VIPER28：高性能高压转换器的设计与应用解析

在电子工程师的日常设计工作中，选择一款性能优越、功能丰富的高压转换器至关重要。今天，我们就来深入探讨一下意法半导体（ST）推出的VIPER28，它是一款集高性能、低功耗和多种保护功能于一身的高压转换器，能满足众多应用场景的需求。

文件下载：viper28.pdf

一、VIPER28概述

VIPER28是一款智能集成了800V耐用功率MOSFET与PWM电流模式控制的高压转换器。它具有超低的功耗，在轻负载下以突发模式运行，能够轻松满足更严格的节能标准。此外，该器件还配备了可调节的额外功率定时器（EPT），使其能够在过载条件下持续工作数秒。它还集成了HV启动、检测FET和带有抖动的振荡器，大大减少了应用中的组件数量。同时，它具备高级保护功能，如双级过流保护（OCP）、输出过压保护、短路保护和带滞后的热关断保护，并且在故障条件消除后能够自动重启。

二、产品特性与优势

2.1 强大的功率MOSFET与控制功能

• 采用800V雪崩耐用功率MOSFET，可实现超宽范围的交流输入电压 (V_{ac})，确保在不同电压环境下稳定工作。
• 内置HV启动和检测FET，配合PWM电流模式控制器，实现高效的功率转换。

  2.2 灵活的过流保护

• 具备可选阈值的OCP（(I{Dlim})）和更高值的二级OCP（(I{DMAX})），有效保护IC免受变压器饱和或次级二极管短路的影响。

  2.3 低功耗设计

• 在230V (V_{ac}) 下，无负载功耗仅为30mW，显著降低了能源消耗。

  2.4 可调节的工作频率

• 提供两种工作频率：60kHz（L型）或115kHz（H型），并且抖动频率可降低电磁干扰（EMI）。

  2.5 额外功率管理

• 额外功率定时器（EPT）可在数秒内屏蔽过载电流，增强了设备在过载情况下的稳定性。

  2.6 全面的保护功能

• 输出过压保护具有严格的容差和数字噪声滤波器，软启动功能可减少启动时的应力，延长IC使用寿命。
• 热关断功能提高了系统的可靠性和IC的使用寿命，并且在故障条件下能够自动重启。

三、应用领域

VIPER28的应用范围广泛，适用于以下领域：

• 消费和家用设备的辅助电源：为各种家电产品提供稳定的电源支持。
• 电表和数据集中器的电源：满足这些设备对高精度、低功耗电源的需求。
• AC - DC适配器：为各类电子设备提供高效的电源转换。

四、产品规格与参数

4.1 封装与订购代码

VIPER28提供多种封装形式，包括DIP - 7和SO16窄封装，具体订购代码如下表所示：	订购代码	封装	包装形式
VIPER28LN / VIPER28HN	DIP - 7	管装
VIPER28HD / VIPER28LD	SO16窄	-
VIPER28HDTR / VIPER28LDTR	-	卷带包装

4.2 典型功率

在不同的交流输入电压和应用场景下，VIPER28的典型功率如下表所示：	标称功率	230VAC		85 - 265VAC
	适配器(1)	开放式框架(2)	适配器(1)	开放式框架(2)
VIPER28xD/xN	13W	16W	10W	12W
	22W（峰值）(3)	26W（峰值）(3)	17W（峰值）(3)	20W（峰值）(3)

注：

1. 在50°C环境温度下，在非通风封闭适配器中测量的典型连续功率。
2. 在50°C环境温度下，开放式框架设计中具有足够散热的最大实际连续功率。
3. 在50°C环境温度下，具有足够散热的最大实际峰值功率，持续时间最长为2秒。

4.3 引脚设置与功能

VIPER28的引脚设置和功能如下表所示：	SO16N	名称	功能
1, 2	GND	代表设备接地和功率部分的源极
3	N.C.	未连接
4	N.A.	用户不可用，机械连接到框架的控制器管芯焊盘，建议连接到GND以提高抗噪性
5	VDD	控制部分的电源电压，在启动时为外部电容器提供充电电流
6	CONT	控制引脚，可选择电流限制设定点调整和输出电压监控功能
7	FB	占空比控制的控制输入，内部电流发生器为环路调节提供偏置电流
8	EPT	允许连接外部电容器进行额外功率管理，若不使用则连接到GND
9...12	N.C.	未连接
13...16	DRAIN	高压漏极引脚，内置高压开关启动偏置电流也从此引脚获取，连接到金属框架以促进散热

4.4 电气特性

VIPER28的电气特性涵盖了功率部分、电源部分、控制器部分等多个方面，具体参数可参考文档中的详细表格。例如，功率部分的击穿电压 (V{BVDSS}) 最小为800V，OFF状态漏极电流 (I{OFF}) 最大为60µA；电源部分的启动充电电流 (I_{DDch1}) 典型值为 - 3mA等。

五、典型电路与应用设计

5.1 基本反激式应用电路

基本反激式应用电路是VIPER28常见的应用形式之一，它通过输入交流电压，经过一系列的电容、电阻和变压器等元件，最终输出直流电压。在这个电路中，VIPER28作为核心控制器，通过PWM逻辑控制功率MOSFET的开关，实现功率转换。

5.2 全功能反激式应用电路

全功能反激式应用电路在基本反激式应用电路的基础上，增加了更多的功能模块，如额外功率定时器（EPT）、输出过压保护等。通过合理设置电路中的电阻、电容等元件参数，可以实现对输出电压、电流的精确控制和保护。

