每當您聽到無變壓器電源術語時，您首先會想到基于電容器的解決方案，這意味著與電源線串聯一個高壓電容器，然后是一個橋式整流器、一個齊納二極管、一個濾波電容器等。這樣的電路不僅無法為許多應用提供足夠的電流，而且對于行業來說也不是可靠的解決方案，盡管您可能會在一些旨在降低成本的廉價產品中看到這樣的電路。

一個月前，我在修洗衣機主板。在檢查過程中，我意識到它配備了用于無變壓器電源的LNK304芯片。所以我決定設計一個基于這個芯片的電路，用于你的應用。該電路包含 220VAC 電源輸入保護、輸出濾波和穩壓器。

為了設計原理圖和 PCB，我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 組件庫（Altium 插件）。為了獲得高質量的制造 PCB 板，我將 Gerbers 發送到 PCBWay，并使用 componentsearchengine.com 購買了原始組件。為了測試輸出電壓的電流處理和穩定性，我使用了 Siglent SDL1020X-E 直流負載，并使用 Siglent SDS2102X Plus 示波器檢查了電源輸出噪聲。

技術規格

• 輸入電壓：220VAC+/-15%
• 輸出電壓：5VDC
• 輸出電流（連續）：120mA至150mA（可增加，見正文）
• 輸出電流（短時）：180mA
• 輸出噪聲（最大值）：30mVp-p（150mA 負載，20MHz BW）
• 輸入保護：保險絲、NTC、壓敏電阻
• 輸出保護：短路和電流限制在190mA左右

電源電路分析

圖 1 顯示了該裝置的示意圖。很明顯，該電路包含三個主要部分：220V 電??源輸入電路、LNK304、輸出濾波和 5V 穩壓器。

圖 1：使用 LNK304 的無變壓器電源示意圖

220VAC 電源輸入

市電輸入保護由 F1、R4 和 R5 組成。R5 是 10D561 壓敏電阻。根據數據表：“壓敏電阻與電壓相關，是一種非線性器件，其電氣行為類似于背靠背齊納二極管。TYEE系列氧化鋅壓敏電阻是非線性電阻器，主要由氧化鋅和多種金屬氧化物添加劑組成。它們是雙邊對稱的VI特性曲線和無與倫比的大峰值電流能力，用于吸收瞬態電壓、抑制脈沖噪聲和穩定電路電壓。”

我們不確定該電路將用于何處。因此，我們必須使用上述壓敏電阻來保護它免受各種繼電器和電磁閥的開關浪涌。

F1 是一個普通的 500mA 保險絲，可以自然地保護電路免受任何可能導致大電流泄漏、爆炸甚至火災的奇怪事件的影響。R4 是保護電路免受浪涌電流影響的 10D7 NTC。BR1為DB107G橋式整流器，C4、C5、L1構建低通Pi濾波器，盡可能降低噪聲和紋波。

LNK304轉換器

該電路的主要元件確實是IC1、LNK304 。根據數據表：“LinkSwitch-TN 專門設計用于替代低于 360 mA 輸出電流范圍內的所有線性和電容供電（電容降壓器）非隔離電源，系統成本相同，同時提供更高的性能和能效。LinkSwitch-TN 器件在單片 IC 上集成了 700 V 功率 MOSFET、振蕩器、簡單的開/關控制方案、高壓開關電流源、頻率抖動、逐周期電流限制和熱關斷電路。

啟動和工作功率直接來自漏極引腳上的電壓，無需在降壓或反激式轉換器中使用偏置電源和相關電路。LNK304-306 中完全集成的自動重啟電路可在短路或開環等故障條件下安全地限制輸出功率，從而減少組件數量和系統級負載保護成本。IC 提供的本地電源允許使用非安全分級光耦合器作為電平轉換器，以在需要時進一步提高降壓和降壓-升壓轉換器的線路和負載調節性能。”

