LinkSwitch—TN系列節(jié)能型單片開關電源的電路設計

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系列單片開關電源，可取代傳統(tǒng)的阻容降壓式線性電源，為實現高效節(jié)能型小功率開關電源的優(yōu)化設計創(chuàng)造了有利條件。

關鍵詞：節(jié)能；單片開關電源；Buck電路；Buck?Boost電路；設計

0    引言

    某些電子設備和家用電器并不需要使用輸入與輸出完全隔離的開關電源。例如，直流電機的驅動電源，空調、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電源供電，但要求這種開關電源的電路簡單、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)能型單片開關電源專用IC，它是專門為取代家用電器及工業(yè)領域所用小功率線性電源而設計的，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載特性差的缺陷。LinkSwitch—TN系列包含LNK304P／G、LNK305P／G、LNK306P／G共6種型號，最大輸出電流為360mA，適用于家用電器中的控制電源以及LED驅動器。

1    LinkSwitch—TN系列單片開關電源的性能特點

    1）LinkSwitch—TN系列產品能以最少數量的外圍元器件，構成非隔離式、節(jié)能型開關電源。與傳統(tǒng)的“無源（靠電容降壓）”解決方案相比，LinkSwitch－TN采用了EcoSmartR節(jié)能技術，不僅能達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。

    2）使用靈活，既可設計成正壓輸出的降壓式（Buck）電路，亦可設計成負壓輸出的降壓或升壓式（Buck-Boost）電路、降壓式LED恒流驅動電路，能滿足不同用戶的需要。

    3）輸入電壓范圍寬，在交流85～265V范圍內具有良好的電壓調整率和負載調整率。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），多數情況下選擇不連續(xù)模式。

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

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

    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，LinkSwitch—TN的最大輸出電流值見表1。

表1    LinkSwicth—TN系列產品的最大輸出電流值     mA

2    LinkSwitch—TN系列單片開關電源的接線方式

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。用戶可根據需要選其中一種電路。

（a）正端降壓式直接反饋電路

（b）正端降壓式光耦反饋電路

（c）負端降壓式光耦反饋電路

（d）負端降壓式LED恒流驅動電路

（e）正端升壓／降壓式直接反饋電路 [!--empirenews.page--]

（f）正端升壓／降壓式LED恒流驅動電路

（g）負端升壓／降壓式光耦反饋電路

圖1    LinkSwitch—TN的7種接線方式

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）。其主要特點如下：

    ——正壓輸出；

    ——UO<UI；

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

2.1.3    負端降壓式光耦反饋電路

    負端降壓式光耦反饋電路見圖1（c）。其主要特點如下：

    ——正壓輸出；

    ——UO<UI；

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

2.1.4    負端降壓式LED恒流驅動電路

    負端降壓式LED恒流驅動電路見圖1（d）。它適合驅動LED，其他特點與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）。其主要特點如下：

    ——負壓輸出；

    ——升壓或降壓式輸出，做升壓式輸出時，|UO|>UI；做降壓式輸出時，|UO|<UI；

    ——電路簡單，成本低，UO的精確度約為±10％；

    ——即使功率MOSFET失效，輸入端電壓也不會加到輸出端上而損壞負載。

2.1.6    正端升壓／降壓式LED恒流驅動電路

    正端升壓／降壓式LED恒流驅動電路見圖1（f）。該電路適合驅動LED，它比圖1（d）所示電路恒流驅動的精確度更高，受環(huán)境溫度的影響更小。其他特點與2.1.5相同。

