基于VIPER26的12V/12W非隔离反激式电源设计与分析

在电子设备的电源设计领域，非隔离反激式电源因其结构简单、成本低等优点而被广泛应用。本文将详细介绍基于STMicroelectronics的VIPER26设计的12V/12W非隔离反激式电源，包括其特性、电路设计、性能测试等方面。

文件下载：EVLVIP26L-12WFN.pdf

一、适配器特性

1.1 电气规格

这款演示板的电气规格如下：	Symbol	Parameter	Value
V IN	Input voltage range	90 V AC - 265 V AC
V OUT	Output voltage	12 V
I OUT	Max. output current	1 A
Δ VOUT_LF	Precision of output regulation	± 5%
Δ VOUT_HF	High frequency output voltage ripple	50 mV
T AMB	Max. ambient operating temperature	60 ºC

这些规格表明该电源具有较宽的输入电压范围，能够适应不同的电网环境，同时输出电压稳定，纹波较小，适用于多种应用场景。

二、电路描述

2.1 整体拓扑

电源采用反激式拓扑，其完整原理图如图2所示，对于输出电压 (V_{OUT } ≥12 ~V) 的情况，简化原理图如图3所示。

2.2 输入部分

输入部分包括电阻R1和NTC用于限制浪涌电流，二极管桥（D0）和Pi滤波器（C1, L2, C2）用于EMC抑制。这种设计可以有效减少电源对电网的干扰，同时保护电源内部元件免受浪涌电流的冲击。

2.3 变压器

变压器采用标准E20磁芯，其相关特性如下：	Parameter	Value	Test conditions
Manufacturer	Magnetica
Part number	1715.0049
Primary inductance	1.6 mH ±15%	Measured at 1 kHz, T AMB = 20 o C
Leakage inductance	0.74%	Measured at 10 kHz, T AMB = 20 o C
Primary to secondary turn ratio (3 - 5)/(6,7- 8,9)	5.89 ± 5%	Measured at 10 kHz, T AMB = 20 o C
Primary to auxiliary turn ratio (3 - 5)/(1 - 2)	5.89 ± 5%	Measured at 10 kHz, T AMB = 20 o C

2.4 输出部分

输出电压通过R3 - R4分压器简单设置，公式为 (V_{OUT }=3.3 V cdotleft(1+frac{R 3}{R 4}right)) 。输出整流二极管D3选用功率肖特基类型，以降低功耗。同时，在LIM和GND引脚之间连接电阻，以降低IDLIM，减少功率元件的应力。

2.5 供电方式

在电源启动时，DRAIN引脚为内部HV启动电流发生器供电，为VDD电容C4充电。当输出电压 (V{OUT }) 超过VIPER26的 (V{DDcson}) 阈值时，IC可直接从输出供电；若 (V_{OUT }<) 12 V，则需通过变压器的辅助绕组为IC供电。

三、物料清单

该电源的物料清单（简化原理图）如下：	Reference	Part	Description	Manufacturer
NTC	2.2 Ω NTC	NTC thermistor	EPCOS
F	T2A 250V	2 A, 250 V AC fuse, TR5 series	Wickmann
C1		10 µF, 400 V NHG series electrolytic capacitor	Panasonic
C2		22 µF, 35 V SMG series electrolytic capacitor	Panasonic
C4		2.2 µF, 63 V electrolytic capacitor
C5		100 nF, 50 V ceramic capacitor
C6		1 nF, 50 V ceramic capacitor
C7		47 nF, 50 V ceramic capacitor
C8		2.2 nF, 50 V ceramic capacitor
C9	Not mounted
C10		1000 µF, 16 V ultra low ESR electrolytic capacitor ZL series	Rubycon
C11		680 µF, 16 V ultra low ESR electrolytic capacitor ZL series	Rubycon
C12	Not mounted
D0	DF06M	1 A - 600 V diode bridge	Vishay
D1	STTH1L06	1 A - 600 V ultrafast diode	ST
D2	Not mounted
D3	STPS3150	3 A-150 V power Schottky (output diode)	ST
D4	1.5KE300A	Transil	ST
D5	Not mounted
D6	1N4148	Small signal diode	Fairchild
R1	Not mounted
R2	Not mounted
R3		47k Ω 1% 1/4 W resistor
R4a		15k Ω 1% 1/4 W resistor
R4b		2.7k Ω 1% 1/4 W resistor
R5		33k Ω 1/4 W resistor
R7		3.3k Ω 1/4 W resistor
L1	Short-circuit
L2	RFB0807-102	Input filter inductor (L=1 mH, I SAT =0.3 A; DCR max =3.4 Ω )	Coilcraft
T1	1715.0049	60 kHz switch mode transformer	Magnetica
IC1	VIPER26LN	High-voltage 60 kHz PWM	ST
J1	Not mounted	Jumper
J2	Short-circuit	Jumper

