LinkSwitch系列恒壓/恒流式單片開關(guān)電源的應(yīng)用

0    引言

    恒壓／恒流（CV／CC）式開關(guān)電源是最常用的一種特種電源。2002年9月，PI公司率先推出了LinkSwitch系列（包含LNK500、LNK501）高效率恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源芯片，它是世界上第一個專門為取代4W以下小功率線性穩(wěn)壓電源而研制的高集成度、低成本、高壓功率轉(zhuǎn)換芯片。2004年3月，該公司又研制出LNK520型恒壓或恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源。由LinkSwitch構(gòu)成的恒壓／恒流式開關(guān)電源，價格堪與線性電源相媲美。它比傳統(tǒng)的線性電源體積小，重量輕，特別適合于低成本電池充電器。這種開關(guān)電源可在恒壓、恒流兩種工作模式下自動轉(zhuǎn)換，比用TOPSwitch－Ⅱ構(gòu)成的恒壓／恒流式特種開關(guān)電源大約可節(jié)省20個元器件。當(dāng)額定輸出功率為3W時，LinkSwitch允許采用EE13型磁芯，以進(jìn)一步減小開關(guān)電源的體積。

    LinkSwitch系列單片開關(guān)電源可替代線性電源，廣泛用于各種個人電子設(shè)備（手機(jī)、無繩電話、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、電動剃須刀等）的電池充電器或電源適配器，也可以應(yīng)用在電視機(jī)等家用電器的待機(jī)電源及各種輔助電源中。

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

    1）LinkSwitch系列產(chǎn)品采用PI公司的EcoSmart^R技術(shù)，將700V功率MOSFET、PWM控制器、高壓啟動、電流限制和過熱保護(hù)等電路集成在一個芯片中。該芯片只有3個引腳，對LNK500、LNK501而言，僅須配14個外圍元器件，即可構(gòu)成具有恒壓／恒流（CV/CC）輸出特性的特種開關(guān)電源。用做電源適配器時，LinkSwitch工作在恒壓區(qū)，可為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，此時恒流區(qū)用來提供過載保護(hù)及短路時的自動重啟動保護(hù)。做電池充電器時，LinkSwitch工作在恒流區(qū)，充電完畢自動轉(zhuǎn)入恒壓區(qū)；若在充電過程中因負(fù)載短路而使輸出電壓降至2V以下，則進(jìn)入自動重啟動階段。與線性穩(wěn)壓電源相比，其功耗可降低70％。

    2）LNK500、LNK501在寬范圍輸入（交流85～265V）時的最大輸出功率為3W，交流230V固定輸入時的最大輸出功率為4W。通常將LinkSwitch設(shè)計在不連續(xù)模式下工作。利用光耦反饋技術(shù)可提高恒壓輸出的精度和穩(wěn)定度，而利用外部穩(wěn)壓管進(jìn)行二次穩(wěn)壓能改善恒流特性。

    3）該器件采用新穎的初級恒壓、恒流控制方案，包括初級鉗位、反饋、內(nèi)部供電和回路補(bǔ)償?shù)入娐?，極大地簡化了外圍電路的設(shè)計。LNK500／501不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路，完全由初級感應(yīng)電壓UOR來控制恒壓／恒流輸出。

    4）具有完善的保護(hù)功能，包括過熱保護(hù)，過電流保護(hù)，輸出短路情況下的過載保護(hù)，開路故障保護(hù)和軟啟動功能。

    5）功率MOSFET的漏極擊穿電壓為700V，極限電流固定為254mA，漏－源通態(tài)電阻為28Ω（典型值），最大占空比為77％。自動重啟動頻率為300Hz。過熱保護(hù)溫度為＋135℃，當(dāng)溫度降至＋70℃時芯片才恢復(fù)正常工作。

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

    由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的電路如圖1所示。該電池充電器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：恒壓區(qū)的額定輸出電壓U_o=＋5.5V，恒流區(qū)的輸出電流I_OM=500mA，最大輸出功率P_OM=2.75W；當(dāng)交流輸入電壓u=85～265V時，電源效率η≥72％；當(dāng)交流輸入電壓u=230V或115V時，空載功耗分別為260mW或200mW。

圖1    由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的電路

    RF（Fusible Resistor）采用10Ω、1W的熔斷電阻器，當(dāng)輸入端發(fā)生短路故障時能起到過流保護(hù)作用。BR為1A、600V的整流橋，亦可用4只1N4005型硅整流管來代替。C₁、L和C₂構(gòu)成π型濾波器。LNK501的開關(guān)頻率為42kHz，允許使用簡單的EMI濾波器濾除電磁干擾，而且一般不需要初級返回端與次級返回端之間并聯(lián)一只安全電容（亦稱Y電容）。

