DIP-8封裝單片高壓功率型開關電源模塊

1 VIPer22A器件功能簡介

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177240.htm

VIPer22A型單片式開關電源功率變換器的封裝形式為DIP-8：D—正端，即功率MOSFET的漏極，5p6p7p8腳(並聯)；S—負端，1p2腳（並聯），即是功率MOSFET的源極；UDD—自給電源端，也是晶片外自激電源端，4腳；FB—輸出電壓反饋端，3腳。封裝形式為8腳，實際只有4端，簡便好記，也易於制板，如圖1所示。

VIPer22A單片式開關電源功率變換器內部電路結構框圖示於圖2。由於器件正端和負端都通過較大電流，採用並聯方式以增大容量，在繪製印製板電路圖時，該兩端多製成較大面積的銅箔，並在焊裝VIPer22A器件時直接將器件底面壓貼在這大面積銅箔上，相當於加了一個小小散熱器。

該器件雖是DIP-8封裝，卻內置了高壓功率MOSFET，漏-源極的擊穿電壓可達730V以上，極限電流典型值為0.7A，通態電阻15Ω，輸入電壓在由85VAC～265VAC範圍內波動時，仍可輸出12W的功率。該器件還具有過流、過壓和過熱等帶遲滯特性的保護功能（詳見第3節），因此，其工作穩定可靠性能極好，可方便地採用市電供電，製作出多種規格的低壓小功率直流電源。只要變壓器等參數設計無誤，幾乎無需調試，連通電路就能正常投入運行。

2 採用VIPer22A器件製作的的12V開關電源整體電路工作原理

2.1 啟動簡述

應用單片開關電源變換器VIPer22A製作的的12V開關電源，其電原理圖如圖3所示。市電AC220V接通瞬間，通過高頻變壓器T1原邊繞組W1，VIPer22A變換器N1內的高壓電流源即投入運行，自動開啟晶片內部的自給電源UDD。功率MOSFET即投入工作，T1原邊繞組W1流過電流，該電流在變壓器磁芯中產生磁通，各繞組中出現感生電壓，其方向如同名端符號所示。輔助繞組W2中的感生電壓即通過整流管VD6向電容C9充電，C9並聯於UDD端電源上，UDD端就成了連續不斷的自激式直流電源，開始為晶片供電。至此，VIPer22A變換器就完成了啟動程序。

2.2 電流控制模式參與穩壓

2.2.1 電流反饋

VlPer22A啟動瞬間，PWM輸出脈衝電壓驅動功率MOSFET導通，變壓器T1初級流過迅速增大的電流ID。當電流達到極限值時，取樣電流IS在RS上的降壓將大於0．23v，過電流比較器輸出高電平，關閉驅動電路，功率MOSFET截止，負載電流回落。

2.2.2 電壓反饋轉換成電流反饋

當T1副邊繞組電壓建立之後，N1的FB端得到一個與W2繞組電壓成正比的反饋電流IFB，它與取樣電流IS疊加，在電阻RS上產生綜合電壓。綜合電壓開始作用於過電流比較器上，對PWM實施調整，從而穩定了輸出電壓。

2.2.3 電流反饋的優點

通常的電源晶片，其穩壓過程僅由反饋電壓控制,反饋取樣電流僅用於過流保護；而該晶片的穩壓過程既有反饋取樣電流，又有反饋電壓，源電壓效應極優，負載效應也優於沒有電流控制的開關電源，確保穩壓精度高於通常的電源晶片——既適用於市電波動大的場合，也適用於負載有波動的場合。電流反饋是直接顯現在取樣電阻RS上的，沒有經過二階電路，響應速度快，增益大，動態穩定性好，可靠程度高,兼具過流和短路保護功能,也宜於多個整機均流並聯運行。

2.2.4 實屬電流與電壓雙環控制的混合工作模式

通過以上敘述可看出，電流控制型PWM並非僅有電流控制，實際上是雙環控制。電流控制封裝在晶片內環，如圖2所示，無需在外部實施，主要應對源電壓（包括工頻整流電壓）波動和T1原邊電流波動。電壓控制則在外環，如圖3所示，反饋電壓通過N2和N3等元器件施加於晶片的反饋端FB，像普通電源晶片一樣，可以同時應對負載波動和源電壓波動。

