VIPER12A-E：低功耗离线开关电源初级开关器的详细解析

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的电源开关器至关重要。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的低功耗离线开关电源初级开关器——VIPER12A-E。

文件下载：viper12a-e.pdf

一、产品概述

VIPER12A-E将专用的电流模式PWM控制器与高压功率MOSFET集成在同一硅芯片上。它具有固定的60kHz开关频率，(V_{DD})电压范围为9V至38V，采用电流模式控制，还具备带迟滞的辅助欠压锁定、高压启动电流源以及过温、过流和过压保护并可自动重启等特性。

典型功率能力

• 欧洲（195 - 265 Vac）：SO - 8封装为8W，DIP - 8封装为13W。
• 欧洲（85 - 265 Vac）：SO - 8封装为5W，DIP - 8封装为8W。

典型应用

它适用于电池充电器适配器的离线电源、电视或显示器的待机电源、电机控制的辅助电源等。

二、电气数据

1. 最大额定值

对器件施加超过“绝对最大额定值”表中所列的应力可能会对器件造成永久性损坏。需要注意的是，这些只是应力额定值，并不意味着器件可以在这些或本规格书工作部分规定的任何其他条件下运行。长时间暴露在绝对最大额定值条件下可能会影响器件的可靠性。

符号	参数	值	单位
(V_{DS(sw)})	开关漏源电压（(T_J = 25 ... 125 °C)）	-0.3 ... 730	V
(V_{DS(st)})	启动漏源电压（(T_J = 25 ... 125 °C)）	-0.3 ... 400	V
(I_D)	连续漏极电流	内部限制	A
(V_{DD})	电源电压	0 ... 50	V
(I_{FB})	反馈电流	3	mA
(V_{ESD})	静电放电：机器模型（(R = 0 Ω ; C = 200 pF)）、充电设备模型	200、1.5	V、kV
(T_J)	结工作温度	内部限制	°C
(T_C)	外壳工作温度	-40 to 150	°C
(T_{stg})	储存温度	-55 to 150	°C

2. 热数据

在安装在标准单面FR4板上，且200 (mm^2)的铜（至少35µm厚）连接到所有漏极引脚的情况下，热阻数据如下：

符号	参数	SO - 8	DIP - 8	单位
(R_{thJC})	热阻结 - 壳（最大）	25	15	°C/W
(R_{thJA})	热阻环境 - 壳（最大）	55	45	°C/W

三、电气特性

1. 功率部分

符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(BV_{DSS})	漏源电压	(ID = 1 mA)；(V{FB}=2V)	730	-	-	V
(I_{DSS})	关态漏极电流	(V{DS}= 500V)；(V{FB}=2V)；(T =125°C)	-	-	0.1	mA
(r_{DS(on)})	静态漏源导通电阻	(I_D = 0.2A)；(T = 100°C)	27	30	54	Ω
(t_f)	下降时间	(ID = 0.1 A)；(V{IN} = 300 V)	-	100	-	ns
(t_r)	上升时间	(ID = 0.2A)；(V{IN} = 300 V)	-	50	-	ns
(C_{OSS})	漏极电容	(V_{DS}= 25V)	-	40	-	pF

2. 电源部分

符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(I_{DDch})	启动充电电流	(100V≤V{DS} ≤ 400 V)；(V{DD} = 0V ...V_{DDon})	-	-	1	mA
(I_{DDoff})	热关断时的启动充电电流	(V{DD} = 5V)；(V{DS} = 100V)；(TJ>T{SD}-T_{HYST})	0	-	-	mA
(I_{DD})	非开关时的工作电源电流	(I_{FB}=2mA)	3	5	-	mA
(I_{DD1})	开关时的工作电源电流	(I_{FB}=0.5 mA)；(I_D = 50 mA)	-	4.5	-	mA
(D_{RST})	重启占空比	-	-	16	-	%
(V_{DDoff})	(V_{DD})欠压关断阈值	-	7	8	9	V
(V_{DDon})	(V_{DD})启动阈值	-	13	14.5	16	V
(V_{DDhyst})	(V_{DD})阈值迟滞	-	5.8	6.5	7.2	V
(V_{DDovp})	(V_{DD})过压阈值	-	38	42	46	V

3. 振荡部分

符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(F_{OSC})	振荡器频率总变化	(V{DD} = V{DDoff} ... 35 V)；(T_J = 0 ... 100 °C)	54	60	66	kHz

