VPS8701 微功率隔离电源专用芯片
6.5-30VIN/30V/0.3A 功率管
1 特点
3 说明
全桥拓扑结构
VPS8701 是一款专门为小体积、低待机功耗的微
高集成度,外围简单
功率隔离电源而设计的变压器驱动器,其外围只需匹配
内置 30V /0.25ΩNMOS
简单的输入输出滤波电容、隔离变压器和整流电路,即
内置 30V /0.60ΩPMOS
可实现 6.5~30V 输入电压、多种输出电压、输出功率
0.45A 电流钳位限制
1~2W 的隔离电源。
6.5-30V 输入电压范围
VPS8701 内部集成两个 N 沟道功率 MOSFET 和两
输入冲击电压高达 38V
个 P 沟道功率 MOSFET,并组成桥式连接方式。芯片内
开关频率可编程
部集成振荡器提供一对高精度互补信号,能有效确保两
可持续短路保护、过温保护,自恢复
路功率 MOSFET 驱动的高度对称性,避免电路在工作
芯片工作温度-40℃~+125℃
过程发生偏磁。
VPS8701 内部集成调频功能以及多种保护方式。
2 应用领域
针对不同的应用需求可实现频率调节,同时内部设计有
CAN\RS-485\RS-232\SPI\I2C 等低功耗隔离电源
高精度的死区控制电路确保在各种工作条件下不出现
过程控制
共通现象;集成了过流检测保护和过温保护,避免在开
精密仪器\医疗仪器
关电源输出短路等异常情况下损坏器件。
分布式电源\无线电电源\电信电源
低噪声隔离式 USB 电源
低噪声灯丝电源
IGBT 栅极驱动电源
器件信息
型号
封装
尺寸
SPQ
VPS8701
SOT23-6
3.0mm*2.8mm
3000
4 简化应用
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1
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5 引脚及功能
名称
编号
类型
描述
EN
1
I
使能引脚。引脚电压拉成低电位时芯片停止工作,悬空或高电位时芯片正常运行。
GND
2
P
逻辑电路地和模拟电路地。
CLK
3
I
VD2
4
O
变压器驱动输出 2。
VIN
5
I
电源输入,利用 1uF 电容将 VIN 旁路到 GND,电容尽量靠近器件放置。
VD1
6
O
变压器驱动输出 1。
振荡器时钟调节输入。此引脚悬空时工作频率的典型值为 250K,可外接电阻到 GND
引脚用于调节振荡器的工作频率。
6 技术规格
6.1 绝对最大额定值
VIN 输入电压
VIN
LDMOS 管漏极电压
VD1,VD2
LDMOS 管峰值电流
I(VD1)Pk ,I(VD2)Pk
EN,CLK 引脚电压
EN,CLK
最大工作结温
TJMAX
存储温度范围
TSTG
最小值
最大值
单位
-0.3
38
V
1.2
A
6.6
V
150
℃
150
℃
-0.3
-55
超过绝对最大额定值的应力可能会对器件造成永久性损坏。这些仅为应力额定值,并不意味着器件在这些或任
何其他条件下的功能操作超出了推荐工作条件下的指示。长期暴露在绝对最大额定条件下可能会影响器件的可靠
性。所有电压都与接地有关。电流为正输入,负输出。
6.2 ESD 能力
V(ESD)
抗静电能力
数值
单位
人体模式 HBM,per ESDA/JEDEC JS-001-2017;(Zap 1 pulse,Interval:>=0.1S)
±4000
V
机器模式 CDM,per ESDA/JEDEC JS-002-2014
±1000
V
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6.3 推荐工作条件
最小值
VIN 输入电压
VIN
LDMOS 管漏极电流
典型值
6.5
IVD1,IVD2
工作结温
TJ
-40
最大值
单位
30
V
0.3
A
125
℃
6.4 电气性能参数
在没有特别说明的情况下,以下参数在 VIN=12V,温度 T=25℃、CLK 悬空的条件下测得。