这份物料清单详细列出了各个元件的参数和制造商，为电源的制作提供了明确的指导。

四、测试与性能分析

4.1 典型波形

在满载条件下，不同输入电压下的漏极电压和电流波形如图8 - 11所示。这些波形可以帮助我们直观地了解电源在不同输入电压下的工作状态。

4.2 线/负载调节和输出电压纹波

输出电压在不同的线路和负载条件下进行了测量，结果表明输出电压几乎不受线路条件的影响。同时，在开关频率下叠加在输出电压上的纹波也进行了测量，具体数据如下：	V IN [V AC ]	V OUT (mV)
Half load	Full load
90	17	23
115	16	21
230	18	25
265	17	24

4.3 突发模式和输出电压纹波

当转换器轻载时，会进入突发模式，以降低频率相关的损耗。不同输入电压和负载条件下的输出电压纹波测量结果表明，突发模式下的纹波非常低。	V IN [V AC ]	V OUT [mV]
No load	25 mA load
90	2	3
115	2	3
230	2	4
265	3	4

4.4 效率

该电源的有源模式效率定义为在标称输入电压（ (V{IN}=115 ~V{AC}) 和 (V{IN}=230 ~V{AC}) ）下，在25%、50%、75%和100%最大负载下测量的效率平均值。结果显示，该电源符合Code of Conduct, version 4和DOE的标准，在115 (V{AC}) 时效率为87%，在230 (V{AC}) 时效率为86.7%。

4.5 轻载性能

在无负载和轻负载条件下，对电源的输入功率进行了测量。结果表明，该电源的功耗远低于Code of Conduct, version 4的限制。同时，在不同输出负载下的输入功率和效率也进行了测量，为电源在轻载情况下的性能评估提供了数据支持。

4.6 功能检查

• 软启动：启动时，电流限制值在内部设定的时间 (t_{Ss}) （典型值为8.5 msec）后达到IDLIM，以减少对次级二极管的应力。
• 过载保护：在过载或短路情况下，当漏极电流达到IDLIM时，计数器递增。若故障持续 (t{ovL}) （典型值为50 msec），过载保护将触发，电源部分关闭，转换器禁用 (t{RESTART}) （典型值为1 s）。之后，IC将尝试重新启动。
• 反馈回路故障保护：当反馈回路断开时，输出电压 (V{OUT }) 升高，VIPER26以最大电流限制运行。若 (V{DD}) 电压在50 msec内达到 (V_{DDclamp}) 阈值（最小23.5 V），IC将通过开环故障保护关闭；否则，通过过载保护关闭。保护以自动重启模式工作。

4.7 反馈回路计算指南

通过建立控制回路的传递函数，对反馈回路进行计算和补偿。首先选择补偿器的极点和零点以及交叉频率，然后计算 (C_{0}) ，并绘制Bode图以检查系统的稳定性。最后，根据计算结果确定原理图中的元件值。

4.8 热测量

使用红外相机对满载条件下的电路板进行热分析，结果表明在 (T_{AMB}=25^{circ} C) 时，不同输入电压下关键元件的温度在可接受范围内。	Point	T [ ° C ]		Reference
V IN = 85 V AC	V IN = 230 V AC
A	72.2	55.2	VIPER26
B	66.6	63.4	Output diode
C	46.6	46.4	Transformer
D	51.5	34.9	Diode bridge
E	50.0	32.6	Thermistor
F	41.9	33.4	Transil

4.9 EMI测量

对电源进行了预合规性测试，以符合EN55022（Class B）欧洲规范。首先测量了背景噪声，然后在115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 满载条件下进行了平均EMC测量。

4.10 电路板布局

电路板布局图展示了电源的物理结构，合理的布局有助于减少电磁干扰，提高电源的稳定性。

五、总结

综上所述，基于VIPER26的12V/12W非隔离反激式电源设计具有简单、高效、稳定等优点。通过对电源的各项性能进行测试和分析，证明其在不同负载条件下都能满足相关标准和要求。特别是在轻载性能方面表现出色，符合当前对电源节能的要求。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对电路进行优化和调整，以进一步提高电源的性能。大家在设计类似电源时，是否也会遇到类似的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。