ST VIPower 系列电源

1、ST VIPower 系列电源(1)ST microelecotronics (意法半导体)是前身一家意大利国有半导体公司，因收购法国 Thomson (汤姆逊半导体)以后而变身的综合性半导体公司 VIPower 系列是 ST 在单片开关电源芯片市场主打的产品；本人很有幸在 2002 年初进行前期推广，并成功地将 VIPer12ADIP/VIPer22ADIP 推进了 充电器、电磁炉、VCD、DVD、DVB-S 的市场，同时本人前期也在国内科技刊物上发表过相应的应用文章 本次开空间，计划从 ST VIPer53DIP 这一颗芯片的特点及应用进行介绍；当然后续还会有其它特色的电源芯片进行介绍 欢

2、迎各位有兴趣在开关电源市场的工程师进行交流ST VIPer53DIP 采用两片 die 集成工艺，DIP-8 封装；内部 MOSFET 为 650V MD-MESH(多网格工艺) 输出功率等级：     宽范围（85265Vac） - 30 瓦（Watt）     窄范围（195265Vac）- 50 瓦（Watt） VIPer53 单片开关电源特点: 1. 外设开关工作频率,最高可达 300kHz 2. 电流型控制模式 3. 软起动及关断控制 4. 待机状态下自动进入跳周期模式 5. 延迟欠压保护 6. 内置高压

3、启动电流源;无需外接启动电阻 7. 过温保护 8. 过载及短路保护 9. 内部电流限定;无需外接限流电阻 备注： 1) 所谓多网格工艺，即采用 N 多个小的 MOSFET 进行串并联，从而大大降低 K = Rds(on)*Qg 2) Rds(on): 指 MOSFET 在导通状态下，通过恒定电流时的等效电阻值 3) Qg     : 指 MOSFET 在工艺集成时，G 极与 S 极之间的等效电容值应用实例：     以下是一款用于安防系统电磁锁控制的开关电源；呵呵 当然这不是最终的产品版，最终产品版上参数并没有变化

4、，仅是在同尺寸的 PCB Layout 上增加了接线端子和电源指示 电源规格：     输入：195265Vac (实做 85265Vac)     输出：12V/2A     频率：70kHz 图一：PCB 敷铜层图二：PCB 丝印层 此电源尺寸：80 X 55 ST VIPer53 周边有效元器件数：8 颗 PCB 中元器件功能初级侧元件CX101、L101 组成 EMC 网络D101、D102、D103、D104 四个二极管组成全桥整流电路E101 形成滤波电路R101

5、、C101、D105 形成 RCD 尖峰吸收网络(Snubber network)，用于吸收变压器原边的漏感尖峰D106、E102、R102 组成 ST VIPer53 辅助电源供电回路；R102 主要是用于调节给 VIPer53 的供电电压，方便在电源设计过程中辅助绕组的设计R103、C105 形成一个 RC 振荡网络，用于设定 ST VIPer53 在工作中的开关频率C103、R104、C104 三颗器件组成原边 一阶惯性 环节的补偿网络，因有一定的定向性，C104 可以考虑使用频响特性比较好的铝电解电容替代C102 是延时保护器件；当副边负载需要瞬时过流时，需要设定此器件的参数次级侧元件

6、D201 副边整流E201、L201、E202 三颗器件组成 CLC 低通滤波器，用于有效的输出平直电压和电流IC201 为副边反馈提供精确的基准电压IC201、C202 形成一个 一阶比例积分 环节的补偿网络R202、R204 两个电阻，形成副边输出电压的采样网络R205 提供给 IC201、IC102 的电源ST VIPer53 内部框图及管脚功能详解 1. COMP 补偿脚    副边反馈时，连接光耦；因内部接四个比较器，在实际工作中，需注意 4.35V、1V、0.5V 等电压状态； 2. OSC 振荡脚    通过外接阻容(R-C)网络来进行工作

7、频率(同时也是开关频率)的设定；电阻值需大于 2k，工作频率最大不得高于 300kHz 3/4. SOURCE 内部 MOSFET 源极    ST VIPer53DIP 作为 DIP-8 封装的芯片，主要是通过这两个脚与 PCB 上的敷铜连接进行散热；同时也有利于原边布版时单点接地(Kelvin 接法)    在芯片内部还有一检流部分用于 MOSFET 内部电流检测；Hcomp 与电流成正比关系，做到精确电流检测    MOSFET 通过电流能力(Idmax) 典型值：1.9A 5. DRAIN 内部 MOSFET 漏极  

