摘要： 機頂盒對其供電電源要求非常嚴格，一般需要采用效率高、體積小、重量輕、多路輸出型開關(guān)電源。詳細介紹了新一代高度集成的離線開關(guān)集成電路VIPer53的工作原理，討論了機頂盒對供電電源的要求。用VIPer53設計了一種5路輸出的30W機頂盒專用開關(guān)電源，實驗結(jié)果表明它具有較高的輸出電壓精度、負載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，還具有良好的電磁兼容性。
關(guān)鍵詞：機頂盒；開關(guān)電源：VIPer53

0 引言
    VIPer53是新一代高度集成的離線開關(guān)集成電路，采用ST公司的縱向智能功率專利技術(shù)(VlPower)，具有很高的集成度，內(nèi)置一個采用多重漏極網(wǎng)格工藝(MD—Mesh)的功率MOSFET，目標應用包括機頂盒、DVD影碟機、錄像機的電源變換器以及電視、PC機和旅行適配器內(nèi)的輔助電源。VIPer53采用片上系統(tǒng)，同一個封裝內(nèi)包含有系統(tǒng)的控制部分和功率MOSFET。這種新的封裝工藝滿足r所有的單片集成電路無法滿足的應用需求，特別是對那些功率要求不斷提高而專用熱設計成本控制愈加嚴格的電力變換器。本文采用VIPer53設汁了一種30W機頂盒專用開關(guān)電源，給出了設計方法和實驗結(jié)果。

1 VIPer53的工作原理
    VIPer53集成了增強型電流模式PWM控制器和一個高壓MD.Mesh功率MOSFET。VIPer53內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括開關(guān)電路一次側(cè)所需的全部模塊：控制部分包括該變換器啟動用高壓電流源、脈寬調(diào)制驅(qū)動器和各種保護功能，如過壓保護、熱關(guān)機、逐周限流和負載保護，功率MOSFET的最小擊穿電壓為620 V，通態(tài)電阻RDSFET在25％時為1Ω。引腳VDD為控制電路的電源，在啟動階段為外部相連的電容充電，包含4個闖值電壓。VDDcm為開啟電壓，典型值為11．5V:VDDoff為關(guān)機電壓，典型值為8．4V；VDDreg為原邊反饋工作的電壓起始點，精準15 V；VDDovp為過壓保護電壓，典型值為18V。引腳SOURCE為功率MOSFET的源級和電路參考地。引腳DRAIN為功率MOSFET的漏級，連接高頻變壓器的原邊繞組，在上電階段被內(nèi)部高壓電流源利用，為引腳VDD外部電容充電。引腳TOVL連接一個外部電容用于產(chǎn)生過載保護延時，引腳COMP上的電壓大于4 35 v時過載保護發(fā)生。引腳OSC通過外部連接的阻容網(wǎng)絡RT一CT定開關(guān)頻率。引腳COMP為電流模式結(jié)構(gòu)的輸入和內(nèi)部誤差放大器的輸出，允許通過外部無源網(wǎng)絡設定該SMPS的動態(tài)特性，可用的電壓范圍為O．5～4．5V。低于O．5 V時功率MOSFET關(guān)閉，高于4．35V時過壓保護發(fā)生，該動作延時時間長短由與引腳T0VL相連的定時電容大小決定。

    通過連接OSC引腳的電阻一電容網(wǎng)絡，可以從外部設置開關(guān)頻率，最高可以設定到300kHz。當開關(guān)電源上電時，位于漏極引腳和腳VDD之間的內(nèi)部高壓電流源為器件供電，并向一個連接VDD外部電容器充電。當VDD電壓達到電壓闖值VDDon時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，器件開始正常操作，由高頻變壓器輔助繞組繼續(xù)為VIPer53器件供電。

    VIPer53的反饋控制系統(tǒng)屬于電流控制，通過腳COMP實現(xiàn)系統(tǒng)功能。該控制是指將流經(jīng)功率MOSFET及回掃變壓器的電流與調(diào)節(jié)電路的輸出電壓產(chǎn)生的反饋信號進行比較，比較的結(jié)果決定確定MOSFET的導通時間。

