基于VIPer28的5V/10W隔离反激式电源设计与测试

引言

在电子设备的电源设计中，我们常常会遇到需要应对负载峰值的情况，比如打印机和音频系统等。对于这类应用，设计一个能够在短时间内处理峰值功率，同时又能保证成本效益的电源至关重要。今天我们就来探讨一下基于STMicroelectronics的VIPer28设计的一款5V、2A，具备3.3A峰值电流能力（持续1.9秒）的隔离反激式电源。

文件下载：EVLVIPER28L-10W.pdf

适配器特性

电气规格

该演示板的电气规格如下：	参数	符号	值
输入电压范围	V IN	[90 V RMS ; 265 V RMS ]
输出电压	V OUT	5 V
最大输出电流	I OUTmax	2 A
峰值输出电流	I OUTpk	3 A
输出调节精度	Δ VOUT_LF	±5%
高频输出电压纹波	Δ VOUT_HF	50 mV
最大环境工作温度	T A	60 ° C

电路描述

电源采用反激式拓扑结构。输入部分包含保护元件（保险丝和用于浪涌电流限制的NTC）、用于EMC抑制的滤波器（C1、T2、C13）、二极管桥（BR1）和作为前端AC - DC转换器的电解大容量电容器（C3）。变压器使用标准的E25铁氧体磁芯，还采用了瞬态抑制二极管钳位网络来对漏感进行去磁。

上电时，DRAIN引脚为内部高压启动电流发生器供电，该发生器将C4电容器充电至 (V_{DDon }) 。此时，功率MOSFET开始开关，发生器关闭，IC由C4中存储的能量供电，直到辅助绕组电压足够高，通过D1和R1维持工作。

VIPer28的电流限制值由CONT和GND引脚之间的电阻R3决定，当R3值足够高时，电流限制值与数据手册中的默认值I (Dlim) 相同。该电阻与D2、R14和R15一起用于实现过压保护和前馈校正功能。

输出整流器D4选用功率肖特基类型，根据计算的最大反向电压、正向电压降和功率耗散进行选择。输出电压调节通过二次反馈实现，由TS431驱动光耦合器（PC817），确保初级和次级之间的必要绝缘。光晶体管直接驱动VIPer28的FB引脚，该引脚连接到由C6、C7和R12组成的补偿网络。

此外，在输出端添加了一个小的LC滤波器，以过滤高频纹波，同时不增加输出电容器的尺寸，并在输出连接器的焊点附近放置了一个100 nF的电容器，以限制尖峰幅度。

变压器

变压器的电气特性如下：	属性	值	测试条件
初级电感	1.5 mH ±15%	1 kHz测量
漏感	0.8% 标称值	10 kHz测量
初级到次级匝数比 (4 - 5)/(6,7 – 10,9)	12.85 ±5%	10 kHz测量
初级到辅助匝数比 (4 - 5)/(1 - 2)	5.29 ±5%	10 kHz测量
标称工作频率	60 kHz
标称/峰值功率	10 W/15 W
饱和电流	1 A	B SAT = 0.32T
绝缘	4 kV	初级到次级

变压器的尺寸、引脚排列和机械特性在相关附图中给出。

测试结果

典型波形

我们记录了不同输入电压和负载条件下的漏极电压和电流波形。在低输入电压满载和高输入电压峰值负载条件下，转换器工作在连续导通模式（CCM），这有助于降低初级侧（功率开关）和次级侧（输出二极管D4和输出电容器C9、C14）的均方根电流，从而减少功率耗散和功率元件的应力。

调节精度和输出电压纹波

不同线路和负载条件下的输出电压测量结果表明，输出电压不受线路条件的影响。同时，测量了 (V{DD}) 电压，以确保其在设备的工作范围内。为防止 (V{DD}) 电压超过其工作范围，使用了外部钳位（Dz、Rz）。

输出电压纹波的测量结果显示，该板配备的LC滤波器能有效过滤电压纹波。

突发模式和输出电压纹波

当负载很低，FB引脚电压低于内部阈值 (FBbm) （典型值0.6 V）时，VIPer28会被禁用。当FB电压再次上升到 (V_{FBbm}) 阈值以上100 mV时，设备重新开始开关，形成“突发模式”。这种模式在轻负载或无负载时能降低与频率相关的损耗，便于符合节能法规。

效率

根据ENERGY STAR®平均有源模式效率测试方法，在不同输入电压下，对满载以及75%、50%和25%满载的效率进行了测量。结果表明，该电源属于低电压电源类别，其效率高于ENERGY STAR®要求的73.37%。

轻负载性能

在无负载条件下，测量了不同输入电压下的输入功率，结果远低于ENERGY STAR®的要求。此外，还记录了输出负载为25 mW和50 mW时的输入功率和效率。

过载保护

VIPer28是一种电流模式转换器，通过逐周期增加或减少初级峰值电流来调节输出电压。当FB引脚电压达到 (V{FBIin}) （典型值3.5 V）时，漏极峰值电流达到最大值 (Ilim) 。如果负载功率需求超过转换器的功率能力，FB引脚电压超过 (V{FBIin}) ，设备会等待一定时间（由电容器C7的值决定）后关闭系统。

二次过流保护

VIPer28具有一级可调节的初级过流限制，当超过该限制时，功率MOSFET会关闭。此外，还有二级固定的初级过流保护，阈值为1.2 A（典型值）。如果漏极峰值电流超过该阈值，设备会进入警告状态，若再次超过，设备会停止PWM活动，直到 (V_{DD}) 引脚电压循环。

输出过压保护

在功率MOSFET关断期间，辅助绕组产生的电压通过变压器的辅助 - 次级匝数比跟踪转换器的输出电压。当CONT引脚电压连续四个开关周期超过内部 (VovP) 阈值（典型值3 V）时，控制器会识别出过压情况并关闭转换器。

EPT功能

VIPer28的EPT功能允许在有限时间内提供高于标称功率的额外功率，同时保持转换器的调节。当峰值漏极电流超过 (I{Dlim}) 值的85%时，连接在EPT和GND引脚之间的电容器 (C{EPT}) 会被内部5 µA电流逐周期充电。如果额外功率需求在EPT引脚电压达到 (V_{EPT(STOP)}) 阈值（典型值4 V）之前消失，电容器会以相同速率放电，系统继续正常工作；否则，转换器会关闭，电容器放电至零。

热测量

使用红外相机对电路板进行热分析，结果显示在90 (V_{AC}) 市电输入、满载条件下，各关键组件的温度在合理范围内。

EMI测量

进行了符合EN55022（B类）欧洲标准的预测试，结果表明该电路板的电磁干扰在可接受范围内。

电路板布局

提供了电路板的顶层和底层布局图，合理的布局有助于减少电磁干扰和提高电源的稳定性。

结论

这款基于VIPer28的隔离反激式电源适用于广泛的应用，可作为外部适配器或消费设备中的辅助电源。特别值得一提的是，它在轻负载条件下的输入功率非常低，效率性能也远高于ENERGY STAR®计划（版本2.0）对外部AC/DC适配器的要求。对于电子工程师来说，这款电源设计是一个值得参考的案例，你在实际应用中是否也遇到过类似的电源设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。