R1 和 R2 定義了芯片的輸出電壓。根據數據表選擇 C1、C2、C3、L2、D1 和 D2。R3 產生一個初步的輕負載以穩定輸出電壓。

輸出濾波器和穩壓器

R6 和 C6 創建一個低通 RC 濾波器以降低輸出噪聲和紋波。REG1 是 78M05 穩壓器，用于構建穩定的 +5V 輸出。+5V 電平是許多應用的標準（例如為 Arduino 板和附件供電），因此我決定使用 +5V 穩壓器。如果您的負載需要 +3.3V 電壓軌，只需在負載附近使用另一個穩壓器（最好是 LDO 類型）。R6 之前的電壓電平約為 9.5V，因此通過 150mA 的電流消耗，該濾波器會引入 1.5V 的壓降，但是，8V 仍然是 REG1 可以在輸出端處理穩定的 +5V 的可接受輸入電壓。

C7 是穩壓器的輸出穩壓電容，D3 LED 指示輸出端有適當的電壓。R7 將電流限制為 D3，C8 有助于進一步消除高頻噪聲。

電源PCB布局

圖 2 顯示了設計的 PCB 布局。它是兩層 PCB 板，大部分元件都是通孔的。

圖 2：使用 LNK304 (Altium) 的無變壓器電源的 PCB 布局

當我決定為這個項目設計原理圖和 PCB 時，我意識到我的組件庫存儲中沒有 BR1 、 IC1 和 REG1 的組件庫。因此，像往常一樣，我選擇了 IPC 級 SamacSys 組件庫，并使用免費的 SamacSys 工具和服務安裝了缺少的庫（原理圖符號、PCB 封裝、3D 模型）。導入庫有兩種方法：您可以訪問componentsearchengine.com并手動下載并導入庫，或者您可以使用SamacSys CAD插件并自動將庫導入/安裝到設計環境中。圖 3 顯示了所有支持的電子設計 CAD 軟件. 很明顯，所有著名的球員都得到支持。我使用 Altium Designer，所以我使用 SamacSys Altium 插件安裝了缺少的庫（圖 4）。圖 5 顯示了 PCB 板和裝配圖的 3D 視圖。

圖 3：SamacSys 插件支持的所有電子設計 CAD 軟件

圖 4：SamacSys Altium 插件中的選定組件庫

圖 5：PCB 板的 3D 視圖和兩張組裝圖

電源組裝和測試

圖 6 顯示了組裝好的 PCB 板。輸入連接器 (220V AC) 足夠堅固，可為 220V 電??源提供良好且穩定的連接。輸出連接器為 2.5mm XH 公連接器。

圖 6：組裝好的無變壓器電源 PCB 板

我使用 Silent SDL1020X-E 直流負載來測試輸出的電流處理和電壓穩定性。圖 7 顯示了實驗的一部分。我將直流負載配置為 CC（恒定電流）并增加電流直到輸出電壓關閉。結果是電流限制閾值的點。為了測試連續電流處理，我將直流負載調整為 150mA 的連續電流并測試了大約一個小時。該實驗在室溫下處理連續電流點。您可能能夠達到更高的電流，但是，您必須使用散熱器或風扇來降低溫度。

圖 7：使用 Silent SDL1020X-E 測試電源輸出的電流處理和電壓穩定性

為了測試和檢查輸出噪聲，我使用了 Silent SDS2102X Plus 示波器。這是一款帶有 10 英寸觸摸顯示屏的可愛設備。我將直流負載置于 150mA 的電流上，并檢查了峰值檢測采集模式下的電源噪聲和探頭尖端的接地彈簧。圖 8 顯示了輸出噪聲。

圖 8：使用 Silent SDS2102X Plus 示波器測試電源輸出的噪聲

電源的未來工作

我使用了一個 RC 濾波器（R6、C6）來降低噪音。您可以嘗試使用 LC 濾波器，但是，請注意濾波器的截止頻率、噪聲頻率和振蕩。

您可以使用 LNK305 或 LNK306 芯片實現更高的輸出電流。在使用LNK306芯片的情況下，輸出電流可以達到350mA。因此，您必須降低 R6 值或使用具有上述考慮的 LC 濾波器。此外，在輸出穩壓器上安裝一個小型散熱器。

材料清單

圖 9 顯示了該項目的材料清單和零件編號。

圖 9：使用 LNK304 的無變壓器電源的物料清單