Vlper12A開關(guān)電源芯片在家用洗碗機控制器的應用
[導讀]由于開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功耗小，電路效率高。開關(guān)電源的種類很多，按調(diào)整管與負載的連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，串連開關(guān)穩(wěn)壓電路為降壓型電路，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路則是升壓型電路。其調(diào)制方式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制。這其中尤以PWM最為盛行，本文主要介紹PWM開關(guān)電源。
0 引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，家電控制器的小型化、輕便化和低成本要求使得電源也朝著輕便、小薄、以及高效的方向發(fā)展。雖然傳統(tǒng)的線性電源技術(shù)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，也具有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，而且穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠。但是，其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器和隔離單元，而且濾波器的體積和重量也很大，因而其電源效率很低，一般只有45％左右，很難滿足電子設備發(fā)展的要求。而開關(guān)電源由于不需要沉重的電源變壓器，且具有體積小、重量輕、輸入電壓范圍寬、效率高的優(yōu)點，同時，隨著開關(guān)電源的日趨高頻化，其體積也更加小巧，因此，開關(guān)電源在家電產(chǎn)品的應用前景也更加廣闊。
1開關(guān)電源的工作原理
開關(guān)型穩(wěn)壓電源通常采用功率半導體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓。由于開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功耗小，電路效率高。開關(guān)電源的種類很多，按調(diào)整管與負載的連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，串連開關(guān)穩(wěn)壓電路為降壓型電路，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路則是升壓型電路。其調(diào)制方式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制。這其中尤以PWM最為盛行，本文主要介紹PWM開關(guān)電源。
一般情況下，各種方式開關(guān)電源的工作原理基本相同，圖1所示為開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)方框圖。開關(guān)電源的工作原理主要是根據(jù)輸入電壓的高低和輸出電壓的變化，通過反饋電路來控制開關(guān)的占空比，以改變控制脈沖的寬度，并將輸入的電壓變換成脈沖信號，再經(jīng)脈沖變壓器變壓后加到輸出整流濾波電路，最后經(jīng)平滑濾波，產(chǎn)生與輸出脈沖寬度成比例的直流輸出電壓。
PWM控制過程一般是在保持調(diào)整管開關(guān)周期T不變的情況下，通過改變開關(guān)管的導通時間Ton來調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而達到穩(wěn)壓的目的。目前，很多廠家已經(jīng)推出了多種脈寬調(diào)制型開關(guān)電源的控制器芯片，他們大多都將開關(guān)管集成于芯片之中，且含有各種保護電路。
2 VIPER12A智能開關(guān)電源芯片
VIPer12A是一款采用VIPer系列做控制元件的低成本單片智能開關(guān)電源IC，其組件包括一個60 kHz的集成脈寬調(diào)制控制器和一個擊穿電壓為730 V的高壓功率MOSFET，VIPer12A具有智能增強調(diào)整功能，其內(nèi)置有保護控制單元，故其外部電路所需的元件數(shù)只有分立電路一半，因此，非常符合家電控制器的設計要求。
圖2所示是VIPerl2A的引腳排列圖，該器件有SO8和DIP8兩種封裝形式。各引腳的功能如下：