2.3 自給電源加自激電源

值得一提的是，圖3所示的功率型開關電源中，沒有一般開關電源中那樣的輔助電源，當來自高壓電流源的UDD端電壓達到開啟電壓值Vdd（on）＝14.5V時，高壓電流源被關斷；當UDD端電壓降至為晶片關斷值Vdd（off）＜8V時，高壓電流源又自動開啟。UDD端先是N1內的自給電源起作用，功率MOSFET投入工作後，N1外的T1輔助繞組W2等構成的自激電源又並接於UDD端。就這樣，「自給」加「自激」，確保了N1的持續振蕩，但又不是通常所說的那種不太穩定的自激振蕩頻率，而是N1內穩定的他激振蕩頻率60kHz，獨樹起該集成電路的鮮明特性，故而電路結構簡練，穩定可靠程度高。輸出電壓反饋端FB的電壓範圍在0V～1V之間。

2.4 穩壓過程

2.4.1 單端反激式變換器的特點

圖3電路，在功率MOSFET導通瞬間，繞組W3同名端與W1相反，整流管VD7呈反向偏置狀態；功率MOSFET截止時，VD7導通，故稱此變換器為單端反激式變換器，也稱電感儲能式變換器—向電容C10和C12充電，即變壓器T1繞組有電感的作用，平波電感L1的數值在幾十µH即可滿足對紋波電壓的要求，甚至可以不用L1。單端反激式變換器的整流脈寬可超1／2周期，故在市電波動較大的場所仍能保有良好的電壓調整率。

2.4.2 源電壓波動時的穩壓過程

當市電AC220V出現波動時，T1原邊繞組W1中的的電流幅值也會相應變化，立即顯現到晶片內取樣電阻RS上，過電流比較器即調節PWM脈寬，相應調節輸出電壓。該過程在整個穩壓過程中，起著絕對主導作用。與此同時，集成可調基準穩壓器N3輸入端1腳的電壓相應變化，引起其輸出端3腳電壓反向的變化，再通過光耦N2使集成電源變換器N1的控制端3腳FB電壓，使N1內的功率MOSFET的柵極脈寬和輸出端電壓反向變化，從而將輸出電壓最大限度地恢復到外電壓波動前的數值上。即：源電壓的波動，得到電流控制工作模式的及時應對，內環控制的採樣電路置於過電流比較器反相輸入端，源電壓效應優於0.01％。外環的電壓控制工作模式也參與應對，其作用小於電流控制模式，響應速度也較低。

2.4.3 負載波動時的穩壓過程

（1） 負載波動時工頻整流濾波電壓相應波動

當市電電壓不變，負載波動時，電容C6上的電壓相應波動，圖2中RS上電壓相應變化，過電流比較器及之後環節及時實施脈寬調節，調節精度優於0.01%，即C6上的電壓變化時，輸出脈寬反向變化，確保圖3電路輸出電壓不變。這實際就是2.4.2條的電流控制的穩壓過程，VIPer22A型電源的負載調整率就有條件優於普通變換器型開關電源。

（2） 負載波動時高頻變壓器原邊繞組電流相應波動

當市電電壓不變，負載波動時，W1繞組電流相應波動，圖2中過電流比較器的同相輸入端電壓也相應變化，並及時調節脈寬，保有優於0.01％穩定精度。

（3） 負載波動時VIPer22A中功率MOSFET漏-源極間電壓隨之波動

負載波動所引起的變壓器原邊和功率MOSFET上漏-源極間（導通電阻為15Ω）的電壓降波動，必然引發取樣電阻RS上的電流和電壓波動，反饋到過電流比較器的反相輸入端，內環控制PWM,將影響降至最低，確保輸出電壓的穩定，調整精度優於0.01%。即VIPer22A內環的電流控制將變壓器副邊及副邊以前的電壓波動所產生的影響降至微乎其微。

（4） VIPer22A低負荷條件下的自動間歇工作模式也優化了負載調整率

該晶片另外還有低負荷條件下的自動間歇工作模式（見以下3．2．4），抑制了輕載時的輸出電壓上升。該電路的以上4個特點，是普通電壓控制型開關電源所沒有的，因此能確保其負載效應顯著優於普通電電壓控制型開關電源。

