LinkZero-Ax零待機(jī)功耗集成離線式轉(zhuǎn)換開關(guān)

摘要：LinkZero-AX芯片集成了電源控制器和一個(gè)700V的功率MOSFET開關(guān)，經(jīng)簡單配置而成的隔離或非隔離輔助電源，通過簡單開／關(guān)控制調(diào)整輸出電壓，在待機(jī)／掉電模式下的功耗小于3mW，乃至接近于零。
關(guān)鍵詞：LinkZero-AX；Link584；離線式開關(guān)；輔助電源；零待機(jī)功耗

    LinkZero-AX是Power Integrations公司推出的一種零待機(jī)功耗集成離線轉(zhuǎn)換開關(guān)(型號(hào)為LNK584)。該器件在同一芯片上集成了一個(gè)700V的功率MOSFET和一個(gè)電源控制器。器件控制器不同于傳統(tǒng)PWM控制器采用的控制方法，而是利用簡單的開／關(guān)控制來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓。LinkZero-AX主要用作設(shè)計(jì)隔離或非隔離式通用AC輸入輔助與待機(jī)電源，在325V的DC高壓輸入時(shí)的待機(jī)和掉電(Power Down，PD)狀態(tài)下的功耗小于3mW。IEC62320第4．5條規(guī)定待機(jī)功耗小于5mW時(shí)可視為零損耗，因此LinkZero-AX是一種零待機(jī)功耗器件，完全滿足全球的能效規(guī)范。

1 LinkZero-AX的引腳功能和主要特點(diǎn)
1．1 引腳功能
    LinkZero-AX采用C封裝(SMD-8C)和D封裝(SO-8C)，不含鉛和鹵素，滿足RoHS指令要求。圖1為器件兩種封裝型式的引腳配置。

    LinkZero-AX的各個(gè)引腳功能分別如下所述。
    漏極(D)引腳：功率MOSFET漏極連接端，為啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)操作以及掉電(PD)模式操作向內(nèi)部提供工作電流。
    旁路／多功能(BP／M)引腳：該引腳為內(nèi)部產(chǎn)生的5．85V的電源連接一個(gè)至少是0．1μF的旁路電容。0．1μF的電容為內(nèi)部電路操作，對(duì)于進(jìn)入掉電模式要求更大容量的電容。如果該引腳上的電壓上升到6．45V以上，過電壓保護(hù)(OVP)功能將使功率MOSFET停止開關(guān)。
    反饋(FB)引腳：在正常操作期間，該引腳控制MOSFET的玎關(guān)。當(dāng)該引腳上的電壓高于內(nèi)部1．70V的參考電壓時(shí)，MOSFET開關(guān)則被禁止。一旦該引腳上的電壓降至0．9V以下，器件將進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)模式。
    源極(S)引腳：該引腳是功率MOSFET的源極連接端，同時(shí)也是BP引腳和FB引腳電壓的地參考。[!--empirenews.page--]
1．2 主要特點(diǎn)
    LinkZero集成了非傳統(tǒng)PWM的電源控制器和一個(gè)700V的功率MOSFET，適合用作設(shè)計(jì)超低功耗的隔離式或非隔離式待機(jī)和輔助電源，輸出功率為3W。系統(tǒng)配置僅需要非常少量的外部元件，滿足全球通用AC輸入允許寬范圍操作要求，并可以去除鉗位電路。器件的頻率抖動(dòng)特性大大地降低了輸入EMI濾波器成本，增大的封裝爬電距離可提高系統(tǒng)的可靠性。簡單的開／關(guān)控制技術(shù)無需環(huán)路補(bǔ)償，初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)解決了低成本高效替代非調(diào)節(jié)線性變壓器和其他開關(guān)電源(SMPS)的方案。
    LinkZero-AX的漏極提供啟動(dòng)和操作功率，存230V的AC輸入下的待機(jī)／掉電(DD)功耗低于3mW，滿足全球能效規(guī)范。存掉電模式，由系統(tǒng)微控制器或紅外控制器提供觸發(fā)信號(hào)，關(guān)斷內(nèi)部開關(guān)控制電路，但旁路(BP)引腳仍可提供500μA的電流，為系統(tǒng)喚醒提供支持。
    LinkZero-AX的保護(hù)功能包括電流限制、輸出功率限制、過溫度保護(hù)以及短路和開環(huán)故障情況下的自動(dòng)重新啟動(dòng)等。