4. PWM比较器部分

符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(G_{ID})	(I_{FB})到(I_D)电流增益	-	-	320	-	-
(I_{Dlim})	峰值电流限制	(V_{FB} = 0 V)	0.32	0.4	0.48	A
(I_{FBsd})	(I_{FB})关断电流	-	-	0.9	-	mA
(R_{FB})	FB引脚输入阻抗	(I_D = 0 mA)	-	1.2	-	kΩ
(t_d)	电流检测关断延迟	(I_D = 0.2 A)	-	200	-	ns
(t_b)	消隐时间	-	-	500	-	ns
(t_{ONmin})	最小导通时间	-	-	700	-	ns

5. 过温部分

符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(T_{SD})	热关断温度	-	140	170	-	°C
(T_{HYST})	热关断迟滞	-	-	40	-	°C

四、引脚连接与功能

1. 引脚连接

VIPER12A-E有SO - 8和DIP - 8两种封装，其引脚连接方式如下：

• SO - 8：引脚1、2、3、5、6、7、8为SOURCE或DRAIN，4为(V_{DD})，6为FB。
• DIP - 8：引脚1、2、3、5、6、7、8为SOURCE或DRAIN，4为(V_{DD})，6为FB。

2. 引脚功能

引脚名称	引脚功能
(V_{DD})	控制电路的电源。在启动期间，通过连接到漏极的高压电流源提供充电电流。迟滞比较器监控(V{DD})电压，提供两个阈值：(V{DDon})（典型值14.5V，器件开始开关并关闭启动电流源）和(V_{DDoff})（典型值8V，器件停止开关并打开启动电流源）。
SOURCE	功率MOSFET源极和电路接地参考。
DRAIN	功率MOSFET漏极。在启动阶段，内部高压电流源用于对外部(V_{DD})电容器充电。
FB	反馈输入。有用电压范围为0V至1V，定义漏极MOSFET峰值电流。当FB引脚短路到SOURCE引脚时，可获得对应于最大漏极电流的电流限制。

五、关键特性解析

1. 宽范围(V_{DD})电压

(V_{DD})引脚电压范围为9V至38V，这为设计提供了很大的灵活性。采用正向配置为器件供电有两个好处：一是器件开始开关后，能立即从辅助绕组获得能量，可减小(C_5)电容，使用100nF的小陶瓷芯片即可满足滤波功能，大大缩短了从输入电压开启到输出电压出现的总启动时间；二是即使输出电压非常低或为零，也能保持输出电流特性，因为TSM101也采用正向供电，无论输出电压如何，都能保持电流调节。

2. 反馈引脚工作原理

与传统的PWM控制电路使用电压输入不同，FB引脚对电流敏感。功率MOSFET提供与主电流(I_D)成比例的检测电流(I_S)，(R_2)接收该电流和来自FB引脚的电流，将(R2)两端的电压与约0.23V的固定参考电压进行比较。当(R{2} cdotleft(I{S}+I{FB}right)=0.23 V)时，MOSFET关断。通过推导可得(I{S}=frac{0.23 V}{R{2}}-I{FB})，再结合MOSFET的电流检测比(G{ID})，可得(I{D}=G{ID} cdot I{S}=G{ID} cdotleft(frac{0.23 V}{R{2}}-I{FB}right))。当FB引脚短路到地时可获得电流限制，但在实际应用中，由于使用光耦驱动FB引脚，很难真正将其短路到地。不过，电容(C)对FB引脚电压进行平均，当光耦关闭（启动或短路）时，可假设相应电压非常接近0V。对于低漏极电流，只要(I{FB}{FBsd})，上述公式就有效，当(I_{FB})超过该阈值时，器件将停止开关。

3. 启动序列

器件包含连接在漏极的高压启动电流源。当转换器输入施加电压后，只要(V{DD})低于(V{DDon})，启动电流源就会激活。当达到(V{DDon})时，启动电流源关闭，器件开始通过开关主功率MOSFET进行工作。由于FB引脚在启动时未从光耦接收电流，器件以满电流容量运行，输出电压上升，直到达到调节点，此时次级回路开始向光耦发送电流，转换器进入调节运行状态。需要注意的是，如果(V{DD})电容器的值太小，启动阶段可能在从辅助绕组获得能量之前就结束，导致转换器无法启动。

4. 过压阈值

(V{DD})引脚上的过压检测器可使VIPER12A在(V{DD})超过(V{DDovp})时复位。该事件仅在(V{DD})达到(V_{DDoff})所需的时间内被锁存，之后器件自动恢复正常运行。

六、总结

VIPER12A-E凭借其集成化的设计、丰富的保护功能以及宽范围的电压适应能力，在离线电源设计领域具有很大的优势。电子工程师在设计电池充电器适配器、待机电源等应用时，可充分考虑其各项特性，合理利用其优势，以实现高效、稳定的电源设计。同时，在实际应用中，还需根据具体的设计需求，仔细分析其电气特性和引脚功能，确保设计的可靠性和稳定性。大家在使用VIPER12A-E进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。