LinkSwitch-TN節(jié)能型開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

　　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(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(fù)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(qū)動(dòng)器。

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

　　 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ecosmart節(jié)能技術(shù)，不僅能達(dá)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(jì)成正壓輸出的降壓式（buck）電路，亦可設(shè)計(jì)成負(fù)壓輸出的降壓或升壓式（buck-boost）電路、降壓式led恒流驅(qū)動(dòng)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(fù)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(qiáng)，低功耗。linkswitch—tn的開關(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(dǎo)通，并且無過沖現(xiàn)象。當(dāng)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(hù)功能完善。芯片內(nèi)部有短路后自動(dòng)重啟動(dòng)的保護(hù)電路、開環(huán)故障檢測及保護(hù)電路、限流保護(hù)電路和具有滯后特性的過熱保護(hù)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(shí)，linkswitch—tn的最大輸出電流值見表1。

　　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。

　　2.1.1　正端降壓式直接反饋電路

　　——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(diǎn)如下：

　　——正壓輸出；

　　——uo

　　——采用光耦反饋電路，由外部基準(zhǔn)電壓決定uo的精確度，輸出端不需要接負(fù)載電阻，空載時(shí)的功耗最低。

　　2.1.3　負(fù)端降壓式光耦反饋電路

　　負(fù)端降壓式光耦反饋電路見圖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(zhǔn)電壓決定uo的精確度，輸出端不需要接負(fù)載電阻。

　　2.1.4　負(fù)端降壓式led恒流驅(qū)動(dòng)電路

　　負(fù)端降壓式led恒流驅(qū)動(dòng)電路見圖1（d）。它適合驅(qū)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圖1（e）。其主要特點(diǎn)如下：

　　 ——負(fù)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(fù)載。 　　2.1.6　正端升壓／降壓式led恒流驅(qū)動(dòng)電路

　　正端升壓／降壓式led恒流驅(qū)動(dòng)電路見圖1（f）。該電路適合驅(qū)動(dòng)led，它比圖1（d）所示電路恒流驅(qū)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(fù)端升壓／降壓式光耦反饋電路

　　負(fù)端升壓／降壓式光耦反饋電路見圖1（g）。其主要特點(diǎn)如下：

　　 ——負(fù)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(zhǔn)電壓決定uo的精確度，輸出端不需要接負(fù)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(shí)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(shí)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(fù)載電阻。圖2（a）及圖2（b）所示電路的主要區(qū)別是vdfw及l(fā)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(fù)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?fù)洳粌H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。
　　
　　正端降壓式直接反饋電路見圖1（a）。其主要特點(diǎn)如下：

　　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(jī)、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(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(hù)作用；

　　 ——降低串模噪聲干擾；

　　 ——當(dāng)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(xiǎn)管的優(yōu)點(diǎn)是它在熔斷時(shí)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(dǎo)通時(shí)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l(wèi)1和濾波電容c2組成。電感l(wèi)1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(dá)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(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，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(dāng)負(fù)載減輕時(shí)將跳過許多周期；負(fù)載加重時(shí)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(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(fù)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％以內(nèi)。取r2=2.4kω時(shí)，預(yù)設(shè)的負(fù)載電流為5ma。

　　實(shí)測該開關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整曲線如圖4所示。

　　下面以圖3為例，介紹linkswitch—tn的電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　4.1　續(xù)流二極管vd3

　　 采用不連續(xù)模式時(shí)，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(shí)，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?yàn)?，這種管子的反向恢復(fù)時(shí)間為幾百ns，在啟動(dòng)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(qiáng)迫轉(zhuǎn)換周期提前結(jié)束，使輸出無法達(dá)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(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(fù)時(shí)間較短。此外，vd4和vd3的正向壓降應(yīng)相等。

　　4.3　電感l(wèi)1

　　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(jì)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(biāo)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(shí)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(dāng)電容量取得過小時(shí)會降低在小負(fù)載情況下的穩(wěn)壓性能。

　　4.7　負(fù)載電阻r2
　　當(dāng)最小負(fù)載電流小于3ma時(shí)，直接反饋式電路要求有一個(gè)負(fù)載電阻來維持輸出電壓的穩(wěn)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(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(shí)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(jìn)、使用靈活、電路簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。利用linkswitch—tn還可設(shè)計(jì)多路輸出式開關(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(fù)壓應(yīng)取絕對值）。