探索LinkSwitch-II系列：高效電源轉換的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電源設計是至關重要的一環。一個高效、穩定的電源不僅能確保設備的正常運行，還能提升整個系統的性能。今天，我們就來深入了解一下Power Integrations公司的LinkSwitch-II系列產品，看看它是如何在電源設計領域大放異彩的。

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產品亮點：簡化設計，提升性能

LinkSwitch-II系列產品的最大亮點之一就是極大地簡化了恒壓/恒流（CV/CC）轉換器的設計。它通過消除光耦合器和所有二次側CV/CC控制電路，以及所有控制環路補償電路，讓電源設計變得更加簡潔。這不僅減少了元件數量，降低了成本，還提高了系統的可靠性。

先進性能特性

• 參數補償：該系列產品能夠補償變壓器電感公差、輸入線電壓變化、電纜電壓降（LNK61X系列）以及外部元件溫度變化。通過采用專有的微調技術，它還能實現非常嚴格的IC參數公差，確保輸出的穩定性。
• 降低EMI成本：頻率抖動技術的應用大大降低了EMI濾波器的成本。同時，通過外部電阻選擇/微調，還能實現更嚴格的輸出公差。
• 靈活的開關頻率：可編程的開關頻率最高可達85 kHz，有助于減小變壓器的尺寸，使電源設計更加緊湊。

先進保護/安全特性

• 自動重啟保護：當出現輸出短路和控制環路故障（元件開路和短路）時，自動重啟保護功能可將輸送的功率降低95%以上，確保系統的安全。
• 滯后熱關斷：自動恢復功能減少了現場電源的返修率，提高了產品的可靠性。
• 高電壓爬電要求：在PCB和封裝上，DRAIN引腳與所有其他引腳之間均滿足高電壓爬電要求，保障了產品的電氣安全。

節能環保

LinkSwitch-II系列產品具有出色的節能性能，輕松滿足所有全球能效法規。在230 VAC輸入下，采用可選的外部偏置繞組時，空載功耗低于30 mW。ON/OFF控制可在輕負載下保持恒定的效率，非常適合CEC和ENERGY STAR 2.0法規。此外，該系列產品無需電流感測電阻，最大限度地提高了效率。

綠色封裝

產品采用無鹵素且符合RoHS標準的封裝，符合環保要求，為可持續發展做出貢獻。

產品應用：廣泛覆蓋各類充電設備

LinkSwitch-II系列產品的應用范圍非常廣泛，包括手機、無繩電話、PDA、MP3/便攜式音頻設備的充電器，適配器，LED驅動器等。其出色的性能和可靠性使其成為這些設備電源設計的理想選擇。

功能描述：深入了解工作原理

整體架構

LinkSwitch-II將高壓功率MOSFET開關與電源控制器集成在一個器件中。它采用ON/OFF控制來調節輸出電壓，同時通過調制開關頻率來調節輸出電流，實現恒流特性。該控制器由振蕩器、反饋（傳感和邏輯）電路、6 V穩壓器、過溫保護、頻率抖動、電流限制電路、前沿消隱、電感校正電路、恒流調節頻率控制和CV控制的ON/OFF狀態機組成。

電感校正電路

如果初級磁化電感過高或過低，轉換器會通過調整振蕩器頻率自動進行補償。由于該控制器設計用于不連續導通模式，輸出功率與設定的初級電感成正比，通過調整開關頻率可以完全補償其公差。

恒流（CC）操作

隨著輸出電壓和偏置繞組上的反激電壓增加，反饋引腳電壓也會增加。開關頻率會根據反饋引腳電壓的增加進行調整，以實現恒定的輸出電流調節。恒流電路和電感校正電路在CC區域同時工作。

恒壓（CV）操作

當反饋引腳從恒流調節模式接近VFBU時，電源進入CV操作。此時開關頻率達到最大值，對應于CC/CV特性的峰值功率點?？刂破魇褂肙N/OFF狀態機調節反饋引腳電壓，使其保持在VFEth。在輕負載時，電流限制也會降低，以減小變壓器的磁通密度。

輸出電纜補償

該補償功能可在CV模式下的整個負載范圍內，在電纜末端提供恒定的輸出電壓。隨著轉換器負載從空載增加到峰值功率點（CV和CC之間的過渡點），通過增加反饋引腳參考電壓來補償輸出電纜上的電壓降?？刂破鞲鶕顟B機的輸出確定輸出負載，并確定正確的補償程度。

自動重啟和開環保護

當出現故障情況（如輸出短路或開環情況）時，LinkSwitch-II會進入相應的保護模式。如果反饋引腳在反激期間的電壓在反饋引腳采樣延遲（約2.5 ms）之前降至0.7 V以下，且持續時間超過約450 ms（自動重啟導通時間tAR-ON），轉換器將進入自動重啟模式，此時功率MOSFET將被禁用2秒（約18%的自動重啟占空比）。此外，如果在導通周期的正向期間（開關“導通”時間）檢測到的反饋引腳電流低于120 mA，轉換器會將其視為開環情況，并將自動重啟時間從450 ms縮短至約6個時鐘周期（90 ms），同時保持2秒的禁用期。

