LinkSwitch-TN節能型開(kāi)關(guān)電源電路設計

　　引言

　　某些電子設備和家用電器并不需要使用輸入與輸出完全隔離的開(kāi)關(guān)電源。例如，直流電機的驅動(dòng)電源，空調、無(wú)霜冰箱和微波爐中的穩壓電源，它們本身就屬于隔離系統，因此可由非隔離式開(kāi)關(guān)電源供電，但要求這種開(kāi)關(guān)電源的電路簡(jiǎn)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、節能型單片開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用ic，它是專(zhuān)門(mén)為取代家用電器及工業(yè)領(lǐng)域所用小功率線(xiàn)性電源而設計的，不僅能去掉笨重的電源變壓器，還克服了阻容降壓式線(xiàn)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l(fā)ed驅動(dòng)器。

　　1　linkswitch—tn系列單片開(kāi)關(guān)電源的性能特點(diǎn)

　　 1）linkswitch—tn系列產(chǎn)品能以最少數量的外圍元器件，構成非隔離式、節能型開(kāi)關(guān)電源。與傳統的“無(wú)源（靠電容降壓）”解決方案相比，linkswitch－tn采用了ecosmart節能技術(shù)，不僅能達到比電容降壓式線(xiàn)性穩壓電源更高的效率，而且可提高功率因數。

　　 2）使用靈活，既可設計成正壓輸出的降壓式（buck）電路，亦可設計成負壓輸出的降壓或升壓式（buck-boost）電路、降壓式led恒流驅動(dòng)電路，能滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。 　　 3）輸入電壓范圍寬，在交流85～265v范圍內具有良好的電壓調整率和負載調整率。有兩種工作模式可供選擇，即連續模式（ccm），不連續模式（dcm），多數情況下選擇不連續模式。

　　 4）抗干擾能力強，低功耗。linkswitch—tn的開(kāi)關(guān)頻率為66khz，頻率抖動(dòng)范圍是4khz。利用頻率抖動(dòng)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(wú)過(guò)沖現象。當電源空載且輸入電壓為230v時(shí)，采用自供電降壓電路的功耗僅為80mw；采用外部偏置電路時(shí)的功耗低至12mw。

　　 5）保護功能完善。芯片內部有短路后自動(dòng)重啟動(dòng)的保護電路、開(kāi)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(guò)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(chēng)通用輸入）時(shí)，linkswitch—tn的最大輸出電流值見(jiàn)表1。

　　2.1　linkswitch—tn的7種電路接線(xiàn)方式

　　linkswitch—tn的7種接線(xiàn)方式分別如圖1（a）～（g）所示。用戶(hù)可根據需要選其中一種電路。

　　2.1.1　正端降壓式直接反饋電路

　　——正壓輸出；

　　——uo

　　——電路簡(jiǎn)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(jiàn)圖1（b）。其主要特點(diǎn)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(shí)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(jiàn)圖1（c）。其主要特點(diǎn)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恒流驅動(dòng)電路

　　負端降壓式led恒流驅動(dòng)電路見(jiàn)圖1（d）。它適合驅動(dòng)led，其他特點(diǎn)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(jiàn)圖1（e）。其主要特點(diǎn)如下：

　　 ——負壓輸出；

　　 ——升壓或降壓式輸出，做升壓式輸出時(shí)，

　　|uo|>ui；做降壓式輸出時(shí)，|uo|

　　——電路簡(jiǎn)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(huì )加到輸出端上而損壞負載。 　　2.1.6　正端升壓／降壓式led恒流驅動(dòng)電路

　　正端升壓／降壓式led恒流驅動(dòng)電路見(jiàn)圖1（f）。該電路適合驅動(dòng)led，它比圖1（d）所示電路恒流驅動(dòng)的精確度更高，受環(huán)境溫度的影響更小。其他特點(diǎn)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(jiàn)圖1（g）。其主要特點(diǎn)如下：

