VIPER11B：高效节能离线高压转换器的设计与应用

在电子设计领域，高效节能且性能稳定的转换器一直是工程师们追求的目标。今天要介绍的VIPER11B，就是这样一款极具特色的高压转换器，它在多种应用场景中都能展现出卓越的性能。

文件下载：viper11b.pdf

一、VIPER11B概述

VIPER11B是一款智能集成的高压转换器，它将800V雪崩坚固型功率MOSFET与PWM电流模式控制巧妙结合。这种设计不仅能适应极宽的VAC输入范围，还能有效降低DRAIN缓冲电路的尺寸。此外，它的低功耗特性使其能够轻松满足最严格的节能标准。其应用范围广泛，涵盖了家电、家居自动化、工业、消费电子和照明等领域的低功率开关电源，以及低功率适配器。

二、关键特性剖析

（一）功率MOSFET与宽输入范围

VIPER11B采用的800V雪崩坚固型功率MOSFET，是其适应超宽VAC输入范围的关键。这种设计使得它在不同的电源环境下都能稳定工作，大大提高了其通用性。同时，其内置的HV启动和sense - FET，进一步简化了电路设计，减少了外部元件的使用。

（二）电流模式PWM控制

电流模式PWM控制是VIPER11B的核心控制方式，它能够精确地控制输出电流，提高电源的稳定性和效率。不同型号的VIPER11B（如VIPER113B和VIPER114B）具有不同的漏极电流限制，分别为370mA和480mA，工程师可以根据具体的应用需求进行选择。

（三）低功耗与节能

在节能方面，VIPER11B表现出色。在空载条件下，230VAC输入时，其系统输入功耗小于10mW；在250mW负载、230VAC输入时，功耗小于400mW。这种低功耗特性使得它在满足节能标准的同时，也降低了系统的运行成本。

（四）抖动开关频率

抖动开关频率是VIPER11B的一个重要特性，其开关频率为60kHz ± 7%（类型L）。通过抖动开关频率，可以将开关频率的谐波能量分散到多个频段，从而降低了EMI滤波器的成本，减少了电磁干扰。

（五）多重保护功能

VIPER11B具备多种保护功能，如过载/短路保护（OLP）、线路或输出过压保护（OVP）、VCC钳位保护、脉冲跳过保护和热关断保护等。这些保护功能能够自动重启，确保了系统在各种异常情况下的安全性和可靠性。同时，内置的软启动功能可以在启动过程中逐渐增加电流限制设定点，保护系统免受冲击。

在电子设备的设计中，多重保护功能就如同为设备穿上了一层坚固的铠甲。就像带多重保护功能的便携式燃气烧烤炉，具备气瓶检知、过压保护、熄火报警和温度感知等多重安全装置，能大大提高产品的安全性能。电子设备也是如此，多重保护功能不可或缺。

以VIPER11B为例，它的多重保护功能对其在各种复杂环境下稳定工作起着关键作用。过载/短路保护（OLP）能在电路出现过载或短路情况时，迅速切断电源，避免元件因过大电流而损坏；线路或输出过压保护（OVP）可防止因电压过高对设备造成不可修复的损伤；VCC钳位保护确保了电源电压的稳定，避免电压异常波动影响设备性能；脉冲跳过保护能有效避免“flux - runaway”现象，保证在启动过程中设备的稳定性；热关断保护则在设备温度过高时及时停止工作，防止过热损坏元件。

这种全方位的保护功能，就像一个智能的守护者，时刻关注着设备的运行状态，一旦出现异常便能迅速做出反应，保障设备的正常运行。对于我们电子工程师来说，在设计过程中充分考虑并运用多重保护功能，是提高产品可靠性和稳定性的重要环节。那么在你的设计项目中，有没有遇到过因为保护功能不完善而导致的问题呢？