8、;  MOSFET 最低耐压(Vds): 650V    同时此脚位也给内部高压电流源提供能量；当 Vds 电压高于 34V 时，内部高压电流源即开始进行工作模式，这样的设计有利于设计工程师们在低压状态下，就可以检测整个开关电源电路设计是否存在问题 6. N.C. 空脚    这样有利于设计工程师在布版过程中，很容易达到电气的安规要求；DRAIN 与 VDD 之间的距离，DRAIN 与 SOURCE 之间的距离 7. VDD 电源脚    此脚并不单单只是给 ST VIPer53 提供一个电源使用，其中还包含更多的功能在其中

9、；将在下一篇中进行更深入的讨论 8. TOVL 延迟保护脚    这个脚的主要功能是延迟短暂的过流或短路保护；目前市场上主流的终端设备均是储能性负荷，开机的瞬态均会处于一个大电流状态，对于这样的负荷，我们作为设计者并不希望一开机即进入过流保护(OCP)状态    如：打印机(Printer)、扫描仪(Scanner)、音响(Sound)、电机控制(Motor Control) 等等ST VIPer53  VDD 脚功能详解 VDD 脚功能在这颗芯片上是多功能复用的，如果简简单单地把它看成一个供电端就容易在应用中犯 N 多的错误。 在芯

10、片内部连接着四部分 1) 高压启动电流源    在输入电压高于 34V(最大 50V) 时，这部分开始给整个芯片提供能量，同时也给 VDD 脚上的电容进行充电；    2) 滞回比较器(俗称“窗口比较器”)    8.4V11.5V 的一个滞回比较器；即开机工作的第一周期，VDD 电压必须超过 11.5V，同时关闭高压启动电流源供电，才可能进入正常工作模式；而 VDD 电压必须低于 8.4V，芯片才会停止工作。    如果排除“补偿脚”、“过温”及输出侧故障状态下，电源处于不停的开机态，并伴有“嗒、嗒. .&quo

11、t; 有规律的声音；基本上可以判定 VDD 脚出现故障，故障原因：   a) VDD 绕组匝数太少，开机瞬间达不到 11.5V    b) VDD 脚上并接的电解电容容量太大或太小，致使电容中储存的能量不能有效地维持芯片供电    c) VDD 未有效电路连接，即虚焊或脱焊  3) 误差放大器    误差放大器的基准是 15V，这是一个副边反馈与原边反馈的一个参考值；   这也算是 ST VIPer53 的优点之一吧！对一些低成本方案(Low Cost Solution)可以

12、省去光耦、基准电源及输出回路电压采样   当 VDD 超过 15V 时，此误差放大器输出直接至 COMP 脚，形成原边反馈模式   4) 过压保护(OVP)比较器   当 VDD 电压超过 18V 时，此比较器输出高电平通过内部的或门将开关管打开，将 Blanking Time Selection 触发，使芯片进入 OVP 保护模式ST VIPer53  应用电路图 (未附参数)此电路图与第三章里 PCB 是相对应的，同时并非是低成本方案此电源板已经成功通过国内一大型通讯客户测试，稍后附产品图片及认证测试结果文件附

13、上一款 24W 批量生产机型图片 图一：电源板正面 图二：电源板背面图一中，那颗 DIP-8 封装的片子，即为 ST VIPer53DIP 室内环境下，电源满负荷状态运行 2 个小时以后实测 ST VIPer53DIP 温度才 60 左右；相应的裕量还很大开关电源的参数计算及元器件的选择(一) 设计实例：   输入电压： 85265Vac   输出电压： 12V   输出电流： 2.0A 设计步聚：   Step 1: 常规值设定      效率() - 80%  

14、    最大占空比(Dmax) - 0.45      开关频率(Fsw) - 70 kHz   Step 2: 初级峰值电流(Ipeak)      输出功率(Po) = 输出电压(Vo) × 输出电流(Io)                   = 12V × 2.