[!--empirenews.page--]SOURCE：源極引腳，為內(nèi)部MOSFET的源極端和電路參考地：
FB：反饋引腳，反饋輸入，用于擴展0～1 V反饋控制電壓范圍，同時限定MOSFET的漏極電流峰值；
VDD：電源引腳，用于給芯片內(nèi)部的控制電路提供電源，同時它也與漏極高壓電流源相連。為了保證電源更為可靠，其起動開啟閾值(典型值)應為14.5 V，并應在8 V時關(guān)閉；
DRAIN：漏極引腳，為高壓功率開關(guān)MOS-FET的漏極端，同時也可用于內(nèi)部高壓電流源和充電，其最高耐壓為730 V。
3 應用電路
圖3所示是利用VIPer12A做控制元件的一種洗衣機和洗碗機控制器中的開關(guān)電源電路。該電路通過耦合電感來實現(xiàn)兩路輸出的變換，其變換器是基于降壓型的BUCK電路。該電路采用離線模式工作，具有很寬的輸入電壓范圍(從80～285V的交流電壓)，可以提供Vout1為5 V，Vout2為24V的兩路輸出。兩路輸出都使用二極管來防止過壓，分別分別為圖中的VD04和VD05。
本電路的輸入部分包括一個電阻RO1、一個整流二極管VD01和一個濾波電容C01。其中電阻是為了防止電流過大而設的保護電阻。電容為濾波元件，利用它可在二極管導通時儲存一部分能量，然后再逐漸釋放出。濾波電容越大，濾波效果越好。但是，電容過大，二極管的發(fā)熱也越嚴重，由此，設計時應全方面綜合考慮。
輸出電感L是在同一個鐵氧體磁芯上繞有兩個耦合繞組的電感器，利用正確的匝比和耦合因子可以得到正確的輸出電壓，該電路中使用的是1.5 mH的電感。
反饋電路由穩(wěn)壓管DZ02、三極管G01、二極管VD03、電容C04以及電阻R02和R03組成。VIPer12A的啟動電壓是14.5 V，關(guān)閉電壓是8V。通電后，電路先對C03充電到14.5 V電壓，當達到Vdd的開啟電壓時，VIPer12A開始工作，MOS-FET開始開關(guān)動作。5 V和24 V輸出是通過變壓器的匝比得到的。當5 V輸出減小時，由于DZ02穩(wěn)壓管上的電壓不變，流過VD03的電流減小，從而使進入反饋引腳FB的電流減小。事實上，F(xiàn)B引腳對電流變化非常敏感，由此得到的反饋電壓也變小，進而使電路對開關(guān)占空比進行調(diào)整，并使之變大，最后將輸出電壓調(diào)整回來。FB與S間的電容C02用于提高整流性能，防止高頻干擾。C08與R04主要用來進行輸出濾波。
4結(jié)束語
經(jīng)過實際的應用與測試證明，該電路具有很高的穩(wěn)定性，而紋波只有20 mV，而且重量很輕，同時符合國際機構(gòu)的電磁干擾要求，是一種性能很好的開關(guān)電源。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，家電控制器的小型化、輕便化和低成本要求使得電源也朝著輕便、小薄、以及高效的方向發(fā)展。雖然傳統(tǒng)的線性電源技術(shù)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，也具有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，而且穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠。但是，其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器和隔離單元，而且濾波器的體積和重量也很大，因而其電源效率很低，一般只有45％左右，很難滿足電子設備發(fā)展的要求。而開關(guān)電源由于不需要沉重的電源變壓器，且具有體積小、重量輕、輸入電壓范圍寬、效率高的優(yōu)點，同時，隨著開關(guān)電源的日趨高頻化，其體積也更加小巧，因此，開關(guān)電源在家電產(chǎn)品的應用前景也更加廣闊。
1開關(guān)電源的工作原理
開關(guān)型穩(wěn)壓電源通常采用功率半導體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓。由于開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功耗小，電路效率高。開關(guān)電源的種類很多，按調(diào)整管與負載的連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，串連開關(guān)穩(wěn)壓電路為降壓型電路，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路則是升壓型電路。其調(diào)制方式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制。這其中尤以PWM最為盛行，本文主要介紹PWM開關(guān)電源。