三、引脚设置与功能详解

（一）引脚概述

VIPER11B采用SSOP10封装，各个引脚都有其特定的功能。了解这些引脚的作用，对于正确使用VIPER11B至关重要。

（二）关键引脚功能

1. GND（引脚1）：作为接地引脚，它是内部MOSFET的源极连接点，同时也是器件偏置电流的返回点。在电路设计中，所有偏置元件的接地都应连接到该引脚的走线，并且要与脉冲电流返回路径分开，以减少干扰。
2. VCC（引脚2）：为控制器提供电源，需要在该引脚和GND之间连接一个外部存储电容。在启动时，内部连接的高压电流源会为VCC电容充电。此外，建议在靠近IC的位置并联一个小的旁路电容（典型值为0.1μF），用于滤波降噪。
3. DIS（引脚3）：用于禁用功能。当该引脚电压超过内部阈值VDIS_th（典型值为1.2V）且持续时间超过tDEB（典型值为1ms）时，PWM会在自动重启模式下被禁用tDIS_RESTART（典型值为500ms），直到VDIS下降到VDIS_th以下才恢复正常工作。通过在DIS引脚和整流 mains之间连接一个分压器，可以实现输入过压保护；在非隔离拓扑中，同样的原理也可用于输出过压保护。如果不需要此功能，可将DIS引脚焊接到GND。
4. FB（引脚4）：作为直接反馈引脚，是内部跨导误差放大器（E/A）的反相输入。E/A的内部参考电压为VFB_REF（相对于GND的典型值为1.2V）。在非隔离转换器中，输出电压信息通过分压器直接输入到该引脚；在初级调节中，FB分压器连接到VCC。如果将FB引脚焊接到GND，则E/A将被禁用。
5. COMP（引脚5）：是内部E/A的输出引脚。通常在该引脚和GND之间连接一个补偿网络，以实现控制环路的稳定性和良好的动态性能。在二次反馈中，需要禁用内部E/A，并通过光耦直接驱动COMP引脚来控制DRAIN峰值电流设定点。
6. DRAIN（引脚6 - 10）：作为MOSFET的漏极引脚，内部高压电流源在启动和稳态运行时从该引脚吸收电流，为VCC电容充电。这些引脚与MOSFET的内部金属PAD机械连接，有助于散热。在PCB设计中，应在这些引脚下方留出足够的铜面积，以降低总结 - 环境热阻，促进功率耗散。

引脚的功能设计对于电子元件的性能和稳定性至关重要。在电子元件的加工和应用过程中，引脚的设计和处理方式会直接影响到整个电路的运行效果。

就拿常见的电子元件引脚加工来说，从引脚的整型、取料、预弯，到修剪、整平，每个环节都紧密围绕着引脚的功能需求展开。比如在专利“一种电子元件引脚加工的装置”中，通过设置供料机构、预弯机构、整型机构、修剪机构、整平机构和转移机构，提高了对电子元件引脚加工的自动化程度，减少了人工或半自动整型的废品率以及劳动强度，降低了生产成本。这是因为合理的引脚加工能够确保引脚与电路板或其他电子元件的良好连接，保证信号的稳定传输和电源的正常供应。

再看电子元件引脚的修剪和折弯切割等操作，“一种电子元件引脚快速修剪设备”解决了操作方便且不损坏电子元件的问题，“一种电子元件引脚折弯切割装置”则实现了一次性对引脚进行折弯和切割，提高了生产效率。这些设备和方法的出现，都是为了满足电子元件引脚功能设计的要求，使得引脚能够更好地适应不同的电路需求和应用场景。

在电子元件引脚的绝缘处理方面，“一种电子元件引脚的绝缘管固定装置”便于将绝缘管套固定在引脚上，避免绝缘管套脱离引脚，从而提高了电子元件的安全性和可靠性。这说明引脚的绝缘设计也是其功能设计的重要组成部分，能够有效防止短路和瞬间干扰等问题。

电子工程师在设计过程中，必须充分考虑电子元件引脚的功能设计，确保引脚的各项性能指标符合电路的要求。同时，不断关注和采用先进的引脚加工技术和设备，能够提高设计的质量和效率。那么，在你以往的设计中，有没有因为引脚设计不合理而遇到过问题呢？

