一种实用小型微功率AC-DC电源的设计

摘要

随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，作为电子产品的动力来源，从日常生活到高尖端的科技，都离不开电源的参与与支持，其重要性是不言而喻的。

本文介绍了意法半导体(ST)公司研发的一款电源控制芯片VIPer12A的内部结构及工作原理，介绍了一种采用单端反式激的拓扑结构设计开关电源的方法，并基于电源控制芯片VIPer12A设计了一款功率为2.5W、输出电压为5V的小型化的开关电源。

关键词：小型反激VIPer12A PWM

目录

一概述 (1)

（一）开关电源的发展 (1)

（二）开关电源的基本原理 (2)

（三）有关开关电源的几个指标 (2)

二 2.5W小功率电源的设计过程 (3)

（一）芯片VIPer12A的基本功能结构介绍 (3)

（二）基于芯片VIPer12A小型微功率电源的基本结构 (4)

1、输入整流滤波单元 (4)

2、功率变压器的设计 (5)

3、输出整流滤波单元 (7)

4、控制反馈单元 (7)

（三）电源性能测试及结果分析 (8)

三结论 (8)

参考文献 (9)

附录一 (10)

附录二......................................... 错误！未定义书签。

一概述

（一）开关电源的发展

随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，作为电子产品的动力来源，从日常生活到高尖端的科技，都离不开电源的参与与支持，其重要性是不言而喻的。

电源按工作原理来分，可以分为线性电源和开关电源。

线性电源和开关电源的区别主要是他们的工作方式。

线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。而开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成，是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。

线性电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小。缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，同时还要安装很大的散热片。体积大，重量重是线性电源最大的缺点。

开关电源是通过电子技术实现的，开关电源技术可以追溯到上世纪五十年代，在七十年代随着计算机的发展和功率MOSFET的出现，开关电源也开始了迅速发展。经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

由于省掉了大体积的工频变压器和散热片，开关电源可以做到体积小、重量轻，而且由于功率器件工作在高频开关状态，所以能做到很高的效率。缺点是输出纹波会比较大，自身较高的工作频率会对电网和电子设备产生很大的干扰。随着技术和工艺的进一步完善，这些已得到极大的改善。另外，由于功耗小、温升低，大大提高了开关电源的稳定性和可靠性。

开关电源对电网的适应性也很强，一般线性电源允许电网波动范围为220V ±10%，而开关电源在电网电压在100V～250V范围内变化时都能获得稳定的输出电压。

开关电源代表着稳压电源的发展方向，人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进。随着各种新技术的不断涌现，新工艺的普遍采用，新产品层出不穷。开关电源正朝着短、小、轻、薄和高度集成化发展。部分开关电源还有待机电路，在待机状态开关电源还在振荡，只是频率比正常工作时要低。这样降低了开关电源的功耗，更符合低碳环保

要求。

在很多领域线性电源已逐步被开关电源所取代，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

（二）开关电源的基本原理

一般来说，开关电源由输入整流滤波、功率变换、功率输出、反馈控制四部分组成。

实际的开关电源还有保护电路，功率因数校正电路、电磁兼容电路以及一些其他电路等。

开关电源的工作过程一般是这样的，50Hz的交流电压首先经过滤波单元与电网隔离，再由整流桥整流后，由大容量的铝电解电容储能滤波，形成稳定的高压直流。

通过功率MOSFET的开关作用，把高压直流变成高频的高压方波，并通过高频变压器把高压方波转换成同频率的低压方波，然后通过二极管整流、电容滤波，得到需要的直流电压。

在这个过程中，反馈控制回路负责保证输出电压的稳定性。

现在常用的开关电源拓扑结构有以下几种：

1单端正激变换器

2双管单端正激变换器

3半桥变换器

4全桥变换器

5推挽变换器

6单端反激变换器

7双端反激变换器

（三）有关开关电源的几个指标

输入电压范围：一般是85～265Vac或者165～265Vac

1、输出特性

输出电压精度：±1%

负载调整率：≤±0.5%

电压调整率：≤±0.2%

纹波及噪声：≤±1%

温度系数：≤0.02/℃

2、安全特性

隔离电压：一般为2500V ac

绝缘电阻：一般≥100 MΩ

保护功能：过压、过流、短路、过热

3、环境特性

工作温度：一般为-25～+60℃

存储温度：一般为-40～+105℃

二 2.5W小功率电源的设计过程

（一）芯片VIPer12A的基本功能结构介绍

意法半导体(ST)研发的VIPer12A是一款单片智能功率IC，其组件包括一个60KHz的集成脉宽调制控制器和一个击穿电压为730V的高压功率MOSFET。和同等级别的分立器件相比，这款智能功率IC具有功率转换效率高、成本低廉和空间小的好处。

VIPer12A是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式PWM 控制器和一个高压功率MOS管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成本，简化电路板设计。

VIPer12A有DIP8、SO-8两种封装形式，SO-8封装的芯片可以在85～265Vac宽范围输入条件下提供最大不超过5W的功率输出，更适合小型的开关电源的设计要求。

其开关频率是固定的60KHz。

V DD是控制电路的电压输入端，其引脚电压的可用范围可以从8V～36V,这一功能为实现各种特性的设计提供了巨大的灵活性。

VIPer12A中包含一个连接在其漏极上的高压启动电流源，芯片内部有比较器监控V DD电压，同时提供两个极限值（8V和14.5V）用于比较。因此，对芯片的电压输入端施加有电压时，只要V DD低于V DD on（14.5V），这一启动电流源立即被激活；而当V DD等于V DD on时，启动电流源关断，器件通过打开、关闭其主功率MOSFET开始工作。这时，因为FB引脚无法接收光电耦合器传来的电流，所以VIPer12A可以满负载工作，输出电压将一直上升到二次环路在光电耦合器内开始发射电流的调节点上。在这一点上，芯片开始调节，而此时FB引脚则可用于接收在电源副边提供正确功率所需的电流。

当V DD超过V DD ovp（42V）时，V DD引脚上的过压检测器将使VIPer12A复位。值得注意的是，只有V DD低至V DD off(8V)时，该过压才会被锁定，以使器件自动恢复正常工作。

FB是回路反馈引脚，用于控制器件的操作，它对电流很敏感。VIPer12A的电流控制方式可提供精确的电流和电压调节功能。FB脚可用电压范围为0～1V。