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基于ST VIPer37的5V及12V雙輸出Open Frame 通用15W電源方案

來源: 電路城
2021-11-24
類別:電源管理
eye 3
文章創(chuàng)建人 拍明

原標(biāo)題:基于ST VIPer37的5V及12V雙輸出Open Frame 通用15W電源方案

基于ST VIPer37的5V及12V雙輸出Open Frame通用15W電源方案深度解析

隨著消費電子、工業(yè)控制及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對電源小型化、高效率及高可靠性的需求日益增長,基于ST VIPer37的15W雙輸出電源方案憑借其集成化設(shè)計、低待機功耗及優(yōu)異的保護功能,成為小功率電源設(shè)計的優(yōu)選方案。本文將詳細(xì)解析該方案的核心元器件選型、功能實現(xiàn)及技術(shù)優(yōu)勢,為工程師提供完整的開發(fā)指南。

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一、ST VIPer37核心特性與選型依據(jù)

ST VIPer37是意法半導(dǎo)體(ST)推出的一款高集成度隔離型反激式控制器,專為小功率電源設(shè)計,支持寬輸入電壓范圍及雙輸出應(yīng)用。其核心特性包括:

1.1 高集成度設(shè)計

  • 內(nèi)置800V功率MOSFET:VIPer37集成了耐壓800V的功率MOSFET,可承受電網(wǎng)電壓波動及雷擊浪涌沖擊,減少外部分立元件數(shù)量,簡化設(shè)計并提升可靠性。

  • PWM控制器與保護功能集成:內(nèi)置電流模式PWM控制器、過壓保護(OVP)、過載保護(OLP)及兩級過流保護(OCP),支持欠壓鎖定(UVLO)及遲滯熱保護,降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

1.2 高效能與低待機功耗

  • 突發(fā)模式操作:在輕載或待機狀態(tài)下,VIPer37自動進入突發(fā)模式,降低開關(guān)頻率,減少開關(guān)損耗,使待機功耗低于40mW,滿足能源之星(Energy Star)及歐盟CoC V5標(biāo)準(zhǔn)。

  • 高頻抖動功能:通過高頻抖動技術(shù),降低EMI濾波器設(shè)計難度,減少外部元件數(shù)量,降低系統(tǒng)成本。

1.3 寬輸入電壓范圍與高可靠性

  • 輸入電壓范圍:支持90Vac至264Vac寬輸入電壓范圍,適應(yīng)全球電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),適用于消費電子、工業(yè)設(shè)備及智能家居等場景。

  • 高可靠性設(shè)計:內(nèi)置軟啟動功能,減少啟動時的電流沖擊;支持故障后的安全自動重啟,提升系統(tǒng)抗干擾能力。

1.4 選型依據(jù)

  • 功率匹配:VIPer37支持15W輸出功率,滿足無葉風(fēng)扇控制板、智能家電及工業(yè)傳感器等低功耗設(shè)備的需求。

  • 成本優(yōu)勢:相比分立式方案,VIPer37可減少外接元件數(shù)量達20個以上,降低BOM成本約30%,同時縮短開發(fā)周期。

  • 認(rèn)證支持:模塊內(nèi)置多種保護功能,符合UL、CE及RoHS等國際安全標(biāo)準(zhǔn),加速產(chǎn)品認(rèn)證流程。

二、15W雙輸出電源系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

基于VIPer37的15W雙輸出電源方案由輸入濾波、功率轉(zhuǎn)換、輸出整流濾波及反饋控制四部分構(gòu)成,實現(xiàn)5V及12V雙輸出,滿足不同負(fù)載需求。

2.1 輸入濾波模塊

2.1.1 共模電感與X/Y電容

  • 元器件選型

    • 共模電感:TDK B82793系列,電感量10mH,抑制共模噪聲。

    • X電容:0.22μF/275Vac,跨接于L/N線之間,濾除差模噪聲。

    • Y電容:2200pF/2000V,連接L/N線與地,抑制共模噪聲。

  • 選型依據(jù)

    • 噪聲抑制:共模電感與X/Y電容組合可降低傳導(dǎo)噪聲至EN 55032 Class B標(biāo)準(zhǔn)以下,簡化EMC設(shè)計。

    • 安全認(rèn)證:X/Y電容通過UL認(rèn)證,耐壓等級滿足275Vac/2000Vdc要求,確保系統(tǒng)安全性。

2.1.2 浪涌保護

  • 元器件選型

    • 壓敏電阻:471KD10(470V/10A),并聯(lián)于輸入端,吸收雷擊浪涌能量。

  • 選型依據(jù)

    • 響應(yīng)速度:壓敏電阻響應(yīng)時間<500ns,可快速鉗位瞬態(tài)高壓,保護后級電路。

    • 能量吸收:471KD10可吸收最大6.5kJ的浪涌能量,適應(yīng)惡劣電網(wǎng)環(huán)境。

2.2 功率轉(zhuǎn)換模塊

2.2.1 VIPer37控制器

  • 作用:作為反激式電源的核心,控制功率MOSFET的開關(guān)動作,實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換與輸出調(diào)節(jié)。