符号
参数
测试条件
最小
典型
最大
单位
30
V
6.4
V
输入引脚 VIN
VIN
输入电压范围
6.5
VIN(ON)
启动电压
EN 悬空,VIN 上升
VIN(HYS)
回差电压
EN 悬空,VIN 下降
IQ
VIN 静态电流
VD1、VD2、CLK、EN 悬空
IVIN(EN)
使能关断后 VIN 的电流
VEN(ON)
4.9
5.9
1.1
1.5
V
2.1
2.8
mA
EN=0
12
20
uA
EN 使能开启电压
VEN 电压上升
1.51
V
VEN(HYS)
EN 使能关断回差
VEN 电压下降
100
mV
IEN(SRC)
EN 流出的电流大小
VEN 电压上升至 VEN(ON)+0.1V
20
uA
使能引脚 EN
输出端口 VD1\VD2
DMM
VD1\VD2 脉宽失配比例
RDSN(ON)
NMOS 管导通电阻
0%
T=25℃,IDS=0.2A
0.25
T=100℃,IDS=0.2A
0.34
T=25℃,IDS=0.2A
0.60
T=100℃,IDS=0.2A
0.80
Ω
RDSP(ON)
PMOS 管导通电阻
VSLEW
电压摆率
VD1 和 VD2 之间接 240Ω电阻
350
V/us
tBBM
VD1\VD2 间隔时间
VD1 和 VD2 之间接 240Ω电阻
180
ns
ILIM
电流钳位限制值
VD1 和 VD2 短接,测试 VIN 的电流
350
450
fSW0
默认频率
CLK 悬空
228
250
272
kHz
fSW1
外接电阻调频
CLK 接 47kΩ电阻到地
400
470
540
kHz
145
162
178
℃
600
mA
调频引脚 CLK
过温保护
TSHDN
过温保护阈值
TSHDN(HYS)
过温保护回差
TOFFMIN(OTP)
过温保护最小关断时间
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27
18
2
℃
Tsw
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6.5 典型特征曲线
图 1 输出电压 vs 输出电流
图 2 转换效率 vs 输出电流
(VPS8701+VPT87DB-01B,12V to 5V/1W)
(VPS8701+VPT87DB-01B,12V to 5V/1W)
图 3 输出电压 vs 输出电流
(VPS8701+VPT87FB-01B,24V to 5V/1W)
图 5 输出电压 vs 输出电流
(VPS8701+VPT87DD-01B,12V to 12V/1W)
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图 4 转换效率 vs 输出电流
(VPS8701+VPT87FB-01B,24V to 5V/1W)
图 6 转换效率 vs 输出电流
(VPS8701+VPT87DD-01B,12V to 12V/1W)
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图 7 频率 vs 环境温度
图 8 频率 vs RT
图 9 频率 vs 输入电压
图 10 死区时间 vs RT
图 11 钳位电流 vs 输入电压
图 12 钳位电流 vs 环境温度
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7 参数测试电路
图 7.1 fsw0\ VSLEW \tBBM 的测试电路
图 7.2.VD1 和 VD2 引脚电压时序图
图 7.3 ILIM 测试电路
图 7.4 ILIM 测试时序图
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8 功能及原理
8.1 概述
VPS8701 是一款适用于全桥拓扑结构的 DCDC 隔离型开关电源集成控制器,桥式驱动方式的变压器绕组少,成本低。满足
