基于VIPER12A芯片设计的开关电源
描述
芯片VIPER12A是意法半导体有限公司于2002年出的单片小功率开关电源。具有固定60kHz的开关频率，芯片的电源电压范围很宽（9V-38V）：具有电流控制型PWM调制器；具有滞后特性的欠压、过压、过流及过热保护功能等。芯片外围电路很简单并具有节能特性。由于VIPER12A内部的功率MOSFET管是一种特殊的“灵敏场效应管”如图1所示，有两个源极S1、S2，其中S1接外部参考地，S2用于电流检测，且IS1》》IS2，因此，能无损检测出漏极电流ID，从而达到节能。而其他类型开关电源的漏极电流都是百分之百地通过检测电阻，这必然增加功耗，导致电源效率降低。
图2为系统整体框图，电网电源经过整流滤波后可得到峰值约为310V的直流高压，同时还设有保护电路及抗电磁干扰电路，然后经过功率转化为+5V脉动直流电压，再经二次滤波后得到+5V恒压源。为了适应不同电压和负载的变化，从输出回路取样反馈，通过开关集成器控制输入回路，从而得到+5V稳压输出。本系统重点是电磁兼容（EMC）的设计。
电磁兼容（EMC）设计
开关电源是较强的电磁干扰发射源。这是因为开关电源的整流桥是非线性器件，其形成的电流是严重失真的正弦半波，含有丰富的高次谐波。同时，功率开关管等半导体元件也会生产电磁干扰。因此在设计中必须考虑电磁兼容性，主要抑制电磁干扰（EMI）和电磁脉冲（EMP）。
（1）抑制电磁干扰（EMI）
电磁干扰（EMI）又叫噪声干扰，要抑制EMI关键是噪声滤波器的设计。采用噪声滤波器能有效地抑制电网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产生的噪声污染电网。噪声有两种，一种是共模噪声，另一种是差模噪声。共模噪声产生于相线与大地之间，差模噪声产生于相线之间。现在使用最多的滤波器是共模电感和电容串接这种类型，其原理如图3所示。将这个滤波电路一端接干扰源，另一端接被干扰设备，则La和C1，Lb和C2就构成两组低通滤波器，可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号，能有效地降低EMI干扰强度。T1是共模电感（CommonmodeChoke），也叫共模扼流圈。共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模电感的两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同（反向绕制）。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响（和少量因漏感造成的阻尼），当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流。达到滤波的目的。
（2）抑制电磁脉冲（EMP）
抑制EMP主要是对浪涌保护。浪涌保护主要是防雷保护，就是在极短的时间内将设备上因感应雷击而产生的大量脉冲能量释放到安全地线上，从而保护整个设备。保护方法的基本要求是反应快，保证受保护电路的两端在抑制器起作用之前不出现快速上升的瞬时峰值。确保运行设备的安全。目前一般采用压敏电阻、稳压二极管和气体放电管三种保护方法。气体放电管一般由两种金属导体组成，并以10～15cm的距离隔开，管内含大量气体，当放电管两端电压上升到一定程度时，击穿隔离层，形成低阻抗，使得大量的能量通过放电管泄放到安全地线上，其缺点是易引起泄露，增加损耗。稳压二极管主要是利用二极管的雪崩现象，将瞬态高压钳位于稳压管的范围内，其缺点是承受的瞬态浪涌功率有限，如果采用较大功率的稳压管则价格昂贵。压敏电阻是可变电阻器，其反应时间取决于器件的物理结构和通过它的电流脉冲波形，压敏电阻的反应时间一般在500uS之内。压敏电阻的优点有三个：第一，能抗大能量的瞬态冲击；第二，它的PN结结构不同于稳压管，因此它的功耗小；第三，耐浪涌性好。本设计选用压敏电阻。
电路图如图4所示，此电路具有相当宽的输入电压85-265V，且用50Hz或60HZ的市电都有较好的输出电压稳定度。在交流接线端接入由共模扼流圈T1、C1、C2和R1构成的电磁干扰滤波器。C1和C2用安规电容即×电容专门滤除差模干扰。因C1的容量较大（0.1μF），在其上并联R1，在断电后C1经R1进行放电，可避免电源进线端零、火带电。RT是热敏电阻，浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的。如果不采取任何保护措施，浪涌电流值可接近几百安培（如C322uF）。因此必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。为了避免电子电路中在开机的瞬间产生的浪涌电流，在电源电路中串接一个功率型RT热敏电阻器，能有效地抑制开机时的浪涌电流，并且在完成抑制浪涌电流作用以后，由于通过其电流的持续作用，功率型RT热敏电阻器的电阻值将下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响，所以。在电源回路中使用功率型RT热敏电阻器，是抑制开机时的浪涌，以保证电子设备免遭破坏的最为简便而有效的措施，起到缓冲作用。鉴于VIPER12A在开断的瞬间，高频变压器的漏感会产生尖峰电压，所以用R2，C4，D5组成漏极箝位电路用于吸收此尖峰电压，使VIPEER12A内部的MOSFET不受损害。
下图为ST官方资料节选：
（2）抑制电磁脉冲（EMP）
交流经整流滤波后接到高频变压器T1的初级，加在VIPER12A的漏极端，高频变压器次级的两个绕组分别为辅助绕组NF和输出绕组NS。NF输出的电压经D6、C6整流滤波后的稳压电源接VIPER12A的电源端，提供其工作电压。NS输出电压经过D7整流和C10滤波变成直流电源，再通过L1和C11滤掉高频纹波电压。C9、C12起到高频旁路作用。输出电压经R6、R7分压后获得的取样电压，与KA431内部2．50V基准电压源进行比较后，输出误差电压信号，再经PIC817光耦合器流入VIPER12A的反馈端，直接控制输出占空比，获得稳定电压输出。改变电阻R6和R7的分压比，可调节输出电压的标称值。R4、C8构成吸收回路，防止产生自激振荡（据说TL431的内部类似运放，这个接法类似运放的负反馈）。R3是LED的限流电阻。图中C7的作用是滤除反馈端的尖峰电压，决定了自动重启动的频率，对反馈回路进行补偿。
电源的节能性及电路的EMI测试结果
由于VIPER12A这款芯片内部的MOSFET管在导通时电压几乎为零，关断时电流极小。使得此芯片功耗很小，因此设计的开关电源也就具有较好的节能作用，而且电磁兼容性较强。该电路是输出+5V的稳压电源，如果对电路中的某些元件做些改进，可做成一个可调的稳压电源，然后再经过AD转换后经CPU控制数码管显示，可设计成具有一定范围的可调数字稳压电源。为了检验该设计电路的电磁兼容性，对应用电路做了EMI测试，得到如图5的波形。图中曲线距离直线越远表示其EMI性能越强。还有考虑到电磁兼容性，在PCB布线时器件要合理排布，图6是该电路的PCB图。