转换器。文档中提供了多种典型应用电路的原理图，包括非隔离反激式转换器、带线路OVP的非隔离反激式转换器、隔离反激式转换器、初级侧调节隔离反激式转换器、降压式转换器和降压 - 升压式转换器等。这些原理图为工程师在实际设计中提供了参考。

2. 节能性能

通过对采用VIPer11的5 V/1.6 A非隔离反激式转换器和5 V/360 mA降压式转换器的测试，结果表明该器件能够实现较高的效率和较低的空载及轻载功耗。在不同的输入电压和负载条件下，转换器的效率和功耗都能满足节能要求。

3. 布局指南和设计建议

为了确保VIPer11的正常工作和性能，文档中提供了详细的PCB布局指南和设计建议。包括信号和功率走线的分离、敏感引脚的滤波、功率环路的限制、线长的缩短、走线的优化和散热设计等方面。遵循这些建议可以提高系统的抗干扰能力和稳定性。

六、总结

VIPer11作为一款高性能的节能型离线高压转换器，具有超宽的输入电压范围、丰富的保护功能、低功耗和良好的电磁兼容性等优点。它适用于多种低功率开关电源和适配器的设计，如家用电器、家庭自动化、工业、消费电子和照明等领域。电子工程师在设计相关电路时，可以充分利用VIPer11的这些特性，设计出更加高效、稳定和可靠的电源系统。你在使用类似的高压转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。