引言

　　縱觀電源的發展歷程，開關電源的復雜性一直是其進入相對小產量應用市場的絆腳石。不過，如今集成初級側控制IC可大大簡化電源設計。其中，Power Integrations推出的LinkSwitch-CV是新一代初級側控制IC的一個典范。

　　采用LinkSwitch-CV的設計原理

　　LinkSwitch-CV完全省去了光耦器和所有次級側反饋電路。它適用于需要嚴格穩壓、功率范圍為3W~15W的輔助電源，如需要直接向微控制器供電，而無需低效率的線性穩壓器。圖1所示為一個完整的采用LinkSwitch-CV的6W反激式電源，它僅使用了24個元件。該電源可以將90VAC~264VAC范圍內的交流輸入電壓轉換為5V、1.2?A的單路隔離直流輸出，在不同的負載、輸入電壓和溫度下的輸出穩壓容差為±5%。

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　　電路中的主要初級側開關元件是集成在U1中的功率MOSFET。在使能狀態下，U1中的控制邏輯在每個時鐘周期開始時導通功率MOSFET。當電流達到限流點時，MOSFET會關斷。控制器關斷MOSFET后，變壓器T1繞組間的電壓開始反向，輸出二極管D7被正向偏置，電流開始流入次級繞組，這樣會補充輸出電容C7和C8中的電荷，并將電流供應給負載。

　　U1通過開/關控制來調節輸出，具體方法是根據反饋引腳FB上的采樣電壓使能或禁止開關周期。輸出電壓檢測是由變壓器T1上的初級參考繞組來執行的。T1偏置繞組上的磁通與次級主功率繞組中的磁通直接成正比，因此可提供負載的電壓及電流信息。由R3和R4組成的電阻分壓器將繞組電壓饋入U1。R3和R4的比率確定輸出電壓設定點。這種控制方法可補償電感變化、其他元件容差及輸入電壓變化。這種對變壓器反饋的創新性使用，是實現低功耗和低成本電源目標的關鍵設計要素。

　　在高壓開關關斷2.5μs后，對FB引腳電壓進行采樣。如果檢測電壓高于1.86V閾值，會禁止隨后的開關周期。相反，如果檢測電壓低于1.86V閾值，則會使能隨后的開關周期。因此，通過調節使能與禁止周期的比率，可以使控制器維持輸出穩壓。開關控制可以使轉換器的效率在整個負載范圍內得到優化，并在極輕負載下維持效率恒定。該設計可實現在230VAC下空載功耗小于80mW，同時符合ENERGY STAR EPS v2.0帶載效率要求(效率可達77%，要求為70%)。

　　此設計的性能優勢

　　該電源可提供全面的短路輸出及其他故障保護功能。LinkSwitch-CV內置的自動重啟所產生的輸出特征包絡如圖2所示。在檢測到過流或短路故障時，U1將自動重啟。在開始重新啟動之前，功率MOSFET被禁止2.5s。如果故障仍然存在，自動重啟將以大約8%的占空比交替使能和禁止功率MOSFET，直到故障排除為止。

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　　在導通周期的正激期間(開關導通時間)，如果檢測到FB引腳電流降低到120μA以下，U1將會啟動開環故障響應。自動重啟時間從200ms降低到大約6個時鐘周期(90μs)，同時使禁止周期維持在2.5s。這樣可有效地將開環的自動重啟占空比減小到0.01%以下。

　　此外，可熔防火式電阻RF1可提供進一步保護。這樣可限制啟動時產生的浪涌電流，提供嚴重故障保護。

　　在出現過熱的情況下還可關斷電路。當結溫超過142℃(±5%)時，功率MOSFET開關被禁止，直到結溫度下降至60℃，MOSFET才會重新使能。遲滯恢復功能可確保PCB的溫度在所有條件下均處于安全范圍內。

　　本電源設計省去了耗能的次級CV控制電路以及初級或次級電流檢測電阻，從而有助于滿足國際能效標準(CoC/中國(CECP)/EISA/DoE/歐盟委員會)。此外，T1次級繞組(引腳3~5)還具有經由D6及R5向U1供電的功能，因此使設計得到進一步簡化。這是因為U1可自偏置和通過旁路引腳BP完全實現自供電，并對電容C4進行去耦。

　　本電源可輕松滿足EN550022和CISPR-22 B級EMI標準，且將濾波器成本降至最低。其實現方法是：將集成的頻率調制功能應用到功率MOSFET的開關頻率中，以及采用革新的變壓器E-Shield技術。頻率調制是U1的集成功能。差模EMI濾波由RF1、C1、C2及L1提供，無需在初級到次級絕緣帶上放置Y電容。初級鉗位(D5、R1、R2及C3)將最大峰值漏極電壓控制在U1內部MOSFET的700V BVDSS擊穿電壓之下。電阻R2可抑制高頻漏感振蕩，從而降低EMI。在變壓器T1中，通過將開口繞組連接到端子1來提供屏蔽。為降低繞線匝數的成本，可完全無需使用外部屏蔽。

　　在工業應用中，電源通常是嵌入到設備中的。如果電源出現任何故障，都將導致昂貴的維修費用，此外，使用失效也會導致設備損壞。因此，可靠性成為首當關注的要素。采用初級側控制技術可減少30%的元件數，這意味著所述電源的失效率(FIT)可降低22%(如表1所示)。另外，還必須有高效率的電路和元件相應的低溫升，這樣才有利于提高可靠性。

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　　結語

　　隨著采用初級側控制技術的先進開關IC的出現，設計過程已得到最大程度的簡化，開關電源如今已成為小產量應用(通常為工業領域)的可行之選。