6.5V~30V 的应用,兼容性强。电流过大时钳位限制功率管电流,既保证了芯片自身工作在安全区,又使得外围器件免受大电流冲击。
它的工作频率可以通过 CLK 引脚来设定(悬空时为默认频率),并且在两路驱动之间设计了死区时间 tBBM,既避免了共通的现象,
又可降低功率管开通时的漏源电压,减小了开关损耗。
可通过 EN 引脚来控制芯片的开通或关断。EN 被拉成高电位时(悬空时被自行拉成高电位),芯片正常运行;EN 被拉成低电位
时,芯片停止工作,实现超低待机功耗。
8.2 功能框图
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8.3 工作模式
8.3.4 输出短路保护原理
8.3.1 全桥驱动时序
全桥变换器输出短路保护由电流钳位驱动模式和延时恢复
式过温保护模式共同作用来实现。在输出短路时,变压器原边绕
组 NP 被钳位,承接的压降较小,输入电源 VIN 大部分压降由 N
沟道 MOS 管承接,那么检测到功率管通过较大的电流,芯片进
入电流钳位驱动模式,由于功率管发热致使芯片的温度逐渐上升
至触发延时恢复式过温保护模式。环境温度越低,或者输入电压
越小时温度上升的速率越小,都会使得温度上升至过温保护的时
间越长,从而获得自适应的超强容性负载能力。即使在温度较高
图 8.3.1 驱动时序图
图 8.3.1 中,NG1 和 NG2 分别对应功率管 NM1 和 NM2
的环境下,延时恢复的模式也使容性负载达到最优。
8.3.5 一般工作模式
栅极电压的逻辑电平,它们的高电平脉宽相同,高电平之间存在
在启动阶段,由于变换器输出电容的电压较低,功率管的电
一段时间同时为低电平,该时间为死区时间 tBBM,用以避免两路
流较大,那么此阶段以电流钳位驱动模式启动;当变换器输出电
功率管的共通现象,以及实现功率管在较低漏源电压下开通,减
压达到额定输出电压附近时,功率管电流较小,驱动电压增加使
小开关损耗。tBBM 主要由振荡器时钟 CLK 的低电平时间形成,从
其导通内阻最小。
而它的大小与芯片的工作频率相关联,频率越小死区时间越大,
8.3.6 使能关断模式
反之越小。在关断功率管 NM1 和 NM2 时检测其栅极电压大小,
为了实现超低待机功耗,VPS8701 具有使能控制端口 EN,
待功率管关断后才产生 tBBM,避免驱动延时及其温度系数而影响
它的电压小于 1.51V 时器件停止工作。器件内部 EN 处有两个上
死区时间的大小,确保全输入电压范围应用中的一致性。
拉电阻,
一个是到 VIN 的 1.1MΩ电阻,
一个是连接在 EN 和 3.7V
8.3.2 电流钳位驱动模式
电压之间的电阻 180kΩ,当 EN 电压被拉低关闭器件后,3.7V
在变换器启动阶段、输出短路时或者变压器磁饱和时,会检
电压变为 0V,所以使能关闭后器件的功耗等于输入电压 VIN 在
测到通过功率管的电流过大,则减小功率管 NM1 和 NM2 的栅
1.1MΩ电阻上产生的电流。
极驱动电压,限制它的电流大小等于电流钳位限制值(Current
8.3.7 频率编程
clamp limit)ILIM,这样既保证功率管处于安全工作区,又使得变
频率设置引脚 CLK 的基准电压为 1.2V,它在该引脚处连接
压器和输出整流二极管免受大电流的冲击,提高变换器的可靠
到 GND 的电阻上产生基准电流,与内部电容形成振荡器的时间
性。
常数。内部在 CLK 与 GND 之间已连接 41.4kΩ的电阻,产生 CLK
8.3.3 延时恢复式过温保护模式
悬空时的默认频率 250kHz。在 CLK 外围连接电阻 RT 到“地”
芯片内部温度超过设定值时进入保护状态,禁止开启所有功
率管。再次恢复到驱动功率管的模式,必须满足两个条件:1、
温度往下回撤至恢复阈值以下;2、强制休息时间已结束。这种
保护模式,在过温保护后再次重启时芯片内部温度更接近环境温
可设置更高的工作频率。公式为:
10350
41.4
fsw=
= 1+
×250(kHz)
RT
41.4‖RT (kΩ)
