LinkSwitch—TN系列節(jié)能型單片開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

    摘要：在某些家用電器的控制電源以及智能化電能表、住宅供熱控制器中，允許使用非隔離電源。介紹了一種LinkSwitch－TN系列單片開關(guān)電源，可取代傳統(tǒng)的阻容降壓式線性電源，為實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能型小功率開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。

    關(guān)鍵詞：節(jié)能；單片開關(guān)電源；Buck電路；Buck?Boost電路；設(shè)計(jì)

引 言

某些電子設(shè)備和家用電器并不需要使用輸入與輸出完全隔離的開關(guān)電源。例如，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，空調(diào)、無霜冰箱和微波爐中的穩(wěn)壓電源，它們本身就屬于隔離系統(tǒng)，因此可由非隔離式開關(guān)電源供電，但要求這種開關(guān)電源的電路簡單、電源效率高。

    PI公司于2004年1月最新推出LinkSwitch—TN系列四端非隔離式、節(jié)能型單片開關(guān)電源專用IC，它是專門為取代家用電器及工業(yè)領(lǐng)域所用小功率線性電源而設(shè)計(jì)的，不僅能去掉笨重的電源變壓器，還克服了阻容降壓式線性電源負(fù)載特性差的缺陷。LinkSwitch—TN系列包含LNK304P／G、LNK305P／G、LNK306P／G共6種型號(hào)，最大輸出電流為360mA，適用于家用電器中的控制電源以及LED驅(qū)動(dòng)器。

1LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源的性能特點(diǎn)

1）LinkSwitch—TN系列產(chǎn)品能以最少數(shù)量的外圍元器件，構(gòu)成非隔離式、節(jié)能型開關(guān)電源。與傳統(tǒng)的“無源（靠電容降壓）”解決方案相比，LinkSwitch－TN采用了EcoSmart?節(jié)能技術(shù)，不僅能達(dá)到比電容降壓式線性穩(wěn)壓電源更高的效率，而且可提高功率因數(shù)。

    2）使用靈活，既可設(shè)計(jì)成正壓輸出的降壓式（Buck）電路，亦可設(shè)計(jì)成負(fù)壓輸出的降壓或升壓式（Buck?Boost）電路、降壓式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，能滿足不同用戶的需要。

3）輸入電壓范圍寬，在交流85～265V范圍內(nèi)具有良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。有兩種工作模式可供選擇，即連續(xù)模式（CCM），不連續(xù)模式（DCM），多數(shù)情況下選擇不連續(xù)模式。

4）抗干擾能力強(qiáng)，低功耗。LinkSwitch—TN的開關(guān)頻率為66kHz，頻率抖動(dòng)范圍是4kHz。利用頻率抖動(dòng)技術(shù)能將電磁干擾降低10dB，還能減小EMI濾波器的功耗。功率MOSFET能快速導(dǎo)通，并且無過沖現(xiàn)象。當(dāng)電源空載且輸入電壓為230V時(shí)，采用自供電降壓電路的功耗僅為80mW；采用外部偏置電路時(shí)的功耗低至12mW。

5）保護(hù)功能完善。芯片內(nèi)部有短路后自動(dòng)重啟動(dòng)的保護(hù)電路、開環(huán)故障檢測及保護(hù)電路、限流保護(hù)電路和具有滯后特性的過熱保護(hù)電路。

在交流固定輸入230（1±15％）V或交流寬范圍輸入（亦稱通用輸入）時(shí)，LinkSwitch—TN的最大輸出電流值見表1。

表1 LinkSwicth—TN系列產(chǎn)品的最大輸出電流值

2 LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源的接線方式

2.1 LinkSwitch—TN的7種電路接線方式

LinkSwitch—TN的7種接線方式分別如圖1（a）～（g）所示。用戶可根據(jù)需要選其中一種電路。

2.1.1 正端降壓式直接反饋電路

正端降壓式直接反饋電路見圖1（a）。其主要特點(diǎn)如下：——輸出取決于輸入（下同，不再贅述）；

——正壓輸出；

——UO<UI；

——電路簡單，成本低；

——UO的精確度約為±10％。

2.1.2 正端降壓式光耦反饋電路

正端降壓式光耦反饋電路見圖1（b）。其主要特點(diǎn)如下：

——正壓輸出；

——UO<UI；

——采用光耦反饋電路，由外部基準(zhǔn)電壓決定UO的精確度，輸出端不需要接負(fù)載電阻，空載時(shí)的功耗最低。

    2.1.3 負(fù)端降壓式光耦反饋電路

負(fù)端降壓式光耦反饋電路見圖1（c）。其主要特點(diǎn)如下：

——正壓輸出；

——UO<UI；

——采用光耦反饋電路，由外部基準(zhǔn)電壓決定UO的精確度，輸出端不需要接負(fù)載電阻。

2.1.4 負(fù)端降壓式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

負(fù)端降壓式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路見圖1（d）。它適合驅(qū)動(dòng)LED，其他特點(diǎn)與2.1.3相同。