一般情況下，各種方式開關(guān)電源的工作原理基本相同，圖1所示為開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)方框圖。開關(guān)電源的工作原理主要是根據(jù)輸入電壓的高低和輸出電壓的變化，通過反饋電路來控制開關(guān)的占空比，以改變控制脈沖的寬度，并將輸入的電壓變換成脈沖信號，再經(jīng)脈沖變壓器變壓后加到輸出整流濾波電路，最后經(jīng)平滑濾波，產(chǎn)生與輸出脈沖寬度成比例的直流輸出電壓。
PWM控制過程一般是在保持調(diào)整管開關(guān)周期T不變的情況下，通過改變開關(guān)管的導通時間Ton來調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而達到穩(wěn)壓的目的。目前，很多廠家已經(jīng)推出了多種脈寬調(diào)制型開關(guān)電源的控制器芯片，他們大多都將開關(guān)管集成于芯片之中，且含有各種保護電路。
2 VIPER12A智能開關(guān)電源芯片
VIPer12A是一款采用VIPer系列做控制元件的低成本單片智能開關(guān)電源IC，其組件包括一個60 kHz的集成脈寬調(diào)制控制器和一個擊穿電壓為730 V的高壓功率MOSFET，VIPer12A具有智能增強調(diào)整功能，其內(nèi)置有保護控制單元，故其外部電路所需的元件數(shù)只有分立電路一半，因此，非常符合家電控制器的設計要求。
圖2所示是VIPerl2A的引腳排列圖，該器件有SO8和DIP8兩種封裝形式。各引腳的功能如下：
[!--empirenews.page--]SOURCE：源極引腳，為內(nèi)部MOSFET的源極端和電路參考地：
FB：反饋引腳，反饋輸入，用于擴展0～1 V反饋控制電壓范圍，同時限定MOSFET的漏極電流峰值；
VDD：電源引腳，用于給芯片內(nèi)部的控制電路提供電源，同時它也與漏極高壓電流源相連。為了保證電源更為可靠，其起動開啟閾值(典型值)應為14.5 V，并應在8 V時關(guān)閉；
DRAIN：漏極引腳，為高壓功率開關(guān)MOS-FET的漏極端，同時也可用于內(nèi)部高壓電流源和充電，其最高耐壓為730 V。
3 應用電路
圖3所示是利用VIPer12A做控制元件的一種洗衣機和洗碗機控制器中的開關(guān)電源電路。該電路通過耦合電感來實現(xiàn)兩路輸出的變換，其變換器是基于降壓型的BUCK電路。該電路采用離線模式工作，具有很寬的輸入電壓范圍(從80～285V的交流電壓)，可以提供Vout1為5 V，Vout2為24V的兩路輸出。兩路輸出都使用二極管來防止過壓，分別分別為圖中的VD04和VD05。
本電路的輸入部分包括一個電阻RO1、一個整流二極管VD01和一個濾波電容C01。其中電阻是為了防止電流過大而設的保護電阻。電容為濾波元件，利用它可在二極管導通時儲存一部分能量，然后再逐漸釋放出。濾波電容越大，濾波效果越好。但是，電容過大，二極管的發(fā)熱也越嚴重，由此，設計時應全方面綜合考慮。
輸出電感L是在同一個鐵氧體磁芯上繞有兩個耦合繞組的電感器，利用正確的匝比和耦合因子可以得到正確的輸出電壓，該電路中使用的是1.5 mH的電感。
反饋電路由穩(wěn)壓管DZ02、三極管G01、二極管VD03、電容C04以及電阻R02和R03組成。VIPer12A的啟動電壓是14.5 V，關(guān)閉電壓是8V。通電后，電路先對C03充電到14.5 V電壓，當達到Vdd的開啟電壓時，VIPer12A開始工作，MOS-FET開始開關(guān)動作。5 V和24 V輸出是通過變壓器的匝比得到的。當5 V輸出減小時，由于DZ02穩(wěn)壓管上的電壓不變，流過VD03的電流減小，從而使進入反饋引腳FB的電流減小。事實上，F(xiàn)B引腳對電流變化非常敏感，由此得到的反饋電壓也變小，進而使電路對開關(guān)占空比進行調(diào)整，并使之變大，最后將輸出電壓調(diào)整回來。FB與S間的電容C02用于提高整流性能，防止高頻干擾。C08與R04主要用來進行輸出濾波。
4結(jié)束語
經(jīng)過實際的應用與測試證明，該電路具有很高的穩(wěn)定性，而紋波只有20 mV，而且重量很輕，同時符合國際機構(gòu)的電磁干擾要求，是一種性能很好的開關(guān)電源。
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