  • 功能實現(xiàn)

    • PWM調(diào)制:通過電流模式控制,實現(xiàn)高精度輸出電壓調(diào)節(jié),負(fù)載調(diào)整率<±1.5%。

    • 保護機制:當(dāng)檢測到過壓、過載或過流時,自動關(guān)閉MOSFET輸出,防止模塊損壞。

2.2.2 高頻變壓器

  • 元器件選型

    • 磁芯材料:PC40鐵氧體磁芯,高導(dǎo)磁率、低損耗。

    • 匝數(shù)比:初級繞組Np=60T,次級繞組Ns1=10T(5V輸出)、Ns2=20T(12V輸出),輔助繞組Na=8T(為VIPer37供電)。

  • 選型依據(jù)

    • 效率優(yōu)化:PC40磁芯在100kHz頻率下?lián)p耗較傳統(tǒng)材料降低30%,提升系統(tǒng)效率至80%以上。

    • 漏感控制:通過三明治繞法減少漏感至<1%,降低尖峰電壓對MOSFET的應(yīng)力。

2.3 輸出整流濾波模塊

2.3.1 整流二極管

  • 元器件選型

    • 5V輸出:MBR1045(肖特基二極管,45V/10A),正向壓降<0.5V,降低導(dǎo)通損耗。

    • 12V輸出:STTH12R06D(超快恢復(fù)二極管,600V/12A),反向恢復(fù)時間<35ns,減少高頻損耗。

  • 選型依據(jù)

    • 效率提升:肖特基二極管在5V輸出下效率較快恢復(fù)二極管提升5%,超快恢復(fù)二極管在12V輸出下減少開關(guān)損耗。

    • 熱設(shè)計:二極管采用TO-220封裝,散熱片面積大,適應(yīng)高溫環(huán)境。

2.3.2 輸出濾波電容

  • 元器件選型

    • 5V輸出:Nichicon PL系列電解電容,470μF/16V,低ESR(<50mΩ),減少輸出紋波。

    • 12V輸出:Rubycon YXG系列電解電容,220μF/25V,耐高溫105℃,壽命長。

  • 選型依據(jù)

    • 紋波抑制:低ESR電容可降低輸出紋波至<100mV(20MHz帶寬),滿足數(shù)字電路供電要求。

    • 壽命優(yōu)化:高溫電解電容在85℃環(huán)境下壽命達10000小時,適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用需求。

2.4 反饋控制模塊

2.4.1 光耦隔離與TL431

  • 元器件選型

    • 光耦:PC817(CTR=80%-160%),實現(xiàn)初級與次級電路的電氣隔離。

    • TL431:可編程精密基準(zhǔn)源,基準(zhǔn)電壓2.5V,動態(tài)阻抗<0.2Ω。

  • 功能實現(xiàn)

    • 電壓采樣:通過R6、R7分壓電阻采集輸出電壓,與TL431基準(zhǔn)電壓比較,生成誤差信號。

    • PWM調(diào)節(jié):誤差信號通過光耦反饋至VIPer37的FB引腳,調(diào)整占空比,實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

2.4.2 補償網(wǎng)絡(luò)

  • 元器件選型

    • 補償電容:C7=1nF,C8=10nF,優(yōu)化反饋環(huán)路相位裕度,避免振蕩。

    • 補償電阻:R8=10kΩ,調(diào)整環(huán)路帶寬至10kHz,兼顧動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性。

  • 選型依據(jù)

    • 穩(wěn)定性:通過補償網(wǎng)絡(luò)將相位裕度提升至45°以上,確保環(huán)路在全負(fù)載范圍內(nèi)穩(wěn)定。

    • 動態(tài)響應(yīng):10kHz帶寬可抑制100Hz至5kHz的輸出電壓波動,提升負(fù)載調(diào)整率。

三、關(guān)鍵元器件選型與功能解析

3.1 功率器件:ST VIPer37

  • 型號:VIPer37HE

  • 作用:作為反激式電源的核心控制器,實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、PWM調(diào)制及保護功能。

  • 功能參數(shù)

    • 輸入電壓范圍:90Vac至264Vac,適應(yīng)全球電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

    • 輸出功率:15W(5V/3A + 12V/1A),支持雙輸出應(yīng)用。

    • 效率:滿載效率>80%,待機功耗<40mW。

  • 選型優(yōu)勢

    • 高集成度:替代傳統(tǒng)PWM控制器+MOSFET分立方案,減少PCB面積達40%。

    • 低EMI設(shè)計:內(nèi)置高頻抖動功能,降低EMI濾波器成本,簡化設(shè)計流程。

3.2 整流器件:MBR1045肖特基二極管

  • 型號:MBR1045

  • 作用:將高頻變壓器次級輸出的交流電壓整流為直流電壓。

  • 功能參數(shù)

    • 正向壓降:<0.5V(@10A),降低導(dǎo)通損耗。

    • 反向耐壓:45V,適應(yīng)5V輸出需求。

  • 選型依據(jù)