四、电气与热性能分析

（一）绝对最大额定值

在使用VIPER11B时，必须严格遵守其绝对最大额定值，以确保器件的安全和可靠性。以下是一些关键参数：	Symbol	Pin	Parameter (1) (2)	Min.	Max.	Unit
VDS	6 - 10	Drain - to - source (ground) voltage		800	V
IDRAIN	6 - 10	Pulsed drain current (pulse - width limited by SOA)		2	A
VCC	2	VCC voltage	- 0.3	Internally limited	V
ICC	2	VCC internal Zener current (pulsed)		45 (3)	mA
VDIS	3	DIS voltage	- 0.3	5 (4)	V
VFB	4	FB voltage	- 0.3	5 (4)	V
VCOMP	5	COMP voltage	- 0.3	5 (4)	V
PTOT		Power dissipation @ Tamb < 50 °C		1 (5)	W
TJ		Junction temperature operating range	- 40	150	°C
TSTG		Storage temperature	- 55	150	°C

需要注意的是，超过这些绝对最大额定值的应力可能会对器件造成永久性损坏，长时间暴露在绝对最大额定条件下也可能影响器件的可靠性。

（二）热性能

热性能对于电子元件的稳定运行至关重要。VIPER11B的热性能参数如下：	Symbol	Parameter	Max. value	Unit
RTH - JC	Thermal resistance junction to case (1)	10	°C/W
RTH - JA	Thermal resistance junction ambient (1) (Dissipated power = 1 W)	155	°C/W
RTH - JC	Thermal resistance junction to case (2) (Dissipated power = 1 W)	5	°C/W
RTH - JA	Thermal resistance junction ambient (2) (Dissipated power = 1 W)	95	°C/W

这里的(1)是指安装在具有最小铜面积的标准单面FR4板上的情况；(2)是指安装在具有100mm²（0.155平方英寸）、35μm厚铜层的标准单面FR4板上的情况。可以看出，不同的安装条件会对热性能产生显著影响。在实际设计中，我们需要根据具体的散热需求和安装环境，选择合适的散热方式和PCB布局，以确保器件的温度在安全范围内。

（三）电气特性

VIPER11B的电气特性涵盖多个方面，下面为你详细介绍其中一些关键部分：

1. 功率部分	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VBVDSS	Breakdown voltage	IDRAIN = 1 mA, VCOMP = GND, TJ = 25 °C	800			V
   IDSS	Drain - source leakage current	VDS = 400 V, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			1	μA
   IOFF	OFF - state drain current	VDRAIN = max. rating, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			45
   RDS(on)	Static drain - source ON - resistance	IDRAIN = 295 mA, TJ = 25 °C			17	Ω
   		IDRAIN = 295 mA, TJ = 125 °C			34

   从这些参数可以看出，VIPER11B的功率部分表现出良好的性能。例如，其击穿电压高达800V，使得它能够适应较宽的输入电压范围；漏源泄漏电流和关态漏极电流都非常小，这有助于减少功耗，提高效率。

2. 电源部分 电源部分的特性对于设备的稳定供电至关重要。相关参数如下：	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VHV_START	Drain - source start - up voltage				26	V
   RG	Start - up resistor	VDRAIN = 400 V, VDRAIN = 600 V, VFB > VFB_REF	28	34	40	MΩ
   ICH1	VCC charging current at startup	VDRAIN = 100 V, VCC = 0 V	0.7	1	1.3	mA
   ICH2	VCC charging current at startup	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	2	3	4	mA
   ICH3 (1)	Max. VCC charging current in self - supply	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	6.5	7.5	8.5	mA
   VCC	Operating voltage range	VGND = 0 V	4.5		30	V
   VCCclamp	Clamp voltage	ICC = Iclamp_max	30	32.5	35	V
   Iclamp max	Clamp shutdown current	(2)	30	35	40	mA
   tclamp max	Clamp time before shutdown		325	500	675	μs
   VCCon	VCC start - up threshold	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	15	16	17	V
   VCSon	HV current source turn - on threshold	VCC falling	4	4.25	4.5	V
   VCCoff	UVLO	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	3.75	4	4.25	V
   Iq	Quiescent current	Not switching, VFB > VFB_REF		0.3	0.45	mA
   ICC	Operating supply current, switching	VDS = 150 V, VCOMP = 1.2 V, FOSC = 60 kHz		1.25	1.5	mA