    由1A、600V的硅二極管VD₁（1N4937）和0.1μF電容器C₄組成鉗位保護(hù)電路，用來吸收由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓。初級繞組的感應(yīng)電壓值（U_OR）亦稱次級反射電壓，它與輸出電壓U_O之間存在下述關(guān)系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n為初級與次級的匝數(shù)比，U_F1為次級整流管的壓降）。這表明U_OR能反映輸出電壓的高低。因此，利用取樣電容C₄所獲得的反饋電壓同樣能反映出UO的變化情況。電阻R₁的作用就是將C₄上的反饋電壓轉(zhuǎn)換成反饋電流（即控制端電流I_C），進(jìn)而去調(diào)節(jié)LNK501的輸出占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。利用R2可降低開關(guān)噪聲。根據(jù)實(shí)際需要還可在初、次級返回端之間并聯(lián)一只1000～2200pF、耐壓值為1.5kV的安全電容C₆，進(jìn)一步抑制電磁干擾，具體接線方法如圖1中虛線所示。

    在恒壓區(qū)域內(nèi)，輸出電壓受占空比控制。當(dāng)I_C>2mA時，進(jìn)入恒壓區(qū)，輸出電壓及占空比同時降低；在I_C=2.3mA時，進(jìn)行過電流保護(hù)，使占空比降至30％。若U_O降到2V以下，則C₃放電，使LNK501進(jìn)入自動重啟動階段，迅速將輸出電流限制在50mA以下。若實(shí)際輸出功率超過P_OM，則U_O↓→U_OR↓→I_C↓，從而限制了漏極電流ID的進(jìn)一步增大。若因輸出端發(fā)生短路故障而導(dǎo)致輸出功率繼續(xù)增大，則I_C下降到0.9mA，迫使控制端電容C_c放電，LNK501就進(jìn)入自動重啟動階段。上述自動保護(hù)功能提高了電池充電器在工作時的安全性。在空載或輕載的情況下，芯片的功耗隨開關(guān)頻率的降低而降低。

    該恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性如圖2所示。圖2中的實(shí)線代表極限值。次級整流管VD₂采用11DQ06型1A／60V肖特基二極管，亦可用MBR160代替。

圖2    由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性 [!--empirenews.page--]

3    電路設(shè)計要點(diǎn)

3.1    最大輸出功率

    LinkSwitch在交流85～265V寬范圍輸入、交流230V固定輸入時的最大連續(xù)輸出功率（P_OM）分別為3W、4W。為達(dá)到最大連續(xù)輸出功率，設(shè)計電路時應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

    1）設(shè)計的直流輸入電壓最小值U_Imin≥90V。當(dāng)交流輸入電壓u=85～265V時，輸入濾波電容的容量可按3μF/W的比例系數(shù)來選取。對于交流230V或115V固定輸入電壓，可按1μF/W的比例系數(shù)來選取。

    2）LinkSwitch是專門設(shè)計在不連續(xù)模式下工作的，此時初級繞組感應(yīng)電壓U_OR的范圍是40～60V。若設(shè)計成連續(xù)模式，會導(dǎo)致環(huán)路工作不穩(wěn)定。

    3）次級整流管應(yīng)采用肖特基二極管。圖1中的VD₂就采用1A/60V的肖特基二極管。

    4）預(yù)先可假定電源效率η=70％。

    5）源極引腳必須與印制板上的覆銅箔接觸良好，以保證將熱量及時散發(fā)出去，使芯片溫度不超過＋100℃。

    除了受溫度條件、通風(fēng)狀況、封裝形式、電源結(jié)構(gòu)等因素的影響之外，在給定條件下LinkSwitch的最大輸出功率還與高頻變壓器磁芯的大小、導(dǎo)磁率、初級電感容量、最小輸入電壓、輸入濾波電容的容量、輸出電壓、整流管壓降等參數(shù)有關(guān)，這會造成實(shí)際的P_OM值與設(shè)計值不相等。

3.2    高頻變壓器

    在非連續(xù)模式下，當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時，已存儲在高頻變壓器中的能量就轉(zhuǎn)換為次級輸出。若不考慮次級損耗的情況下，則高頻變壓器的最大轉(zhuǎn)換功率為

    P_M=0.5L_PI²_LIMITf

式中：L_P為初級電感量；

      I²_LIMITf為系數(shù)，它代表初級極限電流的平方與開關(guān)頻率的乘積，其典型值為I²_LIMITf=(254mA)2×42kHz=2710A²Hz。

