摘要：  采用电源芯片VB409设计的一种无变压器电源 。

关键字：  电源，变压器

1 引言
在小型化MCU应用系统中，采用交流220V市电供电时，一般是采用变压器进行电源处理，或是将交流高电压降低后进行直流处理，或是将交流变为高压直流后再进行高频变换，以此获得MCU系统所要求的工作电源。这种系统使用的电源在结构上没有特殊的要求，可以采用常规的设计方法，可以使用线性电源技术也可以是开关电源技术。然而，有一些MCU应用系统要求做到体积小巧，因此往往不能安装变压器，这样，常规的带有变压器的电源技术就不能满足其要求了。为此，就希望使用能够直接接收高压交流电并能将其直接变成低电压的直流技术，采用VB409电源芯片的无变压器供电电源就成了最佳设计思路。
2 电源芯片VB409简介
VB409芯片是由ST公司开发的电源处理产品，采用PENTAWATTHV(022Y)封装形式，其尺寸体积大小与普通的T0220封装的7805模块相近，但其引出脚为5个。另有一种powers010封装的产品是具有10个引出脚的表面帖装式模块。VB409的输入端可以直接接入220V交流电压，而且输入端允许的最高输入电压可达交流580V。输出部分有两个：一个是最终输出Vout1，为5V；另一个是芯片的中间输出Vout2，其典型值为16V。向负载的供电能力为Vout1最大为80mA；Vout2最大为25mA。图1示出了VB409的内部结构图。
VB409是采用的导通角技术，即在交流电的一个周期中，根据负载的电流大小，自动调整每一个周期的导通时间。也就是说，只是在每个正周期的低压部分从电源吸收能量，这就极大地降低了功耗，其电流输出能力可达到线性电源的3倍。其工作波形如图2所示。
从图1中可以看出，VB409还具有输入、输出电流的限制和保护功能。其作用为：一方面当输出发生短路时限制电流的输出；另一方面当过载时关断芯片。在此，需要作如下说明，Vout1的输出范围是4.75~5.25V，典型值为5V，负载电流每增加1mA，对输出产生的影响为0.5mV，精度是比较高的。而Vout2的输出电压范围是8~16V。因此，Vout2的输出比较适合作为继电器一类的驱动电源使用。如果计划作为放大器的工作电源，则需要再进行一次降压式稳压。
3 由VB409构建的电源系统
用VB409构建的电源电路示于图3。在图3中，D1用来实现半波整流，C2是涤纶膜电容器，C3为高压电解电容器，R1，R2为金属膜1/4W电阻器，C1为耐压达25V的电容器。图1中，Vref1的电压为12V左右，而Threshold端的电压高于Vref1时将关断输入向输出端的传送。Threshold端的工作电流最小为30μA。因此，R1和R2之和决定着工作电流，R1和R2之比决定加在Threshold端的最高电压。在图2中，t1、t2所处的位置对应的输入电压V1即是判断的门限电压值。这个值的大小是V1=Vref1。V1是变化的交流电压，其变化规律为：

在此，将Vin等比例地缩小至V1，可以提高期间的工作可靠性。
当输入电压为交流220V，Threshold端的工作电流约为120μA时，R1+R2=1.88MΩ。按此参数设置，当输入电压为交流60V时，Threshold端的工作电流约为30μA，还能够正常工作。同样，适当配置R1和R2的值，则可以确定输入电压的有效范围，VB409允许最小的输入电压为12V。C1值的确定请参见图1和图2。
C1提供输入电路关断时维持输出电路的电压，同时提供Vout2较为稳定的输出。由于充放电时间的变慢，C1的值越大，Vout2的输出电压越低，但是能够提供较大的输出电流；反之，C1的值越小，充放电时间越快，Vout2的输出电压值也就越高，但是能够提供的输出电流也变小了。一般情况下，C1的值在47~220μF之间选用，典型值为100μF。
4 VB409在MCU应用系统中的举例
采用VB409为主电源供给MCU应用系统，在其设计之前，要事先估算系统5V电源的总功耗。图4为一个典型的MCU应用系统的原理图，这是一个为了测量电能并在LCD上显示的MCU应用系统。其CPU采用了AT89C55WD模块，最大耗电量为20mA（如果采用STC89C58RD+，则其耗电量可以降至9mA左右）。LCD选择SO12864，采用COG式，其连同背光的最大耗电量为20mA；功率/能量计量芯片CS5460的最大耗电量为5mA，以上耗电量加上复位、键盘等的耗电量，总的最大耗电量不超过50mA。图中的继电器输出没有显示，其耗电量为12mA。由此可见，完全可以使用VB409供电，这还可使系统的体积小，完全能够安置在LCD背后。
5 小结
由于本系统没有变压器，因此就省去了电流绝缘设计。所以，采用VB409作为供电电源时，要应用在对电流绝缘没有要求的场合，例如洗衣机、中央采暖、功率计量等。对于需要电流绝缘的应用场合，需要在供电输入端增加一个1∶1的小型隔离变压器。因为其输入功率小，故变压器的尺寸可以做得比较小，同时变压器输出还可以使用电阻分压后再输入到VB409中。