这些参数展示了VIPER11B在电源启动和供电方面的特性。例如，启动电阻RG的范围在28 - 40MΩ之间，不同的启动电压和电流设置有助于在不同的应用场景下实现稳定的启动和供电。低的静态电流和工作电流也体现了其节能的特点。

综合来看，VIPER11B在电气和热性能方面都有出色的表现。但在实际设计中，我们仍需要根据具体的应用需求，对这些参数进行合理的选择和调整，以确保设备的最佳性能。你在设计中有没有遇到过热性能或电气特性方面的挑战呢？

四、电气与热性能分析

（一）绝对最大额定值

在使用 VIPER11B 时，必须严格遵守其绝对最大额定值，以确保器件的安全和可靠性。以下是一些关键参数：	Symbol	Pin	Parameter (1) (2)	Min.	Max.	Unit
VDS	6 - 10	Drain - to - source (ground) voltage		800	V
IDRAIN	6 - 10	Pulsed drain current (pulse - width limited by SOA)		2	A
VCC	2	VCC voltage	- 0.3	Internally limited	V
ICC	2	VCC internal Zener current (pulsed)		45 (3)	mA
VDIS	3	DIS voltage	- 0.3	5 (4)	V
VFB	4	FB voltage	- 0.3	5 (4)	V
VCOMP	5	COMP voltage	- 0.3	5 (4)	V
PTOT		Power dissipation @ Tamb < 50 °C		1 (5)	W
TJ		Junction temperature operating range	- 40	150	°C
TSTG		Storage temperature	- 55	150	°C

需要注意的是，超过这些绝对最大额定值的应力可能会对器件造成永久性损坏，长时间暴露在绝对最大额定条件下也可能影响器件的可靠性。

（二）热性能

热性能对于电子元件的稳定运行至关重要。VIPER11B 的热性能参数如下：	Symbol	Parameter	Max. value	Unit
RTH - JC	Thermal resistance junction to case (1)	10	°C/W
RTH - JA	Thermal resistance junction ambient (1) (Dissipated power = 1 W)	155	°C/W
RTH - JC	Thermal resistance junction to case (2) (Dissipated power = 1 W)	5	°C/W
RTH - JA	Thermal resistance junction ambient (2) (Dissipated power = 1 W)	95	°C/W

这里的(1)是指安装在具有最小铜面积的标准单面 FR4 板上的情况；(2)是指安装在具有 100mm²（0.155 平方英寸）、35μm 厚铜层的标准单面 FR4 板上的情况。可以看出，不同的安装条件会对热性能产生显著影响。在实际设计中，我们需要根据具体的散热需求和安装环境，选择合适的散热方式和 PCB 布局，以确保器件的温度在安全范围内。

（三）电气特性

VIPER11B 的电气特性涵盖多个方面，下面为你详细介绍其中一些关键部分：

1. 功率部分	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VBVDSS	Breakdown voltage	IDRAIN = 1 mA, VCOMP = GND, TJ = 25 °C	800			V
   IDSS	Drain - source leakage current	VDS = 400 V, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			1	μA
   IOFF	OFF - state drain current	VDRAIN = max. rating, VCOMP = GND, TJ = 25 °C			45
   RDS(on)	Static drain - source ON - resistance	IDRAIN = 295 mA, TJ = 25 °C			17	Ω
   		IDRAIN = 295 mA, TJ = 125 °C			34

从这些参数可以看出，VIPER11B 的功率部分表现出良好的性能。例如，其击穿电压高达 800V，使得它能够适应较宽的输入电压范围；漏源泄漏电流和关态漏极电流都非常小，这有助于减少功耗，提高效率。