度,上升到过温保护触发点具有最大的温差范围,驱动功率管的
最大时间更长,从而具有更大的容性负载能力,避免在较大输出
电容下出现过温保护后启动异常的现象。
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8.4 全桥变换器
8.4.1 全桥变换器工作原理
全桥变换器的工作过程接近 100%占空比向副边传输能量,
因此具备很高的转换效率,同时也具有良好的动态特性。经整流
后,理论上只需要很小的输出滤波电容,即可达到幅值较小的输
出电压纹波。但是,为了保证全桥变换器原边两路开关管切换过
程不出现共通的现象和尽量小的开关损耗,控制器会设定一定的
死区时间来保证工作过程的可靠,在死区时间内,全桥变压器不
能向负载传输能量,而是由输出电容提供,因此会产生一定幅值
的输出电压纹波。
8.4.2 磁芯磁化
图 8.4.2 推挽变压器磁芯磁化曲线
图 8.4.1 全桥变换器的工作过程示意图
当 S=0 时,P 型沟道 MOS 管 PM1 和 N 型沟道 MOS 管
全桥变压器的正常工作需要满足“伏秒平衡”的要求,即变
压器励磁过程产生的伏-秒积应等于去磁过程产生的伏-秒积。如
NM2 导通,P 型沟道 MOS 管 PM2 和 N 型沟道 MOS 管 NM1
不相等,则可能会出现磁芯饱和的现象。它的磁芯磁化曲线如图
截止,形成第一方向的隔离传输:在变压器原边,电流从输入电
8.4.2 所示,其中 B 表示为磁芯的磁通密度,H 表示为磁芯内部
源正端 VIN 经过 PM1 后从变压器原边绕组 NP 的同名端流入,
的磁场强度。当开关管 PM1 和 NM2 开通时,全桥变压器处于
异名端流出,并经过 NM2 后流到输入电源 GND;在变压器副
“励磁”阶段,磁通密度将沿着 A 至 A’的箭头方向持续增加,
边,电流从绕组 NS1 的异名端流入,同名端流出,再经过正向导
PM1 和 NM2 关断时刻,磁通密度将达到正向最大值 A’,当开
通整流二极管 D1 后到达变换器的输出端,绕组 NS2 无电流通过,
关管 PM2 和 NM1 开通时,全桥变压器处于“去磁”阶段,磁
整流二极管 D2 处于截止状态。
通密度将沿着 A’至 A 的箭头方向持续减小,PM2 和 NM1 关断
当 S=1 时,P 型沟道 MOS 管 PM2 和 N 型沟道 MOS 管
时刻,磁通密度将达到负向最大值 A。磁通密度 B 的大小主要由
NM1 导通,P 型沟道 MOS 管 PM1 和 N 型沟道 MOS 管 NM2
开关管开通过程变压器原边绕组的电压幅值 Vp 和开关管开通时
截止,形成第二方向的隔离传输:在变压器原边,电流从输入电
间 Ton 的乘积决定,即 Vp*Ton,通常称之为“伏-秒积”。变压
源正端 VIN 经过 PM2 后从变压器原边绕组 NP 的异名端流入,
器的正常工作要求满足“伏秒平衡”的原则,即变压器励磁过程
同名端流出,并经过 NM1 后流到输入电源 GND;在变压器副
产生的伏-秒积应等于去磁过程产生的伏-秒积。如不相等,则会
边,电流从绕组 NS2 的同名端流入,异名端流出,再经过正向导
出现偏磁现象,随着变换器的持续工作,偏磁能量的累积最终会
通整流二极管 D2 后到达变换器的输出端,绕组 NS1 无电流通过,
导致磁芯的磁通密度向偏磁的方向逐渐增加而超出磁性元件的
整流二极管 D1 处于截止状态。
饱和磁密范围,最终导致磁芯饱和无法正常工作。
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9 典型应用
图 9 典型应用原理图
9.1 设计要求
以下典型应用案例,是基于输入电压 12V±10%,隔离非稳压 5V 输出,最大输出功率为 1W 的典型应用,电源的相关技术指标
如下表所示:
输入输出规格参数表
技术规格
最小值
典型值
最大值
单位
输入电压
10.8
12.0
13.2
V
输出电压
---
5.0
---
V
输出电流
---
0.2
---
A