六、工作原理与操作模式

6.1 功率部分与栅极驱动器

功率部分采用雪崩耐用的N沟道MOSFET，确保在指定能量额定值内安全运行，并具有高dv/dt能力。栅极驱动器在开启和关闭时提供受控的栅极电流，以最小化共模EMI。在欠压锁定（UVLO）条件下，内部下拉电路将栅极保持在低电平，防止功率部分意外开启。

6.2 高压启动发生器

HV电流发生器通过DRAIN引脚供电，仅当输入大容量电容器电压高于 (V_{DRAINSTART}) 阈值（典型值为80V DC）时才启用。启动时，(I{DDch1}) 电流（典型值为3mA）被输送到 (V{DD}) 引脚的电容器；在故障自动重启模式下，电流降低到 (I{DDch2})（典型值为0.6mA），以实现缓慢的占空比。

6.3 上电与软启动

当输入电压上升到设备启动阈值 (V_{DRAINSTART}) 时，(V{DD}) 电压由于内部高压启动电路的 (I{DDch1}) 电流开始上升。当 (V{DD}) 电压达到 (V{DDon}) 阈值时，功率MOSFET开始开关，HV电流发生器关闭。在自供电电路（通常是变压器的辅助绕组和转向二极管）产生足够高的电压之前，IC由 (V{DD}) 引脚的电容器 (C_{VDD}) 存储的能量供电。软启动功能在转换器启动时逐渐增加漏极电流限制，减少对次级二极管的应力，防止变压器饱和。

6.4 掉电与自动重启

当转换器掉电时，随着输入电压下降，系统失去调节能力，当 (V{DD}) 电压低于 (V{DDoff}) 阈值时，功率MOSFET关闭，能量传输中断，启动序列被禁止，完成掉电过程。当发生故障时，IC停止工作，(V{DD}) 电压下降，当 (V{DD}) 电压低于 (V{DD(RESTART)}) 阈值且DC输入电压高于 (V{DRAINSTART}) 阈值时，内部HV电流源开启，为 (C{VDD}) 电容器充电，当 (V{DD}) 电压达到 (V{DDon}) 阈值时，IC重启。

6.5 振荡器与电流模式转换

开关频率内部固定为60kHz或115kHz，并通过约 ± 4kHz（60kHz版本）或 ± 8kHz（115kHz版本）以250Hz（典型）的速率进行调制，实现扩频操作，减少谐波干扰。设备采用电流模式转换，通过检测漏极电流并转换为电压，与反馈引脚电压进行比较，实现对功率MOSFET开关的控制。电流限制设定点可通过连接到CONT引脚的 (R_{LIM}) 电阻进行调整。

6.6 过压保护与CONT引脚功能

设备通过监测功率MOSFET关断期间的 (V{CONT}) 电压来实现输出过压保护。当 (V{CONT}) 电压连续四次超过参考电压 (V{OVP}) 时，过压保护将停止功率MOSFET，转换器进入自动重启模式。为了避免噪声干扰，(V{CONT}) 电压在 (T_{STROBE}) 时间后的短窗口内进行采样。CONT引脚还可用于降低OCP设定点，通过连接外部电阻到地来降低逐周期电流限制的默认值。

6.7 反馈与过载保护

反馈引脚控制PWM操作、突发模式和过载保护。当反馈引脚电压在 (V{FBbm}) 和 (V{FBIlin}) 之间时，通过比较漏极电流转换的电压和反馈引脚电压，控制功率MOSFET的开关。当反馈引脚电压达到 (V{FBIin}) 时，内部电流发生器开始为反馈电容器充电，当反馈电压达到 (V{FBolp}) 阈值时，转换器关闭并启动自动重启。过载延迟时间可通过 (C{FB}) 或 (C{FB1}) 电容器进行设置。

6.8 突发模式操作

在无负载或非常轻负载时，当反馈引脚电压低于突发模式阈值 (V{FBbm}) 时，功率MOSFET停止开关；当反馈引脚电压超过 (V{FBbm}+V{FBbmhys}) 时，功率MOSFET再次开始开关。这种突发模式操作可以降低平均开关频率，减少与频率相关的损耗。为了防止可听噪声，突发模式下的漏极电流峰值被钳位到 (I{D_BM}) 水平。

6.9 额外功率定时器（EPT）与二级过流保护

额外功率定时器（EPT）通过连接到EPT引脚的电容器 (C{EPT}) 设置消隐时间，允许在该时间内存在过载电流。当漏极电流达到 (I{DLIMEPT}) 阈值时，EPT启动，充电电流为 (I{EPT})。如果在EPT电压达到 (V{EPT(STOP)}) 之前漏极电流下降到 (I{DLIMEPT}) 以下，IC继续正常工作；否则，IC停止并自动重启。二级过流保护用于保护设备免受次级整流器短路、次级绕组短路或反激变压器硬饱和的影响。当漏极电流超过 (I{DMAX}) 阈值时，经过一定的判断逻辑，若确认是故障，则关闭功率MOSFET，设备进入自动重启模式，实现低频率间歇操作（打嗝模式），降低功率电路的应力。

七、总结与建议

VIPER28以其丰富的功能、高性能和低功耗等优点，成为电子工程师在设计高压转换器时的理想选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的应用场景和需求，合理选择封装形式、设置引脚参数、设计电路布局等。同时，要充分利用其各种保护功能，确保设备的可靠性和稳定性。在设计过程中，还需要注意对电路中的关键参数进行精确计算和调整，如 (C{VDD}) 电容器的大小、(R{LIM}) 和 (R_{OVP}) 电阻的取值等。希望本文能够为电子工程师在使用VIPER28进行设计时提供一些有价值的参考和帮助。大家在使用VIPER28的过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。