LinkSwitch—TN系列節(jié)能型單片開關(guān)電源的電路設(shè)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(guān)電源，可取代傳統(tǒng)的阻容降壓式線性電源，為實現(xiàn)高效節(jié)能型小功率開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計創(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

0??? 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，直流電機的驅(qū)動電源，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(qū)動器。

1??? LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源的性能特點

??? 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EcoSmartR節(jié)能技術(shù)，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(shù)。

??? 2）使用靈活，既可設(shè)計成正壓輸出的降壓式（Buck）電路，亦可設(shè)計成負壓輸出的降壓或升壓式（Buck-Boost）電路、降壓式LED恒流驅(qū)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(nèi)具有良好的電壓調(diào)整率和負載調(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，低功耗。LinkSwitch—TN的開關(guān)頻率為66kHz，頻率抖動范圍是4kHz。利用頻率抖動技術(shù)能將電磁干擾降低10dB，還能減小EMI濾波器的功耗。功率MOSFET能快速導通，并且無過沖現(xiàn)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(nèi)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(chǎn)品的最大輸出電流值???? mA

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。

（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(qū)動電路

（e）正端升壓／降壓式直接反饋電路

（f）正端升壓／降壓式LED恒流驅(qū)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??? ——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??? ——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??? ——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(qū)動電路

??? 負端降壓式LED恒流驅(qū)動電路見圖1（d）。它適合驅(qū)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|??? ——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(qū)動電路

??? 正端升壓／降壓式LED恒流驅(qū)動電路見圖1（f）。該電路適合驅(qū)動LED，它比圖1（d）所示電路恒流驅(qū)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|??? ——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(jié)構(gòu)

??? 由LinkSwitch—TN系列構(gòu)成非隔離式電源時有兩種基本電路結(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為輸入級整流管。VDFW為超快恢復(fù)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(lián)在源極與輸入電壓的負端之間，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

（b）Buck-Boost變換器

圖2??? LinkSwitch—TN的兩種基本電路結(jié)構(gòu)

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、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(guān)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。可熔斷電阻器具有以下功能：

??? ——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(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通時通過。

??? 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輸出電壓進行調(diào)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(guān)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(nèi)。取R2=2.4kΩ時，預(yù)設(shè)的負載電流為5mA。

??? 實測該開關(guān)電源的負載調(diào)整曲線如圖4所示。

圖4??? 負載調(diào)整曲線

4??? 電路設(shè)計要點

??? 下面以圖3為例，介紹LinkSwitch—TN的電路設(shè)計要點。

4.1??? 續(xù)流二極管VD3

??? 采用不連續(xù)模式時，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，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，因為，這種管子的反向恢復(fù)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(chǎn)生上升沿很高的尖峰電流強迫轉(zhuǎn)換周期提前結(jié)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(fù)時間較短。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(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(jié)語

??? LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)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(yīng)用前景。利用LinkSwitch—TN還可設(shè)計多路輸出式開關(guān)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(yīng)取絕對值）。