    P_M所對應(yīng)的控制端電流用I_DCT來表示，I_DCT可用來設(shè)定LinkSwitch電源的最大輸出功率點(diǎn)P_OM。

    當(dāng)開關(guān)電源從恒流區(qū)開始工作時，初級電感量（L_P）對峰值輸出功率（P_OPK）起決定作用，該參數(shù)應(yīng)加以控制。若估計的P_OPK值允許有±20％的變化量，則L_P值允許偏差±10％，磁芯的氣隙δ≥0.08mm。

    若采用EE13型磁芯，取δ=0.08mm，L_P允許有±10％的偏差，初級感應(yīng)電壓U_OR=40～60V，則LinkSwitch的最大輸出功率可達(dá)2.7W。選擇尺寸較大的磁芯能提升感應(yīng)電壓U_OR，進(jìn)而提高輸出功率。例如，選擇EE16型磁芯時，最大輸出功率為3W。如不考慮空載時的功率損耗，還可采用EE19型磁芯，在交流230V輸入時，U_OR>70V，將輸出功率提高到5W。UOR還影響恒流輸出特性曲線的線性度。在完成設(shè)計前應(yīng)檢查恒流輸出特性。

3.3    影響輸出特性的因素

    LinkSwitch輸出特性的余量由LinkSwitch的余量以及外部電路來決定。采用如圖1所示電路時，最大輸出功率為2.75W，輸出電壓的變化量為±10％，輸出電流的變化量為±20％。影響輸出特性的因素主要有初級漏感、次級整流管的壓降和輸出引線上的電阻。例如，當(dāng)初級漏感達(dá)到50μH時將導(dǎo)致空載時的輸出電壓大約上升30％。如果增加光耦反饋電路并利用外部穩(wěn)壓管進(jìn)行二次穩(wěn)壓，那么整個負(fù)載范圍內(nèi)的輸出電壓變化量可降低到±5％。

3.4    關(guān)鍵元器件的選擇

    下面以圖1為例，介紹選擇外圍關(guān)鍵元器件的原則。

    1）鉗位二極管VD₁應(yīng)選擇耐壓為600V甚至更高的快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管，不能用普通的低速二極管。

    2）鉗位電容C4可采用0.1μF、100V的金屬膜或塑料薄膜電容，容量誤差在±5％、±10％或±20％均可，但不推薦使用陶瓷電容，因?yàn)樵摲N電容受溫度和電壓變化的影響較大、容易引起輸出電壓的波動。

    3）控制端電容C₃可為LinkSwitch的上電過程或自動重啟動階段提供控制電壓。設(shè)計電池充電器時，C₃應(yīng)選擇0.22μF、10V的電容器，以保證有足夠的時間去啟動電路。

    4）選擇反饋電阻R₁的原則是在最大輸出功率時能使2.3mA的反饋電流流入控制端。R₁的準(zhǔn)確值還要看所設(shè)計的U_OR值。適當(dāng)增大R₁值可改變電池充電器的輸出特性，如圖3所示。

圖3    增大R₁值對輸出特性的影響 [!--empirenews.page--]

    圖3中的虛線框代表典型的輸出特性曲線，實(shí)線框表示增大R₁值以后的實(shí)際工作區(qū)，虛線箭頭分別表示恒壓區(qū)及恒流區(qū)的變化方向。由圖3可見，增大R₁值能提高平均輸出電壓U_O（恒壓曲線向上移動），減小平均輸出電流I_O（恒流曲線向左移動）。其變化特征是R_FB↑→U_O↑→I_O↓。

    5）如需要增加安全電容濾除次級上的瞬態(tài)干擾，應(yīng)將安全電容并聯(lián)在初級電路返回端與次級電路返回端之間。安全電容的容量很小，但耐壓值必須達(dá)到1.5kV才符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

3.5    示波器的接線方式

    在用示波器觀察LinkSwitch的輸出波形時，如果將探針接源極S，地線接初級的返回端，那么探頭分布電容上的電荷可能造成誤觸發(fā)，使LinkSwitch達(dá)到極限電流。正確的方法是按圖4所示，將探頭的地線接LinkSwitch的漏極D，以直流作為參考點(diǎn)。由于漏極上有直流高壓，因此，在電源的進(jìn)線端必須接隔離變壓器T1。

圖4    示波器的正確接線方式

4    結(jié)語

    LinkSwitch系列恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源采用初級恒壓、恒流控制方案，它不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路，極大地簡化了外圍電路的設(shè)計，為實(shí)現(xiàn)小功率CV／CC式開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了有利條件。