2. 电源部分 电源部分的特性对于设备的稳定供电至关重要。相关参数如下：	Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
   VHV_START	Drain - source start - up voltage				26	V
   RG	Start - up resistor	VDRAIN = 400 V, VDRAIN = 600 V, VFB > VFB_REF	28	34	40	MΩ
   ICH1	VCC charging current at startup	VDRAIN = 100 V, VCC = 0 V	0.7	1	1.3	mA
   ICH2	VCC charging current at startup	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	2	3	4	mA
   ICH3 (1)	Max. VCC charging current in self - supply	VFB > VFB_REF, VDRAIN = 100 V, VCC = 6 V	6.5	7.5	8.5	mA
   VCC	Operating voltage range	VGND = 0 V	4.5		30	V
   VCCclamp	Clamp voltage	ICC = Iclamp_max	30	32.5	35	V
   Iclamp max	Clamp shutdown current	(2)	30	35	40	mA
   tclamp max	Clamp time before shutdown		325	500	675	μs
   VCCon	VCC start - up threshold	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	15	16	17	V
   VCSon	HV current source turn - on threshold	VCC falling	4	4.25	4.5	V
   VCCoff	UVLO	VFB = 1.2 V, VDRAIN = 400 V	3.75	4	4.25	V
   Iq	Quiescent current	Not switching, VFB > VFB_REF		0.3	0.45	mA
   ICC	Operating supply current, switching	VDS = 150 V, VCOMP = 1.2 V, FOSC = 60 kHz		1.25	1.5	mA

这些参数展示了 VIPER11B 在电源启动和供电方面的特性。例如，启动电阻 RG 的范围在 28 - 40MΩ 之间，不同的启动电压和电流设置有助于在不同的应用场景下实现稳定的启动和供电。低的静态电流和工作电流也体现了其节能的特点。

（四）电子元件电气与热性能分析的方法

在电子元件的设计和应用中，对其电气与热性能进行准确分析至关重要。以下为你介绍一些常见的分析方法：

1. 热分析方法

热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术。常见的热分析技术包括热重分析（TG）、差热分析（DTA）、差示扫描量热分析（DSC）、热机械分析（TMA）等。

• 热重分析（TG）：是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。它能准确地测量物质的变化及变化的速率，从 TG 曲线还能派生出微商热重法（DTG），DTG 曲线能精确地反映出起始反应温度、达到最大反应速率的温度和反应终止温度，还能很好地显示出重叠反应，区分各个反应阶段，并进行精确的定量分析。
• 差热分析（DTA）：是将试样和参比物置于同一环境中以一定速率加热或冷却，将两者间的温度差对时间或温度作记录的方法。DTA 可用于研究物质的晶型转变、融化、升华、吸附等物理现象以及脱水、分解、氧化、还原等化学现象。
• 差示扫描量热分析（DSC）：是为克服 DTA 在定量测量方面的不足而发展起来的一种新技术。它在程序升温的条件下，测量试样与参比物之间的能量差随温度变化。DSC 测定热量比 DTA 准确，分辨率和重现性也更好，在聚合物领域获得了广泛应用，更适合测量结晶度、结晶动力学以及聚合、固化、交联氧化、分解等反应的反应热及研究其反应动力学。

  2. 电气性能分析方法

• 计算法：利用计算机模拟软件对电子元件的电气特性进行计算，先确定元件的物理模型，将元件的物理特性、供电方案以及环境条件等因素加入模型中，然后通过计算软件进行模拟计算，得出元件的电气参数和特性等数据。这种方法可以在设计阶段对元件的性能进行预测和评估，但需要准确的模型和参数输入。
• 试验法：通过对电子元件进行实际试验来获取其电气特性的方法。试验过程中，可以利用各种测试仪器对元件的电压、电流、电阻、电容等参数进行测量，通过测量结果可以得到元件的实际电气性能。试验法的优势在于可以得到更为真实的数据，但成本较高且需要花费较长时间。

综合来看，VIPER11B 在电气和热性能方面都有出色的表现。但在实际设计中，我们仍需要根据具体的应用需求，选择合适的分析方法对这些性能进行准确评估，并对相关参数进行合理的选择和调整，以确保设备的最佳性能。你在设计中有没有遇到过热性能或电气特性方面的挑战呢？