2.1.5 正端升壓／降壓式直接反饋電路

正端升壓／降壓式直接反饋電路見圖1（e）。其主要特點(diǎn)如下：

——負(fù)壓輸出；

——升壓或降壓式輸出，做升壓式輸出時(shí)，

|UO|>UI；做降壓式輸出時(shí)，|UO|<UI；

——電路簡單，成本低，UO的精確度約為±10％；

——即使功率MOSFET失效，輸入端電壓也不會(huì)加到輸出端上而損壞負(fù)載。

圖2

    2.1.6 正端升壓／降壓式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

正端升壓／降壓式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路見

圖1（f）。該電路適合驅(qū)動(dòng)LED，它比圖1（d）所示電路恒流驅(qū)動(dòng)的精確度更高，受環(huán)境溫度的影響更小。其他特點(diǎn)與2.1.5相同。

2.1.7 負(fù)端升壓／降壓式光耦反饋電路

負(fù)端升壓／降壓式光耦反饋電路見圖1（g）。其主要特點(diǎn)如下：

——負(fù)壓輸出；

——升壓或降壓式輸出，做升壓式輸出時(shí)，

|UO|>UI；做降壓式輸出時(shí)，|UO|<UI；

——采用光耦反饋電路，由外部基準(zhǔn)電壓決定UO的精確度，輸出端不需要接負(fù)載電阻；

——即使功率MOSFET失效，輸入端電壓也不會(huì)加到輸出端上；

——空載時(shí)的功耗最低。

2.2 基本電路結(jié)構(gòu)

由LinkSwitch—TN系列構(gòu)成非隔離式電源時(shí)有兩種基本電路結(jié)構(gòu)，即Buck（降壓式）變換器，Buck?Boost（降壓或升壓式）變換器，分別如圖2（a）及圖2（b）所示。RF為熔斷電阻器，VDIN1及VDIN2為輸入級(jí)整流管。VDFW為超快恢復(fù)二極管。CIN1及CIN2為輸入級(jí)濾波電容，LIN為輸入級(jí)電感。CBP為旁路電容，RBAIS為偏置電阻。RFB，CFBB和VDFB分別為反饋電阻、反饋電容和反饋二極管。L為輸出級(jí)電感，RPL為負(fù)載電阻。圖2（a）及圖2（b）所示電路的主要區(qū)別是VDFW及L的接線位置不同。Buck變換器是將VDFW并聯(lián)在源極與輸入電壓的負(fù)端之間，L串聯(lián)在源極與輸出電壓的正端之間。Buck?Boost變換器則與之相反。對(duì)于給定的LinkSwitch—TN芯片和電感值，選擇Buck拓?fù)洳粌H可獲得最大輸出功率，還能降低LinkSwitch—TN芯片所承受的電壓，減小通過濾波電感的平均電流。

3 LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用

由LNK304構(gòu)成＋12V/120mA非隔離式

開關(guān)電源的電路如圖3所示，其輸出功率為1.44W。該電路適用于空調(diào)、洗碗機(jī)、電飯煲等家用電器的控制電源，亦可用做夜間照明燈、LED驅(qū)動(dòng)器、智能化電能表以及住宅供熱控制器，在這些地方允許使用非隔離電源。

    輸入電路由可熔斷電阻器RF、二極管VD1及VD2、電容C4及C5和電感L2組成。可熔斷電阻器具有以下功能：

——對(duì)VD1和VD2起限流保護(hù)作用；

——降低串模噪聲干擾；

——當(dāng)其他元器件發(fā)生短路故障時(shí)，RF迅速被熔斷，切斷輸入電壓。

用可熔斷電阻器代替保險(xiǎn)管的優(yōu)點(diǎn)是它在熔斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花或煙霧，既安全又不造成干擾。將二極管VD1和VD2串聯(lián)后，耐壓能力可提高到2kV，并且使噪聲電流只在二極管導(dǎo)通時(shí)通過。