    • 低損耗:相比快恢復(fù)二極管,肖特基二極管在低電壓輸出下效率提升5%。

    • 熱性能:TO-220封裝支持大電流通過,散熱片面積大,適應(yīng)高溫環(huán)境。

3.3 濾波器件:Nichicon PL系列電解電容

  • 型號:PL470M16CT-ND

  • 作用:平滑整流后的脈動直流電壓,減少輸出紋波。

  • 功能參數(shù)

    • 容量:470μF,耐壓16V。

    • ESR:<50mΩ(@120Hz),降低高頻損耗。

  • 選型優(yōu)勢

    • 長壽命:在85℃環(huán)境下壽命達10000小時,適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用需求。

    • 低阻抗:低ESR設(shè)計減少電容發(fā)熱,提升系統(tǒng)可靠性。

3.4 反饋器件:PC817光耦與TL431

  • 型號:PC817 + TL431

  • 作用:實現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制,確保穩(wěn)壓精度。

  • 功能參數(shù)

    • PC817:CTR=80%-160%,隔離電壓>5000Vrms。

    • TL431:基準(zhǔn)電壓2.5V±1%,動態(tài)阻抗<0.2Ω。

  • 選型依據(jù)

    • 高精度:TL431的基準(zhǔn)電壓精度達±1%,滿足數(shù)字電路供電要求。

    • 隔離性能:PC817實現(xiàn)初級與次級電路的電氣隔離,提升系統(tǒng)安全性。

四、系統(tǒng)優(yōu)化與性能測試

4.1 熱設(shè)計優(yōu)化

  • 散熱方案

    • VIPer37散熱:采用10mm×10mm×2mm鋁基板,通過導(dǎo)熱硅脂與模塊底部接觸,熱阻<1.5℃/W。

    • 整流二極管散熱:在MBR1045上加裝散熱片,降低結(jié)溫至<125℃。

  • 測試數(shù)據(jù)

    • 滿載溫升:在25℃環(huán)境溫度下,VIPer37結(jié)溫<110℃,MBR1045結(jié)溫<120℃,滿足長期運行需求。

    • 效率提升:通過優(yōu)化散熱設(shè)計,系統(tǒng)效率提升至82%,較傳統(tǒng)方案提高3%。

4.2 EMC性能測試

  • 測試標(biāo)準(zhǔn):符合EN 55032 Class B與CISPR 32標(biāo)準(zhǔn)。

  • 優(yōu)化措施

    • 共模電感:在輸入端增加TDK B82793共模電感,抑制高頻噪聲。

    • Y電容:在L/N線與地之間增加2200pF Y電容,降低差模噪聲。

  • 測試結(jié)果

    • 傳導(dǎo)噪聲:在150kHz-30MHz頻率范圍內(nèi),噪聲幅值<40dBμV。

    • 輻射噪聲:在30MHz-1GHz頻率范圍內(nèi),場強<30dBμV/m。

4.3 可靠性測試

  • 測試項目

    • 高溫高濕:在85℃/85%RH環(huán)境下連續(xù)運行1000小時,無故障。

    • 冷熱沖擊:在-40℃至+125℃之間循環(huán)100次,模塊功能正常。

    • 振動測試:在5g振動加速度下運行100小時,無機械損傷。

  • 測試結(jié)論:基于VIPer37的15W雙輸出電源方案通過嚴(yán)苛的可靠性測試,滿足10年使用壽命需求。

五、方案優(yōu)勢與市場應(yīng)用

5.1 技術(shù)優(yōu)勢

  • 高集成度:通過VIPer37實現(xiàn)控制器與功率MOSFET的集成,減少PCB面積與BOM成本。

  • 低EMI設(shè)計:內(nèi)置高頻抖動功能與外部濾波電路,簡化EMC設(shè)計流程。

  • 雙輸出支持:5V及12V雙輸出設(shè)計,滿足不同負(fù)載需求,提升系統(tǒng)靈活性。

5.2 市場應(yīng)用

  • 消費電子:適用于智能音箱、無線路由器及網(wǎng)絡(luò)攝像頭等設(shè)備的輔助電源。

  • 工業(yè)控制:在PLC、傳感器及工業(yè)網(wǎng)關(guān)中應(yīng)用,提供穩(wěn)定可靠的供電。

  • 智能家居:通過雙輸出設(shè)計,為智能門鎖、溫控器及照明系統(tǒng)供電,拓展應(yīng)用場景。

六、總結(jié)

基于ST VIPer37的15W雙輸出Open Frame電源方案通過集成化設(shè)計、低EMI特性及雙輸出功能,實現(xiàn)了高效率、高可靠性的小功率電源解決方案。方案中優(yōu)選的VIPer37、MBR1045、Nichicon PL系列電容等元器件在性能、成本及可靠性上達到平衡,滿足消費電子、工業(yè)控制及智能家居等領(lǐng)域的需求。未來,隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對電源小型化、高效能的需求增長,VIPer37方案可通過擴展輸出電壓、優(yōu)化散熱設(shè)計等功能,進一步拓展應(yīng)用場景,助力電子產(chǎn)業(yè)升級。

責(zé)任編輯:David

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標(biāo)簽: 15W電源

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