　　 ——負壓輸出；

　　 ——升壓或降壓式輸出，做升壓式輸出時(shí)，|uo|>ui；做降壓式輸出時(shí)，|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(huì )加到輸出端上；

　　 ——空載時(shí)的功耗最低。

　　2.2　基本電路結構

　　由linkswitch—tn系列構成非隔離式電源時(shí)有兩種基本電路結構，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）所示電路的主要區別是vdfw及l(fā)的接線(xiàn)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(guò)濾波電感的平均電流。
　　
　　正端降壓式直接反饋電路見(jiàn)圖1（a）。其主要特點(diǎn)如下：

　　由lnk304構成＋12v/120ma非隔離式開(kāi)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、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驅動(dòng)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。

　　 ——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(shí)，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(diǎn)是它在熔斷時(shí)不會(huì )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(shí)通過(guò)。

　　電源調整電路由lnk304、uf4005型超快恢復二極管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(lái)限制的，其控制方案與tinyswitch中的開(kāi)／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(guò)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應等于0.65v。
　　
lnk304是通過(guò)跳過(guò)周期的方式來(lái)對輸出電壓進(jìn)行調節的。當輸出電壓升高時(shí)，流入引腳fb的電流ifb也會(huì )增加，若電流ifb>49μa，則隨后的周期將被跳過(guò)去，直到ifb<49μa。因此，當負載減輕時(shí)將跳過(guò)許多周期；負載加重時(shí)跳過(guò)的周期較少。如果發(fā)生輸出過(guò)載、輸出短路故障，linkswitch—tn開(kāi)關(guān)就進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)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(shí)的輸出電壓與額定輸出電壓的誤差控制在±10％以?xún)?。取r2=2.4kω時(shí)，預設的負載電流為5ma。

　　實(shí)測該開(kāi)關(guān)電源的負載調整曲線(xiàn)如圖4所示。

　　下面以圖3為例，介紹linkswitch—tn的電路設計要點(diǎn)。

　　4.1　續流二極管vd3

　　 采用不連續模式時(shí)，vd3應選擇trr≤75ns的超快恢復二極管作為續流二極管；采用連續模式時(shí)，要求trr≤35ns。uf4005屬于超快恢復二極管，其trr=30ns，能滿(mǎn)足上述兩種工作模式的需要。不要使用快恢復二極管，因為，這種管子的反向恢復時(shí)間為幾百ns，在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì )使linkswitch—tn總處于連續工作模式，從而產(chǎn)生上升沿很高的尖峰電流強迫轉換周期提前結束，使輸出無(wú)法達到穩定狀態(tài)。

　　4.2　反饋二極管vd4

　　 反饋二極管vd4可選用廉價(jià)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時(shí)間較短。此外，vd4和vd3的正向壓降應相等。

　　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的電感量應大于或等于設計值，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構成的電阻分壓器應使引腳fb 的電壓保持在1.65v。r3可選擇標稱(chēng)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(shí)間內，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(guò)小時(shí)會(huì )降低在小負載情況下的穩壓性能。

　　4.7　負載電阻r2
　　當最小負載電流小于3ma時(shí)，直接反饋式電路要求有一個(gè)負載電阻來(lái)維持輸出電壓的穩定。選擇r2=4kω時(shí)，可使iomin=3ma。

此外，在光耦反饋式電路中還需要給外部穩壓管接限流電阻（rz），將穩壓管的工作電流限制在1～2ma，以減小空載時(shí)輸出的紋波電壓，參見(jiàn)圖1（c）。

　　5　結語(yǔ)

　　linkswitch—tn系列單片開(kāi)關(guān)電源具有性能先進(jìn)、使用靈活、電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應用前景。利用linkswitch—tn還可設計多路輸出式開(kāi)關(guān)電源，其特點(diǎn)是電源的總輸出電壓及總輸出電流等于各路輸出之和（對負壓應取絕對值）。