電源調(diào)整電路由LNK304、UF4005型超快恢復(fù)二極管VD3、輸出儲(chǔ)能電感L1和濾波電容C2組成。電感L1的峰值電流是由LNK304P的極限電流來限制的，其控制方案與TinySwitch中的開／關(guān)控制器很相似。

由于VD4（玻璃鈍化的1N4005GP）和VD3的正向壓降相同，因此C3兩端的電壓能跟隨輸出電壓的變化。C3上的電壓經(jīng)過電阻R1和R3分壓后送至LNK304的引腳FB。為達(dá)到所期望的輸出電壓值，UFB應(yīng)等于0.65V。

LNK304是通過跳過周期的方式來對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，流入引腳FB的電流IFB也會(huì)增加，若電流IFB>49μA，則隨后的周期將被跳過去，直到IFB<49μA。因此，當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)將跳過許多周期；負(fù)載加重時(shí)跳過的周期較少。如果發(fā)生輸出過載、輸出短路故障，LinkSwitch—TN開關(guān)就進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段，輸出功率降至POM×6％，從而限制了平均輸出功率。R2為負(fù)載電阻，可將輕載或空載時(shí)的輸出電壓與額定輸出電壓的誤差控制在±10％以內(nèi)。取R2=2.4kΩ時(shí)，預(yù)設(shè)的負(fù)載電流為5mA。

實(shí)測該開關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整曲線如圖4所示。

4 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

下面以圖3為例，介紹LinkSwitch—TN的電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

4.1 續(xù)流二極管VD3

采用不連續(xù)模式時(shí)，VD3應(yīng)選擇trr≤75ns的超快恢復(fù)二極管作為續(xù)流二極管；采用連續(xù)模式時(shí)，要求trr≤35ns。UF4005屬于超快恢復(fù)二極管，其trr=30ns，能滿足上述兩種工作模式的需要。不要使用快恢復(fù)二極管，因?yàn)?，這種管子的反向恢復(fù)時(shí)間為幾百ns，在啟動(dòng)過程中會(huì)使LinkSwitch—TN總處于連續(xù)工作模式，從而產(chǎn)生上升沿很高的尖峰電流強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換周期提前結(jié)束，使輸出無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 反饋二極管VD4

反饋二極管VD4可選用廉價(jià)的整流管，如1N4005型整流管，但最好采用玻封管，這種管子的反向恢復(fù)時(shí)間較短。此外，VD4和VD3的正向壓降應(yīng)相等。

4.3 電感L1

推薦L1采用帶鐵氧體磁芯的電感，以降低成本并減小音頻噪聲。L1的電感量應(yīng)大于或等于設(shè)計(jì)值，所能承受的有效值電流也要留出一定余量。

4.4 輸出級(jí)濾波電容C2

C2的主要作用是平滑濾波。鑒于輸出的紋波電壓與C2的等效串聯(lián)電阻（ESR）呈函數(shù)關(guān)系，因此，要盡量選擇低ESR的電容。

4.5 反饋電阻（R1）和偏置電阻（R3）

由R1和R3構(gòu)成的電阻分壓器應(yīng)使引腳FB的電壓保持在1.65V。R3可選擇標(biāo)稱阻值為2kΩ/±1％的電阻。

    4.6 反饋電容C3

C3可選普通的電解電容，它具有“取樣保持”的功能。在LinkSwitch—TN關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，C3上的電壓被充電到輸出電壓值。C3的電容量范圍是10～22μF，當(dāng)電容量取得過小時(shí)會(huì)降低在小負(fù)載情況下的穩(wěn)壓性能。

4.7 負(fù)載電阻R2

當(dāng)最小負(fù)載電流小于3mA時(shí)，直接反饋式電路要求有一個(gè)負(fù)載電阻來維持輸出電壓的穩(wěn)定。選擇R2=4kΩ時(shí)，可使IOmin=3mA。

此外，在光耦反饋式電路中還需要給外部穩(wěn)壓管接限流電阻（RZ），將穩(wěn)壓管的工作電流限制在1～2mA，以減小空載時(shí)輸出的紋波電壓，參見圖1（c）。

5 結(jié)語

LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源具有性能先進(jìn)、使用靈活、電路簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。利用LinkSwitch—TN還可設(shè)計(jì)多路輸出式開關(guān)電源，其特點(diǎn)是電源的總輸出電壓及總輸出電流等于各路輸出之和（對(duì)負(fù)壓應(yīng)取絕對(duì)值）。