15、0A = 24 W      输入功率(Pi) = 输出功率(Po)/效率()                   = 24W/80%     = 30 W      输入最低直流电压(Vi_min) = 最低输入电压 × 1.4      

16、;            = 85Vac × 1.4 = 119Vdc      输入平均电流(Ip_av) = Pi/(Vi_min × Dmax)                   = 30W/(119V × 0.45) = 0.56

17、A      输入平均电流初级峰值电流(Ipeak) = 2 × Ip_av                   = 2 × 0.56A  = 1.12A   Step 3: 变压器原边电感量(Lp)      原边电感量(Lp) = Vi_min × Dmax /(Ipeak ×

18、; Fsw)                  = 119Vdc × 0.45 /(1.12A × 70k)                  = 683uH  取整：700uH开关电源的参数计算及元器件的选择(二) Step 4: 变压器

19、原边匝数(Np)计算 设计中选取了 EER28/28 的 CORE 来进行设计； 其磁芯有效面积(Ae): 81.4 m 工作磁感应强度变化(B): 0.2 导通时间(Ton) = 1 / 工作频率(Fsw) × 占空比(Dmax)               = 1 /(70 kHz) × 0.45  = 6.43 s 原边匝数(Np)  = 输入最低直流电压(Vi_min) × 导通

20、时间(Ton) /(工作磁感应强度变化(B) × 磁芯有效面积(Ae)               = Vi_min × Ton /(B × Ae)               = 119Vdc × 6.43 s/(0.2 × 81.4 m) = 47 匝 (已取整)

21、Step 5: 输出主路匝数(Ns)计算 输出电压(Vo): 12 Vdc 整流管压降(Vd): 0.7 Vdc 绕组压降(Vs): 0.5 Vdc 原边匝伏比(K) = Vi_min / Np               = 119 Vdc / 47 T = 2.53 输出匝数(Ns)  = (输出电压(Vo) + 整流管压降(Vd) + 绕组压降(Vs) / 原边匝伏比(K)     

22、0;         = (12 Vdc + 0.7Vdc + 0.5Vdc) / 2.53 = 6 匝 (已取整) Step 6: 辅助绕组匝数(Na)计算 因为 ST VIPer53DIP 副边反馈需低于 14.5 Vdc，故选取 12 Vdc 作为辅助电压；Na = 6 匝 备注：B 选取 0.2 是本人常选用的经验值；因远低于 1/2 Bsat，故在调试中不用考虑变压器原边磁饱合状态；          &#

23、160;  同时在调试中，一般气隙是采用垫马拉胶带方式来调节；在正常工作条件下，可以来调节原边电感量来提高电源的效率，以达到变压器定型的要求              马拉胶带正常厚度：0.2 m ；耐压等级 2500 Vac开关电源的参数计算及元器件的选择(三) Step 7: 变压器参数确定   Np = 47 T；     Ns = 6 T；    &

24、#160; Na = 6 T   Lp = 700 uH针对线径，根据经验选取： Np = 1 × 0.2；  Ns = 4 × 0.5；  Na = 1 × 0.2及编制变压器规格书：   BOBBIN : EER28L   CORE   : EER28/28   绕制方式(由内至外):  1/2 Np -> Ns -> 1/2 Np -> Na   绝缘要

25、求： 侧各 3mm 档墙，原副边 3 Layer 马拉胶带              原副边 3750 Vac  1min  <= 10mA 无击穿，无飞弧    Lp : 700uH ± 10%   漏感(Lp-leakage) :   35 uH   备注：  1) 一般来说工作频率 60kHz 以

26、上，60 W 以下；原边选用 0.2 是没有问题  2) 对于输出绕组，经验：0.5A / 0.5  3) 绝缘要求：档墙、铁氟笼套管、马拉胶带的层数等，这些不标注的话，变压器厂多数会偷工减料；  4) 对于经验不足的；还是多参考书，根据电流密度进行计算线径  5) 以上计算参数，在调试中还需要再确认开关电源的参数计算及元器件的选择(四)关于第七章中 R205 的值选取计算：我取值是 1k (没经过计算，根据经验选取的)下面讲一下其值的计算方法： 参考TL431 数据资料其中： sink current capab

27、ility ：1 to 100mA光耦原边压降(Vop) 0.3 Vdc (参考 发光二极管 压降)R205 = (Vo - Vop)/It     = (12 Vdc - 0.3 Vdc)/(1 100 mA)     = 117 11.7 k即 R205 的值在 117 11.7 k 之间进行选值；考虑有效性的话，两端点值不应选取备注：  1) 本设计选取 1k 是出于元器件的统一性进行考虑  2) 另外还需要考虑所选取光耦的相应参数  3) 后续我将

28、根据各位感兴趣的工程师进行插注开关电源的参数计算及元器件的选择(五) R103 与 C105 参数的选取： 这两个参数是用来确定 ST VIPer53 的开关频率，这个频率没有严格的计算公式；只能根据 参数表 提供的频率、电阻、电容关系表参考下图： 另一种更简便的方法就是直接用软件拉出来，电阻电容值就 OK 了，参考下图： 对于需要大功率输出时，建议频率可以设高一些，如： 150kHz (不过我没试过这个频率，最多就用到 100kHz，拉 36 W 的输出功率)；当然如果对 EMC 要求比较高的话，PCB Layout 的技巧还需提高的工程师，建议在 6080kHz 选择 备注：  