    VIPer53的優(yōu)點首先是在空載條件下將能耗降低到近乎零，使電源制造商可以達到新的更加嚴格的生態(tài)標準，如“能源之星計劃”；其次，因為通態(tài)電阻RDS(on)低，功率變換效率明顯提高，而且無需使用散熱器，從而避免了制造成本的增加。典型情況下，DIP一8封裝可輸出功率30W，Power—SO一10封裝可輸出功率40W，使用電壓范圍為ACR5～265V。

    VlPer53的一個重要功能是指通過腳TOVL完成的過載延時。如果引腳COMP電壓超過4.35V，過載保護就會啟動，連接引腳TOVL的外部電容器就開始充電，同時MOSFET開始不斷地開關(guān)操作。在這個期間，漏極電流限制在1．6A。如果過載狀態(tài)維持不變，待TOVL電容電壓達到閾值電壓VOVLth,MOSFET關(guān)斷。此時，VDD電壓下降，當達到VDDoff閩值電壓時，內(nèi)部高壓電流源接通，則一個新的啟動周期開始。如果過載或短路狀態(tài)繼續(xù)存在，VIPer53將進入無休止的重啟序列。引腳TFOVL的外接電容充電時間為延時時間，該時間tOVL必須大于該開關(guān)電源的啟動時間tss因為這段時間內(nèi)輔助繞組無法向系統(tǒng)提供充足的電能。

2  機頂盒電源的要求

    在數(shù)字機頂盒的所有功能模塊中，從接收器、32位微處理器、不同偏壓的數(shù)字電路到周邊設備，以及輸入／輸出電路，都各有特定的電源電壓要求。數(shù)字機頂盒使用數(shù)字信號處理器(DSI，)和微處理器(MPU)并且支持嵌入式操作系統(tǒng)以滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用對高速運算和低功耗的要求。為了充分發(fā)揮動態(tài)電源管理能力，部分處理器內(nèi)部集成有一個片內(nèi)開關(guān)穩(wěn)壓器，它利用2．25～3．6V外接電源電壓可產(chǎn)生0．7～1．2 V可設置的內(nèi)核工作電壓，從而節(jié)省了外部電源元器件。在機頂盒供電中，除了+3 3V以及+5V輸出為數(shù)字信號處理器、微處理器等控制芯片組供電外，還需要+12V、+24V和+30V輸出，例如在新一代機頂盒中，很多外設如硬盤、DVD等，都需要+12V電源。對于機頂盒電源而言，由于輸出功率高，輸出路數(shù)多，而且由于線性穩(wěn)壓電源的效率低、適應電網(wǎng)電壓范圍窄，穩(wěn)壓性能差、笨重等，趨向于采用技術(shù)成熟的開關(guān)電源。

3  30W機頂盒開關(guān)電源高頻變壓器的設計
    一種5路輸出的機頂盒電源的技術(shù)指標如下：
    1)輸出3.3V／2A；
    2)輸出5.V／l A：
    3)輸出12V／100mA；
    4)輸出24V／500mA；
    5)輸出30V／50 rnA；
    6)總功率輸出接近30W。

    利用反激式開關(guān)電源的高頻變壓器一般設計方法或?qū)Ｓ玫?strong>VIPERSCOFT軟件設計機頂盒的高頻變壓器。輔助繞組用來提供15V工作電壓，由于與腳VDD相連的誤差放大器設定值為15V，因此副邊繞組的匝數(shù)必須通過副邊繞組與輔助繞組匝數(shù)比來建立。首先選定原級與電壓輸出最低的次級的匝比，Np／NoL，然后計算每匝電壓值V1,V1=(VOL十VD)／NoL,VD為二極管正向?qū)▔航?，PN結(jié)二極管取O．7V，肖特基二極管取O．4V。最終確立了一組高頻變壓器參數(shù)，如圖2所示。

    技術(shù)要求：磁芯為EE28立式，磁芯材料為PC40。變壓器經(jīng)過油浸處理，各個繞組之間的絕緣耐壓不低于AC 2500V，lmin；各層之間的絕緣電壓不低于AC 1500V，l min。所有線圈與外殼絕緣電壓不低于AC 2500V，lmin。