（5） 外環的電壓控制模式也參與穩定負載變化所引起的輸出電壓波動

與此同時，負載波動時，W3繞組及其輸出端電壓也有波動，所以處於晶片外環的電壓控制模式投入運行應對，以保持輸出電壓穩定，但精度與響應速度都劣於內環。

（6） VIPer22A負載效應優於電壓控制型開關電源，但仍劣於自身的源電壓效應

市電供電的變換器型開關穩壓器，其源電壓效應優於負載效應是一規律。VIPer22A電源負載效應雖優於普通變換器電壓控制型開關電源，但也劣於自身的源電壓效應，未超越這一規律。

3. 過熱、過流和過壓保護功能與自動重啟

3.1 過熱保護

圖3所示的開關穩壓電源，晶片N1中封裝著發熱的主要元件功率MOSFET和過熱保護環節，一旦晶片出現170℃高溫，保護環節輸出信號作用於RS觸發器，即截斷了功率MOSFET上的觸發脈衝，參見圖2。晶片關斷後，溫度逐漸下降，下降到40℃後，才能恢復運行，遲滯溫度為40℃。

3.2 過流保護

3.2.1 電流取樣的特點

通常的功率MOSFET電流取樣，都是在S極，全電流，耗損大；VIPer22A則在臨近S極的感應極取樣，其流過電阻RS的感應電流IS (如圖2所示)，正比於流過功率MOSFET的D極電流ID，IS／ID＝1／560，功耗甚微，這是該器件的另一大優點。

3.2.2 過流保護過程

當功率MOSFET電流ID增大到某一個數值時,電流取樣電阻上的電壓≥0.23V ，即

過電流比較器輸出高電平，通過前沿閉鎖電路和RS觸發器，將功率MOSFET柵極脈衝關閉，達到了過電流保護的目的。過電流過後，電路自動恢復運行。

3.2.3 無反饋時的過流保護過程

當FB端接地，也即無外環反饋時，輸出電壓增大，電流增大，漏極電流ID將比上節所述大，由圖2可知，相當於RS與R1並聯，阻值減小,流過功率MOSFET的D極的電流增大，達極限電流，即

但不會無限增大，最大是晶片的極限值0.7A。

3.2.4 低負荷條件下的自動間歇模式

當電源空載或是流過功率MOSFET的漏極電流小於或等於極限值的12％—約為85mA時，晶片N1會自動進入間歇工作狀態，既保證低負載時的正常運行，又可以降低整機功耗，安全係數也會更高。

3.3 過壓保護

當某種原因引起輸出電壓驟升，T1輔助繞組W2以及UDD端的電壓同比例上升，過壓比較器（參見圖2）上的同相端電壓若超過42V，即VDD≥42V，該比較器發生翻轉，在其後的RS觸發器作用下，功率MOSFET柵極觸發脈衝截止，停止輸出電壓。過電壓過後，電路自動恢復運行。

3.4 防止輸出過載p短路或過壓導致擊穿故障的打嗝（HICCUP）模式

當電源過載p短路或過壓時，VIPer22A器件保護動作，使佔空比減小，輸出電壓降低，UDD端電壓也跟著降低。當低到8V以下時，整個電路關閉，隨後靠內部高壓恆流源開始下一個間歇式啟動過程。該過程稱為「打嗝」式(hiccup)保護，工作時間很短，僅有xxμs,停止時間很長，周期約為260ms，因此平均功率極低，保護電源免於損壞。一旦故障排除，電源即投入正常運行，便於操作。不難理解，該工作模式隸屬於過流和過壓保護，是這兩種功能之外在表露，其周期與下面4.2.1節所述故障的間歇周期有相似之處。

3.5 欠壓鎖定

當電網電壓過低，或電源故障導致UDD端電壓低於8V時，晶片即停止輸出觸發脈寬，電源也就停止輸出；電網電壓回升，或電源故障排除後，UDD端電壓恢復到(8-14.5 )V範圍內時，自動恢復正常運行。

4．主要故障實例

4.1 直流輸出端電壓為零

4.1.1 電源變壓器原邊繞組斷路

由於變壓器功率小和輸入電壓高，原邊繞組導線就較細，線徑通常為0.2mm上下。若繞制工藝不完善，導線端頭在與骨架端子連接處較容易腐蝕或折斷。這樣的故障約佔電源總故障的15，變壓器內部的毀壞率卻為零。導致原邊繞組端頭斷路的原因有二。