過溫保護

熱關斷電路會感測芯片溫度，閾值設定為典型的142 °C，具有60 °C的滯后。當芯片溫度超過該閾值時，功率MOSFET將被禁用，直到芯片溫度下降60 °C，此時MOSFET將重新啟用。

電流限制

電流限制電路會感測功率MOSFET中的電流。當電流超過內部閾值（ILIMIT）時，功率MOSFET將在該周期的剩余時間內關閉。前沿消隱電路會在功率MOSFET導通后的短時間（tLEB）內抑制電流限制比較器，以防止由電容和整流器反向恢復時間引起的電流尖峰導致MOSFET導通過早終止。LinkSwitch-II還包含“di/dt”校正功能，以最小化輸入線范圍內的CC變化。

6.0 V穩壓器

6 V穩壓器在MOSFET關斷時，通過從DRAIN引腳的電壓汲取電流，將連接到BYPASS引腳的旁路電容充電至6 V。BYPASS引腳是內部電源電壓節點。當MOSFET導通時，器件依靠旁路電容中存儲的能量運行。內部電路極低的功耗使LinkSwitch-II能夠持續從DRAIN引腳汲取的電流中運行。1 mF或10 mF的旁路電容值足以實現高頻去耦和能量存儲。

應用示例：高效USB充電器電源設計

文檔中給出了一個使用LNK613DG的高效USB充電器電源設計示例。該電路采用初級側調節的反激式電源，平均效率為74%，空載輸入功率小于30 mW，輕松滿足最嚴格的當前能效要求。

輸入濾波器

交流輸入功率通過二極管D1至D4進行整流，整流后的直流由大容量存儲電容C1和C2進行濾波。電感L1、C1和C2形成一個π濾波器，可衰減傳導差模EMI噪聲。這種配置結合Power Integrations變壓器E-shield?技術，使該設計能夠在不使用Y電容的情況下，以良好的裕度滿足EMI標準EN55022 B類，即使輸出連接到安全接地。熔斷電阻RF1可防止災難性故障，應選用合適的額定值（通常為繞線式），以承受首次連接到交流線路時輸入電容充電時的瞬時功耗。

LNK 613初級

LNK613DG器件（U1）集成了功率開關器件、振蕩器、CC/CV控制引擎、啟動和保護功能。集成的700 V MOSFET在通用輸入交流應用中提供了較大的漏極電壓裕度，提高了可靠性，并通過允許更大的變壓器匝數比降低了輸出二極管的電壓應力。該器件完全由BYPASS引腳和去耦電容C4自供電。對于LNK61X器件，旁路電容值還可選擇輸出電纜電壓降補償的程度。1 mF的值選擇標準補償，10 mF的值選擇增強補償。LNK60x器件不提供電纜降補償。

輸出整流

變壓器的次級由D7（1 A、40 V肖特基勢壘型）進行整流，以提高效率，并由C7進行濾波。如果對效率要求較低，可使用1 A PN結二極管以降低成本。在該應用中，C7的尺寸設計滿足了所需的輸出電壓紋波規格，無需使用后置LC濾波器。為滿足電池自放電要求，預載電阻已被串聯電阻和齊納網絡（R8和VR1）取代。但在不需要此要求的設計中，可使用標準的1 kW電阻。

輸出調節

LNK613在輸出特性的恒壓（CV）調節區域使用ON/OFF控制來調節輸出，在恒流（CC）調節中使用頻率控制。反饋電阻（R5和R6）選用標準的1%電阻值，以使標稱輸出電壓和恒流調節閾值居中。

關鍵應用考慮因素

輸出功率表

數據手冊中的最大輸出功率表代表了在以下假設條件下可獲得的最大實際連續輸出功率水平：

1. 最小直流輸入電壓在85 VAC輸入時為90 V或更高。對于交流輸入設計，輸入電容的值應足夠大以滿足這些標準。
2. 次級輸出為5 V，使用肖特基整流二極管。
3. 假設效率為70%。
4. 不連續模式操作（Kp > 1.3）。
5. 器件安裝在電路板上，SOURCE引腳焊接到足夠面積的銅上，以使SOURCE引腳溫度保持在90 °C或以下。
6. 開放式框架設計的環境溫度為50 °C，適配器設計的內部外殼溫度為60 °C。

輸出公差

LinkSwitch-II在CV操作中，輸出電壓的整體輸出公差（包括線路、元件變化和溫度）為±5%；在CC操作中，輸出電流的整體輸出公差為±10%，適用于P/G封裝在0 °C至100 °C的結溫范圍內。對于D封裝（SO8），由于制造流程（如波峰焊或紅外回流焊）引起的應力，可能會出現額外的CC變化。建議進行樣品電源構建以驗證每個設計的生產公差。