4 機頂盒開關(guān)電源的電路設計
    VIPer53與外圍器件以及整個變壓器輸入側(cè)與輸出側(cè)電路與參數(shù)如圖3所示。輔助繞組通過二極管DlD直接向VIPer53提供穩(wěn)定15V電壓。過載延時電路由腳TOVL外R2D”和C3D組成，器件參數(shù)確保了延時時間大于該開關(guān)電源的啟動時間。增強電流模式控制外圍電路由R3D、C4D與C5D構(gòu)成，能夠設置該開關(guān)電源的動態(tài)特性。

    輸入EMI濾波器采用共模線圈、共模和差模電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡，能夠同時濾除差模和共模干擾，見圖3所示的電源輸和入端。電源輸入端增加了一個NTC電阻，以便限制系統(tǒng)上電時涌流的幅值。高頻變壓器原級采用標準的RCD鉗位電路，也可以采用TRANSIL電路來降低待機損耗。電容ClE和C2F用于降低高頻變壓器的產(chǎn)生共模干擾。開關(guān)頻率為100kHz，通過電阻RlD和ClD—n設定。在待機和輕載時，內(nèi)置突發(fā)模式電路能夠跳過一些開關(guān)周期，降低等效的開關(guān)頻率。根據(jù)腳COMP的電壓大小，VIPer53提供一個雙值消隱時間，即電壓為0．5 V和lV時消隱時間為150 ns和400ns．

    本設計中負載功率和輸出電流最大的輸出為+3 3V、+5V和+24V輸出，鑒于24V為選用輸出，+3．3V與+5V輸出功率接近，因此主電壓反饋采用+3 3V和5V輸出。通過一個可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和一個光耦提供反饋電壓，光耦集電極的電壓可以確定BIPer53的峰值漏極電流，反饋比較電路跨接在TL431的陰極和參考引腳上。C6D與R5D為TL43l的頻率補償網(wǎng)絡。R7D、R8D和R9D為比例反饋電阻，使得+3．3V和+5V輸出按照一定的比例進行反饋，使得兩路輸出電壓的負載調(diào)整率均可達±5％。其余各路輸出均按照高頻變壓器的匝數(shù)比來決定．鑒于+3 3V、+5V和+24v輸出功率較大，都增加了后級Lc濾波器，以便減少紋波電壓。

5 實驗結(jié)果與分析
    在實驗室完成了對該機頂盒開關(guān)電源的制作和實驗，電路板尺寸為74mm×186mm。實測最小輸入交流電壓85V時的最大占空比為45%，額定輸入交流電壓220V時最大占空比為28%。電源輸入端連續(xù)傳導騷擾的準峰值和平均值曲線均符合EN55022CLASSB標準。交流220V供電時，輕載與滿載時輔助繞組提供的工作電源均為15V，最大工作電流20mA。輕載時+3．3V、+5V、+12V、+24V和+30V輸出平均值分別為3．48V、5.52V、14．0V、25．0V和30．8V,最大紋波電壓峰峰值小于20mV。滿載時分別輸出3．20V、5．20V、12．1V、23．1V和30．OV，最大紋波電壓峰峰值分別為175mV、150mV、250mV、80mV和80mV。滿載時+3．3V、+5V和+24V輸出的輸出電壓波形和對應的紋波電壓波形分別如陶4、圖5和圖6所示．功率M0SFET的集電極D與發(fā)射極S之間的電壓VCE如圖7所示，可見占空比為28％，小于50％，VCE峰值為540V，另外空載時VCE峰值為450V，均小于MOSFET的擊穿電壓620V。

6 結(jié)語
    本文在分析機頂盒對開關(guān)電源要求的基礎(chǔ)上，利用功率集成電路VIPer53給予了一種實現(xiàn)具有5路輸出，適用于通用交流輸入，具有良好的傳導EMI性能的電源。實驗表明利用VIPer53的機頂盒電源具有設計方便、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點，而且待機損耗小，無需額外散熱器，是一種理想的開關(guān)電源用功率IC。