2.1.7    負端升壓／降壓式光耦反饋電路

    負端升壓／降壓式光耦反饋電路見圖1（g）。其主要特點如下：

    ——負壓輸出；

    ——升壓或降壓式輸出，做升壓式輸出時，|UO|>UI；做降壓式輸出時，|UO|<UI；

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

    ——即使功率MOSFET失效，輸入端電壓也不會加到輸出端上；

    ——空載時的功耗最低。

2.2    基本電路結構

    由LinkSwitch—TN系列構成非隔離式電源時有兩種基本電路結構，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為輸入級整流管。VDFW為超快恢復二極管。CIN1及CIN2為輸入級濾波電容，LIN為輸入級電感。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為輸出級電感，RPL為負載電阻。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并聯在源極與輸入電壓的負端之間，L串聯在源極與輸出電壓的正端之間。Buck-Boost變換器則與之相反。對于給定的LinkSwitch—TN芯片和電感值，選擇Buck拓撲不僅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。

（a）Buck變換器  [!--empirenews.page--]

（b）Buck-Boost變換器

圖2    LinkSwitch—TN的兩種基本電路結構

3    LinkSwitch—TN系列單片開關電源的典型應用

    由LNK304構成＋12V/120mA非隔離式開關電源的電路如圖3所示，其輸出功率為1.44W。該電路適用于空調、洗碗機、電飯煲等家用電器的控制電源，亦可用做夜間照明燈、LED驅動器、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。

圖3    ＋12V/120mA非隔離式開關電源的電路

    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?？扇蹟嚯娮杵骶哂幸韵鹿δ埽?/p>

    ——對VD1和VD2起限流保護作用；

    ——降低串模噪聲干擾；

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

    用可熔斷電阻器代替保險管的優(yōu)點是它在熔斷時不會產生電火花或煙霧，既安全又不造成干擾。將二極管VD1和VD2串聯后，耐壓能力可提高到2kV，并且使噪聲電流只在二極管導通時通過。

    電源調整電路由LNK304、UF4005型超快恢復二極管VD3、輸出儲能電感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上的電壓經過電阻R1和R3分壓后送至LNK304的引腳FB。為達到所期望的輸出電壓值，UFB應等于0.65V。

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

    實測該開關電源的負載調整曲線如圖4所示。

圖4    負載調整曲線

4    電路設計要點

    下面以圖3為例，介紹LinkSwitch—TN的電路設計要點。

4.1    續(xù)流二極管VD3

    采用不連續(xù)模式時，VD3應選擇trr≤75ns的超快恢復二極管作為續(xù)流二極管；采用連續(xù)模式時，要求trr≤35ns。UF4005屬于超快恢復二極管，其trr=30ns，能滿足上述兩種工作模式的需要。不要使用快恢復二極管，因為，這種管子的反向恢復時間為幾百ns，在啟動過程中會使LinkSwitch—TN總處于連續(xù)工作模式，從而產生上升沿很高的尖峰電流強迫轉換周期提前結束，使輸出無法達到穩(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時間較短。此外，VD4和VD3的正向壓降應相等。

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的電感量應大于或等于設計值，所能承受的有效值電流也要留出一定余量。

4.4    輸出級濾波電容C2

    C2的主要作用是平滑濾波。鑒于輸出的紋波電壓與C2的等效串聯電阻（ESR）呈函數關系，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構成的電阻分壓器應使引腳FB的電壓保持在1.65V。R3可選擇標稱阻值為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關閉時間內，C3上的電壓被充電到輸出電壓值。C3的電容量范圍是10～22μF，當電容量取得過小時會降低在小負載情況下的穩(wěn)壓性能。

4.7    負載電阻R2

    當最小負載電流小于3mA時，直接反饋式電路要求有一個負載電阻來維持輸出電壓的穩(wěn)定。選擇R2=4kΩ時，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，以減小空載時輸出的紋波電壓，參見圖1（c）。

5    結語

    LinkSwitch—TN系列單片開關電源具有性能先進、使用靈活、電路簡單、成本低廉等優(yōu)點，具有良好的應用前景。利用LinkSwitch—TN還可設計多路輸出式開關電源，其特點是電源的總輸出電壓及總輸出電流等于各路輸出之和（對負壓應取絕對值）。