AN4165
Application note
STEVAL-ISA111V1: 12 V/12 W, 115 kHz non-isolated flyback
based on the VIPER26
By Mirko Sciortino
Introduction
This document describes a 12 V - 1 A power supply set in non-isolated flyback topology
based on the VIPER26, an offline high-voltage converter offered by STMicroelectronics.
The features of the device include:
■
■
■
■
■
■
800 V avalanche rugged power section
PWM operation at 115 kHz with frequency jittering for lower EMI
Limiting current with adjustable set point
On-board soft-start
Safe behavior during a fault condition (overload, short-circuit, open loop)
Low standby consumption (< 30 mW at V
IN
= 230 V
AC
)
Thermal shutdown with hysteresis
Delayed overload (or short-circuit) protection
Open loop failure protection
The available protections are:
■
■
■
All protections employ the auto-restart mode.
Figure 1.
STEVAL-ISA111V1 demonstration board
February 2013
Doc ID 023661 Rev 1
1/37
www.st.com
Contents
AN4165
Contents
1
2
3
4
5
Adapter features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Circuit description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Bill of material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Testing the board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.1
Typical waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6
7
8
9
10
Line/load regulation and output voltage ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Burst mode and output voltage ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Light-load performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Functional check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
10.1
10.2
10.3
Soft-start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Overload protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Feedback loop failure protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
11
Feedback loop calculation guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
11.1
11.2
Transfer function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Compensation procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
12
13
14
15
Thermal measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
EMI measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Board layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2/37
Doc ID 023661 Rev 1
List of figures
AN4165
List of figures
Figure 1.
Figure 2.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.
Figure 10.
Figure 11.
Figure 12.
Figure 13.
Figure 14.
Figure 15.
Figure 16.
Figure 17.
Figure 18.
Figure 19.
Figure 20.
Figure 21.
Figure 22.
Figure 23.
Figure 24.
Figure 25.
Figure 26.
Figure 27.
Figure 28.
Figure 29.
Figure 30.
Figure 31.
Figure 32.
Figure 33.
Figure 34.
Figure 35.
Figure 36.
Figure 37.
Figure 38.
Figure 39.
Figure 40.
Figure 41.
Figure 42.
Figure 43.
Figure 44.
Figure 45.
Figure 46.
Figure 47.
STEVAL-ISA111V1 demonstration board. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Application schematic - complete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Application schematic - simplified for V
OUT
≥
12 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Transformer size and pin diagram, bottom view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Transformer size, side view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Transformer, pin distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Transformer, electrical diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Drain current and voltage at V
IN
= 115 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Drain current and voltage at V
IN
= 230 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Drain current and voltage at V
IN
= 90 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Drain current and voltage at V
IN
= 265 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Line regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Load regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Output voltage ripple at V
IN
= 115 V
AC
, full load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Output voltage ripple at V
IN
= 230 V
AC
, full load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Output voltage ripple at V
IN
= 115 V
AC
, no load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Output voltage ripple at V
IN
= 230 V
AC
, no load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Output voltage ripple at V
IN
= 115 V
AC
, I
OUT
= 25 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Output voltage ripple at V
IN
= 230 V
AC
, I
OUT
= 25 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Active mode efficiency of the demonstration board
in comparison to energy efficiency standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
P
IN
vs. V
IN
at no load and light load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Efficiency vs. V
IN
at P
IN
= 1 W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
P
IN
at P
OUT
= 0.25 W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Soft-start at startup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Soft-start at startup (zoom) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Output short-circuit applied: OLP tripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Output short-circuit maintained: OLP steady-state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Output short-circuit maintained: OLP steady-state, zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Output short-circuit removal and converter restart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Feedback loop failure protection: tripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Feedback loop failure protection: steady-state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Feedback loop failure protection: steady-state, zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Feedback loop failure removal: converter restart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Control loop block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Thermal map at T
AMB
= 25 °C, V
IN
= 85 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Thermal map at T
AMB
= 25 °C, V
IN
= 115 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Thermal map at T
AMB
= 25 °C, V
IN
= 230 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Thermal map at T
AMB
= 25 °C, V
IN
= 265 V
AC
, full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Background noise measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Peak measurement at 115 V
AC
/full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Peak measurement at 230 V
AC
/full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Average measurement at 115 V
AC
/full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Average measurement at 230 V
AC
/full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Bottom layer & top overlay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Connections of the UUT to the wattmeter for power measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Switch in position 1 - setting for standby measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Switch in position 2 - setting for efficiency measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4/37
Doc ID 023661 Rev 1
AN4165
List of tables
List of tables
Table 1.
Table 2.
Table 3.
Table 4.
Table 5.
Table 6.
Table 7.
Table 8.
Table 9.
Table 10.
Table 11.
Table 12.
Table 13.
Electrical specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Bill of material (simplified schematic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Transformer characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Output voltage line-load regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Output voltage ripple at half and full load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Output voltage ripple at no (or light) load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
No load input power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Energy consumption criteria for no load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Light load performance at P
OUT
= 25 mW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Light load performance at P
OUT
= 50 mW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
P
OUT
@ P
IN
= 1 W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Temperature of key components at VIN = 85 V
AC
/230 V
AC
, full load (T
AMB
= 25 ×C) . . . 27
Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
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5/37
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