输出纹波+噪声
---
50
100
mV
电压调整率
---
---
1.5
%
负载调整率
---
---
10
%
转换效率
---
85
---
%
可靠性要求
输出短路保护
可持续,自恢复
工作温度
-40
---
85
℃
隔离耐压
3000
---
---
VDC
9.2 输入电容选型
如图 9 所示,输入电容 C1 兼顾储能、滤波和去耦的作用。
9.3 输出整流二极管选型
输出整流电路建议采用低导通压降和反向恢复时间较短的
如有需要,可在芯片的 VIN 和 GND 之间额外并联一个 0.1uF 的
肖特基二极管,这样能为全桥变换器带来更优的负载调整率和更
陶瓷去耦电容,去耦电容应尽量靠近芯片放置。全桥变换器的工
高的转换效率。本应用方案采用的是输出全波整流电路结构,整
作过程,电容 C1 为变换器提供一定大小的瞬态电流,因此容量
流二极管的反向电压应力为输出电压幅值的 2 倍,因此输出整流
建议在 1uF-10uF 的范围内选取,以减小输入电压纹波。电容的
二极管的反向耐压幅值应按照输出电压的最大幅值(在最高输入
耐压必须能够满足最高输入电压的要求,同时保证降额使用,推
电压,最小负载条件下)的 2 倍以上选取,且要保证降额使用。
荐采用 ESR 较小且温度特性相对稳定的贴片陶瓷电容。为了达到
输出整流二极管应选择能够满足实际工作温度范围要求的型号,
更好的滤波效果,电容 C1 应尽可能靠近芯片放置,功率回路走
尤其要注意的是,在最高工作温度条件下,肖特基二极管的反向
线尽量加粗且短,避免在工作过程中交变电流流经 PCB 引线电
漏电流会大幅增加,因此需要根据二极管的高温工作特性合理的
感产生不必要的电压尖峰。
降额使用,具体可查看二极管规格书的温度降额曲线。
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为确保全桥变换器在任何工况下可靠稳定工作,输出整流二
极管的选型还需考虑在输出端出现短路异常时的最大工作电流。
边绕组的匝数,ILIM-MAX 为芯片的电流钳位限制最大值。
在输出短路保护模式工作过程,全桥变换器处于延时恢复式
VPS8701 在进入输出短路保护模式后,芯片会自动切换成电流
过温保护工作模式,芯片从进入自恢复工作过程,到触发过温保
钳位驱动模式,
将 MOS 管的工作电流限制在电流钳位限制值 ILIM
护停止工作的这段时间内,整流二极管处于最大工作电流状态,
(典型值为 450mA,最大值为 600mA),此时可根据变压器匝
因此输出整流二极管选型时还应保证其正向浪涌电流峰值
数比关系得出输出整流二极管的最大工作电流,可通过以下公式
(IFSM-Forward current surge peak)能满足要求。
计算:
本应用方案可选用型号为 RB160M-30 的肖特基二极管,此
I D MAX
NP
I LIM MAX
NS
其中 NP 为全桥变压器原边绕组的匝数,NS 为全桥变压器副
二极管在 75℃工作温度条件下,正向导通压降约为
280mV@0.2A,反向漏电流约为 90uA@15V,正向浪涌电流峰
值为 IFSM=30A。如果有更高的工作温度设计要求,应选择高温
条件下反向漏电流更小的肖特基二极管。
图 9.3 肖特基二极管 RB160M-30 工作特性曲线
9.4 输出电容选型
全桥变换器理论上可实现 100%占空比向副边传输能量,但
为了保证变换器的可靠工作,两桥臂开关切换过程需要预留一定
的死区时间,以防止出现共通。死区时间内,输出能量主要依靠
输出滤波电容 C3 提供,因此在此阶段会产生一定幅值的输出纹
波。实际使用时,电容 C3 推荐使用 4.7uF-10uF 的陶瓷电容,
可为变换器带来更好的滤波效果。
9.5 全桥变压器选型
原副边绕组匝数比估算
得出整流二极管在最大输出负载条件下的正向导通压降 VF。即可
根据原边绕组的输入电压与副边绕组的输出最小电压估算全桥
变压器的原副边绕组匝数比。
在标称输入,输出满载条件下,全桥变压器原边绕组两端的
输入电压为:
VP VIN -
PO-MAX
( RDSP ( ON ) RDSN ( ON ) )
VIN
其中,PO-MAX 为全桥变换器的最大输出功率,η为标称输入,
满载条件下全桥变换器估算的转换效率,RDSP(ON)和 RDSN(ON)分别
假设已根据设计要求选定了全桥变换器的输出整流二极管,
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为芯片内置 P-MOS 管和 N-MOS 管的导通电阻。
输出满载条件下,副边绕组的输出最小电压为:
VS VO - MIN VF
其中,VO-MIN 为满载条件下,全桥变换器允许输出的最小电
压,为保证全负载条件下输出电压特性曲线满足规格要求,VO-MIN
可按标称输出电压的 97%估算(标称输出电压的-3%精度),VF 为
满载条件下所选输出整流二极管的正向导通压降。
由上述公式可得出原副边绕组匝数比的计算公式:
N PS
V IN
PO MAX
( R DSP ( ON ) R DSN ( ON ) )
V IN
VO MIN V F
以本应用案例的输入输出要求,可估算得出全桥变压器原副
边绕组的匝数比为:
N PS
12V
1W
(0.60Ω 0.25Ω)
0.85 12V
2 .3
5V 0.97 0.34V
全桥变压器伏秒积估算
隔离电源应用,通常规定标称输入电压的±10%作为电源的输入
范围,因此全桥变压器的伏秒积应按照电源输入电压的上限作为
计算依据。同时还应考虑芯片本身设定的频率和容差,满足最小
工作频率条件下不会出现饱和现象。通过 VPS8701 施加在变压
器原边绕组的最大伏秒积是在已设定好的最小工作频率对应开
关周期的一半、最高输入电压条件下产生。因此,全桥变压器最
小伏秒积估算可参考如下计算方法:
Vt MIN VIN MAX
TMAX VIN MAX
2
2 f MIN
以本应用案例的设计要求,假设已设定好的工作频率典型值
为 250KHz,最小工作频率为 228KHz,在最高输入条件下,所
选全桥变压器的伏秒积应满足:
Vt MIN
12V 110 %
28.95Vs
2 228 KHz
全桥变压器的选型应根据实际应用要求寻找合适大小的伏
秒积和原副边绕组匝数比,同时最大输出功率、隔离电压等级、
隔离分布电容等也应作为全桥变压器选型的重要参考依据。
为防止变压器饱和,所选用全桥变压器的伏秒积必须大于
VPS8701 在所有正常工况下产生的最大伏秒积。在窄范围输入
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10 典型应用电路
图 10.1
图 10.2
图 10.3
图 10.4
VIN(V)
VOUT(V)
12
5
24
5
12
12
12
24
24
24
24
12
12
15
12
9
24
9
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TR
隔离电压
参考原理图
图 10.1
VPT87DFB01B
图 10.2
图 10.1
VPT87DDF01B
图 10.3
3750VDC
图 10.4
图 10.2
VPT87DFE01B
VPT87DFC01B
图 10.1
图 10.1
图 10.2
Copyright©Jun. 2020,Very power Incorporated
13
VPS8701 微功率隔离电源专用芯片
6.5-30VIN/30V/0.3A 功率管
11 封装信息
SOT23-6
12 订购信息
器件
封装形式
管脚数
包装方式
数量
VPS8701
SOT23-6
6
卷带
3000
丝印*
VPS8701
XXXX
MSL 等级
MSL-3
*丝印说明:
VPS——公司代号
8701——产品型号
XXXX——产品追溯识别码
For more information@www.vpsct.cn
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