2 LinkZero-AX的功能與工作原理
    LinkZero-AX含有一個(gè)700V的功率MOSFET和一個(gè)控制器。其控制器南振蕩器、反饋電路、5．85V的穩(wěn)壓器、BP引腳欠壓保護(hù)電路以及過溫度保護(hù)、頻率抖動(dòng)、電流限制電路等組成如圖2所示?？刂破鬟€含有一個(gè)專門的掉電模式，能將待機(jī)功耗減小到大多數(shù)功率儀表不可計(jì)量的電平。

2．1 供電電源
    DC高壓直接從LinkZero-AX的漏極(D)引腳施加。在漏極端內(nèi)部有一個(gè)5．85V的穩(wěn)壓器，在BP引腳外部連接一個(gè)0．1μF的旁路電容。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，從漏極引腳汲取電流對(duì)旁路電容充電。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，在旁路電容中的儲(chǔ)能釋放。器件內(nèi)部低功耗電路允許從漏極引腳汲取電流連續(xù)工作。[!--empirenews.page--]
2．2 振蕩器
    振蕩器頻率平均值設(shè)置在100kHz，一個(gè)內(nèi)部電路檢測開關(guān)占空比并調(diào)節(jié)振蕩頻率。在低線路電壓長導(dǎo)通期間，頻率將超過100kHz；在高線路電壓短導(dǎo)通期間，振蕩頻率約為78kHz。通過頻率調(diào)整，在整個(gè)AC輸入電壓范圍內(nèi)，可以使峰值功率點(diǎn)恒定。振蕩器產(chǎn)生指示開關(guān)周期開始的最大占空比DCMAX信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。
    為了衰減EMI，振蕩器引入小量的頻率抖動(dòng)，典型值為開關(guān)頻率的6％，頻率抖動(dòng)調(diào)制速率設(shè)置在1kHz。頻率抖動(dòng)與振蕩器頻率成正比，并在漏極端電壓波形下降沿上被測量。
2. 3 掉電(PD)模式
    當(dāng)跳過160個(gè)開關(guān)周期時(shí)，器件內(nèi)部振蕩器將進(jìn)入到掉電模式。當(dāng)FB引腳利用外部的掉電脈沖信號(hào)(≥2．5ms)或因輕載狀態(tài)被拉高時(shí)，將發(fā)生掉電模式，開關(guān)完全被禁止，器件在超低功耗下操作。當(dāng)通過一個(gè)開關(guān)將BP引腳上電壓拉低到1．5V以下時(shí)(見圖3)，器件被喚醒或者復(fù)位，BP引腳上電容被再充電。當(dāng)旁路電容被充電到門限電平VBP(5．85V)時(shí)，器件則進(jìn)入正常操作。

2．4 反饋輸入電路恒壓(CV)模式
    反饋輸入電路的參考電壓為1．70V，當(dāng)FB引腳上的電壓達(dá)到1．70V時(shí)，在反饋電路輸出上則產(chǎn)生一個(gè)低邏輯電平(禁止)，并且在每一個(gè)周期開始時(shí)被采樣。如果反饋電路輸出高電平，MOSFET則導(dǎo)通(使能)，否則關(guān)斷(禁止)。由于采樣在每一個(gè)周期開始時(shí)完成，在剩余周期部分被忽略期間，引腳FB上的電壓將發(fā)生變化。
2．5 全方位保護(hù)
    (1)輸出功率限制
    當(dāng)FB引腳上的電壓滿載并降至1．70V以下時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)0．9V的門限電壓，振蕩器頻率降低40％，該功能限制電源輸出電流和功率。
    (2)BP引腳欠電壓／過電壓保護(hù)
    當(dāng)器件BP引腳上電壓洚至4．85V以下時(shí)，功率MOSFET則停止開關(guān)。當(dāng)BP引腳上電壓上升到5．85V時(shí)，功率MOSFET將導(dǎo)通使能。
    如果器件引腳BP上電壓升至6．45V以上，鎖存器將置位，MOSFET則停止開關(guān)。為復(fù)位鎖存器，引腳BP上的電壓必須拉低到1．5V以下。
    (3)過溫度保護(hù)
    當(dāng)芯片溫度超過142°時(shí)，功率MOSFET被禁止運(yùn)行。一旦芯片溫度降至72℃以下，MOSFET重新使能。
    (4)電流限制
    器件的電流限制電路檢測MOSFET電流，一旦該電流超過內(nèi)部門限電平，MOSFET將截止。在MOSFET導(dǎo)通后265ns的短時(shí)間內(nèi)，前沿消隱(LE B)電路禁止電流限制比較器操作。前沿消隱時(shí)間(265ns)保證電容和整流二極管反向恢復(fù)期間引起的電流尖峰不會(huì)過早終止MOSFET導(dǎo)通。
    (5)引腳FBh的開環(huán)保護(hù)
    當(dāng)檢測到在器件引腳FB上的開環(huán)故障時(shí)，內(nèi)部電流源將引腳FB上的電壓上拉到1．70V以上，器件則停止開關(guān)，并在160個(gè)周期之后進(jìn)入掉電模式。
    (6)自動(dòng)重啟動(dòng)
    當(dāng)出現(xiàn)輸出短路等故障時(shí)，LinkZero-AX則進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)操作。每當(dāng)引腳FB上的電壓超過0．9V的自動(dòng)重啟動(dòng)門限時(shí)，振蕩器復(fù)位，內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。如果FB引腳上電壓低于0．9V持續(xù)時(shí)間長于145ms到1.70ms(取決于AC線路電壓)，MOSFET將停止開關(guān)。在典型12％的占空比上，自動(dòng)重啟動(dòng)使MOSFET開關(guān)交替使能和禁止，直到故障解除為止。
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3 LinkZero-AX的應(yīng)用電路實(shí)例
    圖4所示為一種利用LinkZero-AX(型號(hào)為LNK508DC)的典型非隔離式5V、300mA輸出輔助電源電路。