29、 1) 开关频率的上限不能超过 300 kHz；R103 的数值不能低于 2 k   2) VIPower 的设计软件可以从 ST 的网站上下载，也可以从我这里索取，完全免费，也无需注册   3)需要的话，可以通过 email 或 QQ 方式索取   Email: smile_zhaoQQ.com   QQ   : 434366036开关电源的参数计算及元器件的选择(六) E102 参数的选取：这个电解电容是用来提供给整个芯片内部全部结构运行所需的能量在芯片启动的第一个周期，是由芯片内

30、部的高压电流源在提供给芯片内部能量的同时，亦给此电解电容进行充电，在正常工作的下一个周期，内部高压电流源关断，改由VDD 绕组来运行E102 的值建议在： 22uF 100uF 之间进行选择选择原则：       电源功率在 15W 以下，选 22uF/35V       电源功率超过15W，选 47uF/35V此电容容值的大小直接会决定电源的动态功耗，有兴趣的工程师可以测试一下。备注：      很多工程师都跟我说

31、，VIPer53DIP 调试起来很容易炸片子。再仔细沟通以后，大部分设计者都直接参考VIPer Design Software里面的参数；         设计软件所得出的参数，只是提供一个参考，而这个功能强大的软件里唯一缺憾的就是这个电解电容的选取上，是有致命问题的开关电源的参数计算及元器件的选择(七) C102 参数的选取 这个参数是决定芯片对于过载保护的延迟时间 内部 8Vdc 通过一个125k的电阻，对外部电容进行充电，经典选值：104J63C103、C104 及 R104 参数的选取 这三个参数形成一个一

32、阶惯性环节：由 R104 与 C103 引入一个零点；由 R104 与 C104 引入一个极点 呵呵 太复杂些了，对于很多的工程师来说 VIPower 设计软件(VIPer Design Software) 提供了相应的分析功能：输入、功率及频率的增益、相位分析，有兴趣的工程师可以多参考 Datasheet 中的详解R102 参数的选取这个参数主要是用来调节至 VDD 上的电压，当然 VDD 电压设计 OK 的情况下，也可以省略这一电阻；此电阻建议选取值：10 100 VIPer53DIP 的布板技巧（一）对于上几篇的参数选取部分，暂告段落，如果有不明白的地方，我会再提出来详解 本节主要讲的是

33、针对 VIPer53 这种单片电源解决方案的 Layout 技巧，因为很多工程师认为反正芯片已经标称了相应的功率，做这些设计应该很 easy. 呵呵 其实象这种单片小功率的，还是有很多讲究的地方，个人觉得不会比复杂的大功率要求要低，除非是自己对自己的要求要低而已，到此打住，还是进入正题为主。 1.  散热考虑   VIPer53 是内建 PWM controller + 2A MOSFET，虽然我们外置 2A MOSFET 可以做很大功率，但往往都需要在 MOSFET 上加装散热片的 同样道理，作为 DIP8 封装的 VIPer53 来说，并不是希望外面

34、贴上一个散热片，而主要是靠我们在 Layout 时，通过 Pin3 与 Pin4 以及 Pin5 敷铜片来进行散热 对于Pin3 & Pin4 连接的地线来说，我们尽量的增加敷铜皮的面积，在可以保证单点接地的同时，也可以保证有效的散热 针对这些用于散热的敷铜皮来说，一般还需要增加网格状 Solder Layer(焊锡层) 技巧： Solder Layer 是当电源板进行波峰焊时，增加铜皮的厚度              网格状，目的是让在过波峰焊时，相应的锡面均匀，而

35、不希望出现垒锡，达不到散热的效果VIPer53DIP 的布板技巧（二）对于开关电源来说，还有很重要的一点就是 EMC 的考虑，如果我们能在 Layout 之前，就能做到防范的话，就会为后续的工作省下不少的钱及精力 2.  电磁兼容（EMC）考虑 RCD snubber circuit (RCD 吸收电路) 面积尽可能的小，同时距离变压器尽量的近；这样这部分产生的辐射会变得很小，而这一部分就相当于一个电磁波的发射区 因为去做一次 EMC 的测试相当的昂贵，我们对于辐射这一块有一简易的测试方法，就是用示波器的探针，去近距离的感应开关电源部分，如果在很短距离才能感应到相应的 Vd