BYPASS引腳電容選擇

• LinkSwitch-II 60x系列器件（無輸出電纜電壓降補償）：建議使用1 mF的BYPASS引腳電容，電容電壓額定值應大于7 V，電容的介電材料不重要，但電容公差應≤±50%。電容必須物理上靠近LinkSwitch-II的BYPASS引腳。
• LinkSwitch-II 61x系列器件（有輸出電纜電壓降補償）：可通過BYPASS引腳電容的值選擇輸出電纜補償的程度。1 mF的值選擇標準電纜補償，10 mF的電容選擇增強電纜補償。電容可以是陶瓷或電解電容，但公差和溫度變化應≤±50%。輸入到PIXls設計電子表格的輸出電壓是電源在提供最大功率時輸出電纜末端的電壓。電源端子處的輸出電壓是電纜末端測量值乘以輸出電壓變化因子。

布局考慮因素

• 電路板布局：LinkSwitch-II是高度集成的電源解決方案，將控制器和高壓MOSFET集成在一個芯片上。由于存在高開關電流和電壓以及模擬信號，遵循良好的PCB設計實踐對于確保電源的穩定和無故障運行尤為重要。
• 單點接地：在輸入濾波電容的負極端子處使用單點（開爾文）連接，用于LinkSwitch-II的SOURCE引腳和偏置繞組返回。這通過將偏置繞組的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容來提高浪涌能力。
• 旁路電容：BYPASS引腳電容應盡可能靠近SOURCE和BYPASS引腳放置。
• 反饋電阻：將反饋電阻直接放置在LinkSwitch-II器件的FEEDBACK引腳處，以最小化噪聲耦合。
• 熱考慮：連接到SOURCE引腳的銅面積為LinkSwitch-II提供散熱。一般估計LinkSwitch-II將消耗輸出功率的10%。提供足夠的銅面積以保持SOURCE引腳溫度低于90 °C。只有在輸出電流（CC）公差高于±10%可接受的情況下，才允許更高的溫度。在這種情況下，建議SOURCE引腳的最大溫度低于110 °C，以考慮器件間RDS(ON)變化的余量。
• 次級環路面積：為了最小化漏感和EMI，應最小化連接次級繞組、輸出二極管和輸出濾波電容的環路面積。此外，應在二極管的陽極和陰極端子處提供足夠的銅面積用于散熱。建議在安靜的陰極端子處使用較大的面積，較大的陽極面積可能會增加高頻輻射EMI。
• 靜電放電火花間隙：在隔離屏障上放置一條走線，形成火花間隙的一個電極。次級上的另一個電極由輸出返回節點形成。火花間隙將ESD能量從次級引導回交流輸入。從交流輸入到火花間隙電極的走線應與其他走線保持一定距離，以防止不必要的電弧和可能的電路損壞。
• 漏極鉗位優化：LinkSwitch-II通過感測初級側的反饋繞組來調節輸出。當內部MOSFET關斷時，反饋繞組上出現的電壓是次級繞組電壓的反射。因此，任何漏感引起的振鈴都可能影響輸出調節。優化漏極鉗位以最小化高頻振鈴將獲得最佳的調節效果。

快速設計檢查表

在進行LinkSwitch-II設計時，應在實驗臺上驗證所有設計，以確保在最壞情況下組件規格不會超出。強烈建議進行以下最低限度的測試：

1. 最大漏極電壓：驗證在最高輸入電壓和最大輸出功率下，峰值VDS不超過680 V。
2. 最大漏極電流：在最大環境溫度、最大輸入電壓和最大輸出負載下，驗證啟動時的漏極電流波形，檢查是否有變壓器飽和和過大的前沿電流尖峰的跡象。LinkSwitch-II具有170 ns的前沿消隱時間，以防止導通周期過早終止。
3. 熱檢查：在最大輸出功率、最小和最大輸入電壓以及最大環境溫度下，驗證LinkSwitch-II、變壓器、輸出二極管和輸出電容的溫度規格是否未超出。應根據數據手冊中規定的LinkSwitch-II的RDS(ON)的器件間變化，留出足夠的熱余量。為確保10%的CC公差，建議SOURCE引腳的最大溫度為90 oC。

總結

LinkSwitch-II系列產品以其簡化的設計、先進的性能特性、出色的保護功能和節能環保的特點，為電子工程師提供了一個高效、可靠的電源解決方案。無論是在充電設備、適配器還是LED驅動器等應用中，它都能發揮出卓越的性能。在設計過程中，充分考慮輸出功率、輸出公差、BYPASS引腳電容選擇和布局等關鍵因素，并按照快速設計檢查表進行驗證，將有助于確保設計的成功。你在使用LinkSwitch-II系列產品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。