    該圖所示電路的AC輸入電壓范圍為85～265V，電路輸入端上的RF1為阻燃可熔電阻，VD1～VD4組成橋式整流器，C1、C2和L3組成П型輸入濾波器。U1的頻率抖動(dòng)特性消除了Y電容或共模電感器。與L3相并聯(lián)的電阻R2用作阻尼電感和電容產(chǎn)生的諧振，RF1用作限制浪涌電流。
    變壓器T1二次側(cè)上的VD6為整流器，L4、C6和C8組成濾波電路，R8和C4用作抑制高頻傳導(dǎo)和EMI輻射。R13為預(yù)負(fù)載電阻，為電容放電提供通路。
    輸出電壓經(jīng)R9和R3檢測并反饋至U1的FB引腳，電容C7用作高頻濾波。為保持輸出電壓調(diào)節(jié)，通過反饋控制U1內(nèi)MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。如果U1引腳FB上的電壓超過1．7V的門限，開關(guān)周期則被跳越。當(dāng)在FB引腳上的電壓低于1．7V的禁止電平時(shí)，開關(guān)周期則重新使能。通過調(diào)節(jié)使能到禁止開關(guān)周期之比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載增加超過輸出峰值功率點(diǎn)時(shí)，所有開關(guān)周期使能。隨著輸出電壓回落，U1引腳FB上的電壓開始降低。為限制過載功率，開關(guān)頻率也將會(huì)降低。當(dāng)FB引腳上的電壓降至0．9V的門限電平以下時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。在自動(dòng)重啟動(dòng)模式，電源關(guān)斷約1．2s，然后再導(dǎo)通約170ms。在輸出短路和開環(huán)故障情況下，自動(dòng)重啟動(dòng)功能可將交付的功率減小85％以上。
    晶體管VT1、電阻R10、R12和R16組成掉電(PD)置位電路。當(dāng)在PD置位端施加一個(gè)大于等于2．5ms的脈沖，通過VT1和R16等拉高U1引腳FB上的電壓或當(dāng)輸出輕載時(shí)，在跳越160個(gè)開關(guān)周期后，系統(tǒng)將進(jìn)入掉電模式，LinkZero-AX則停止開關(guān)。如果在PD復(fù)位端施加一個(gè)脈沖信號(hào)使晶體管VT2導(dǎo)通，或者將機(jī)械開關(guān)SW1閉合，都會(huì)將U1引腳PD上的電壓下拉到1．5V以下，U1將進(jìn)入復(fù)位或喚醒模式。PD置位或復(fù)位信號(hào)可由系統(tǒng)微控制器提供。

4 結(jié)束語
    LinkZero-AX芯片集成了一個(gè)700V的功率MOSFET和一個(gè)電源控制器，用其可以設(shè)計(jì)待機(jī)功耗小于3W的輔助電源，滿足全球的能效規(guī)范。利
用系統(tǒng)微控制器信號(hào)可以觸發(fā)掉電模式，有效關(guān)閉電源。利用按鍵開關(guān)或復(fù)位脈沖可使器件掉電模式復(fù)位／喚醒。LinkZero-AX在與CAPZero零損耗電容自動(dòng)放電IC和SENZero零損耗高壓檢測信號(hào)斷接IC結(jié)合使用，能使大功率電源的待機(jī)功耗降至5mW，甚至接近于零。