36、s 波形，且幅值很低的话，基本上通过幅射的可能性就越大； 当然这种方法我们也可以判定出开关电源哪一部分的幅射源最强，以利于我们在测试之前做改正针对传导部分，我们关键是降低 di/dt 及 dv/dt；而这一部分主要是芯片的 DRAIN 极离变压器的距离，及整个功率回路的路径长度；再就是副边整流部分； 传导部分，曾经总结有没有简易的测试方法，只怪学识有限及比较愚笨，至今都没有一个较好的方法 如果能将以上部分都考虑全了以后，并实施；在 EMC 测试过程中，调整共模，差模及Y电容就很容易解决了VIPer53DIP 的布板技巧（三） 关于原副边及高压之间的尺寸问题 原副边的联结，我们除了变压器之外，还

37、有光耦及Y电容(又称杂散电容)，在这上面如果要达到隔离的要求，需要我们在PCB Layout 时要注意 通常原副边距离要求：净空距离 6 mm；蠕变距离 8 mm 有兴趣的，可以测一下光耦两边的距离刚好是 8 mm；当我们布板时，随便 Layout 一下，就有可能低于 6 mm；所以建议在光耦下面开一空气槽，这样就完全可以放心了 同时注意一点：正常光耦的隔离电压是 4kV5kV，所以当开关电源原副边的耐压要求如果超过的这些要求的话，需考虑采用原边反馈或隔离互感器反馈方式一般来说我们在变压器的骨架（BOBBIN）两侧都会各加 3mm 的档墙，以达到净空距离 6 mm 的规格，呵呵 这里还有漆包线

38、本身的绝缘耐压VIPer53DIP 的PCB 例子（DVB）又几天没继续写了，本来还有很多需要写的，结果一耽搁，思维就一下断了，不说了，先上一份参考 PCB 欣赏这个电源是针对机顶盒电源的方案，功率 30W 左右，带天线控制的；同时此方案也可以供高清(HD DVB)机顶盒，相对普通的 DVB-S 的方案功率要大一些电源的丝印层电源的底层VIPer53DIP 的调试篇（一）古人云：工欲善其事，必先利其器 调试所需的设备： 1)  调压器 2) 双通道 1kV 示波器(最好是可以带录波功能) 3) 万用表 4) 功率计 5) 电子负载 60V 15A 即可 6) 直流电源 7)

39、 LCR 电桥 8) 恒温焊台 9) 镊子 10) 剪钳 11) 绕线器(附多种骨架制具) 12) 1：1 隔离变压器 备注：当然这里面有一些设备并不是必需的，作为研发工程师来说，自己决定VIPer53DIP 的调试篇（二）设备的连接：一、主功率回路：交流输入(两芯<L、N> 或 三芯<L、N、P>) 接出接线板(OUTLET I)交流输入(两芯<L、N> 或 三芯<L、N、P>) 接至调压器(0265Vac)；再接功率计；引出至接线板(OUTLET II)，用于作为开关电源的交流输入接口二、测试功率回路：交流输入(两芯<L、N> 或

40、 三芯<L、N、P>) 经隔离变压器(1：1)引出导线至接线板(OUTLET III)以上部分基本上完成以后，接全部调试设备功率计、电子负载、直流电源、LCR 电桥、恒温焊台 的供电部分均接至 接线板(OUTLET I)开关电源的输入可接至 接线板(OUTLET II)示波器、万用表(外置电源) 的供电部分均接至 接线板(OUTLET III)备注：     1) 所有导线的接线部分，尽量保证无外露金属部分     2) 所有接线板最好保证每个单独的插座均有单独的开关控制  

41、0;  3) 调压器保证每次调试前均处于 0 Vac 位置     4) 恒温焊台保证每次开启前温度不要超过 200 ，同时烙铁头上喂满锡VIPer53DIP 的调试篇（三）当调试设备准备完成以后，即进入 ST VIPer53DIP 开关电源的正式调试阶段纯静态测试(不带电操作)1. 目测阶段       1) 检查开关电源板上全部的焊点及走线部分；主要看是否存在虚焊、脱焊或者粘连       2) 检查元器件；主要是针对方向

42、性的元件，看是否存在反向等问题2. 万用表测试阶段(调至测短路/二极管档位)       1) 测开关电源的输入端；看是否存在短路或阻值极小状态       2) 测开关电源的输出端；看是否存在短路或阻值极小状态       3) 测辅助绕组回路；       3. 经过上述测试以后，基本上可以进入带电测试状态了备注：      1) 对于万用表测试阶段，红黑表笔均应交叉测试；因为某些被测试回