（1） 漆包線與骨架接觸處出廠不久斷連

繞線工為新手，細漆包線端頭固定於骨架端子之後用較大拉力拉緊再繞線，使導線與骨架接觸處承受了較大預應力，故漆包線與骨架接觸處出廠不久斷連情況較多——繞線人人會繞，質量卻大相逕庭。

（2） 漆包線端頭被脫漆劑腐蝕斷掉

變壓器製作廠家為圖便捷，漆包線端頭上的漆膜往往採用漆包線脫漆劑來清除。漆膜清除之後，卻不清洗殘留在端頭上的的脫漆劑，脫漆劑與銅的化學反應也很強烈——其中含有硫酸成分，不久就會將漆包線端頭腐蝕到完全斷掉。這是必須引起變壓器廠家注意的。

4.1.2 電源變壓器副邊斷路

原因與3.1.1大致相同。

4.1.3 電源變換器模塊N2內部燒斷

這種採用VIPer22A器件製作的小功率直流電源，當供電電源端不接保護零線（PE）時，來自外界的意外高電壓將可能通過機箱作用於該直流電源電路上，致使N2器件和相關元件毀壞。當該電源僅作為大型電路的輔助電源應用時，尤其是作為高壓電源的輔助電源時，往往也會因為主電源使用上的問題，波及輔助電源。

因此，為保護該電源可靠安全運行，在市電輸入端加接保護零線（PE）是必要的。如今的市電配電線路，不論是工業用電還是居民用電，都是相線(L)p零線(N)和保護零線（PE）俱全的。實踐表明，當在電源端加接保護零線（PE）之後，VIPer22A器件具有極高的穩定可靠程度。

4.1.4 整流管VD7斷路斷

造成整流管VD7燒斷的原因有：① 焊裝前未檢測額定參數；② 變壓器磁隙未調整到位，導致輸出尖峰電壓較大，VD7管反向電壓超過或接近額定反向電壓，調試時又未發現。開關電源中，變壓器的製作和檢驗很重要。

4.2 直流輸出端電壓呈脈動狀，脈動幅值等於12V

正常情況下，接通電源瞬間，VIPer22A變換器內的高壓電流源投入運行，並自動啟動電源，當UDD端電壓達到開啟電壓值VDDON＝14.5V（典型值）時，高壓電流源被關斷，功率MOSFET投入工作，輔助繞組W2也即開始為晶片供電。至此，VIPer22A變換器完成啟動程序。

當輔助繞組W2迴路斷路，或UDD端對N2器件負端（1p2腳）短路時，僅靠變換器內的高壓電流源自動間歇性地啟動電源，UDD端上的電壓不能維持在（8—14.5）V範圍內，N1就會在低於8V以下的時候停止運行，所以輸出端電壓就呈現脈動狀，如圖4所示。之所以脈動幅值仍等於12V，就是因為除變壓器輔助繞組W2迴路斷路之外，輸出繞組W3及取樣電壓、基準電壓和光耦等環節依然運行正常，限制著輸出電壓的幅值。

變壓器輔助繞組W2迴路包括：輔助繞組本身；整流管VD6；電容器C9；相關的印製板銅箔連線。由此也可驗證前面工作原理所述的內容：VIPer22A變換器內的高壓電流源，僅僅是在接通市電AC220V瞬間，和UDD端電壓低至8V時，才投入運行，且有一定的工作周期；其它情況下則都處於關斷狀態。

5 結論

普通DIP-8封裝的單片式開關電源功率變換器模塊VIPer22A，內設電流控制PWM，有自給電源，開啟後，又自動加入自激電源；同時，還內置了730V／0.7A的功率MOSFET。電路結構精練，過熱p過流和過壓等保護功能齊全，穩壓精度高，響應速度快，穩定可靠程度高，適用於電網波動大和負載有變化的場合，也易於並聯運行。應用該集成電路製作的開關電源，像其它電子產品一樣，若能在裝焊p調試等工藝及使用中，規範以下事項：① 市電輸入端接好保護零線（PE），② 規範變壓器製作工藝，③ 穩定電子元器件進貨渠道，④ 增加工序間檢測，⑤ 整機進行滿功率測試考核，整機運行就會臻於完美無缺。