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1、LinkSwitch-TN 节能型开关电源电路设计1 引言 某些电子设备和家用电器并不需要使用输入与输出完全隔离的开关电源。例如，直流电机的驱动电源，空调、无霜冰箱和微波炉中的稳压电源，它们本身就属于隔离系统，因此可由非隔离式开关电源供电，但要求这种开关电源的电路简单、电源效率高。 PI 公司于 2004 年 1 月最新推出 LinkSwitchTN 系列四端非隔离式、节能型单片开关电源专用 IC，它是专门为取代家用电器及工业领域所用小功率线性电源而设计的，不仅能去掉笨重的电源变压器，还克服了阻容降压式线性电源负载特性差的缺陷。LinkSwitchTN 系列包含LNK304PG、LNK305P
2、G、LNK306PG 共 6 种型号，最大输出电流为 360mA，适用于家用电器中的控制电源以及 LED 驱动器。 2LinkSwitchTN 系列单片开关电源的性能特点 1）LinkSwitchTN 系列产品能以最少数量的外围元器件，构成非隔离式、节能型开关电源。与传统的“无源（靠电容降压）”解决方案相比，LinkSwitchTN 采用了 EcoSmart 节能技术，不仅能达到比电容降压式线性稳压电源更高的效率，而且可提高功率因数。 2）使用灵活，既可设计成正压输出的降压式（Buck）电路，亦可设计成负压输出的降压或升压式（Buck-Boost）电路、降压式 LED 恒流驱动电路，能满足不同
3、用户的需要。 3）输入电压范围宽，在交流 85265V 范围内具有良好的电压调整率和负载调整率。有两种工作模式可供选择，即连续模式（CCM），不连续模式（DCM），多数情况下选择不连续模式。 4）抗干扰能力强，低功耗。LinkSwitchTN 的开关频率为 66kHz，频率抖动范围是 4kHz。利用频率抖动技术能将电磁干扰降低 10dB，还能减小 EMI 滤波器的功耗。功率 MOSFET 能快速导通，并且无过冲现象。当电源空载且输入电压为 230V 时，采用自供电降压电路的功耗仅为 80mW；采用外部偏置电路时的功耗低至 12mW。 5）保护功能完善。芯片内部有短路后自动重启动的保护电路、开环
4、故障检测及保护电路、限流保护电路和具有滞后特性的过热保护电路。 在交流固定输入 230（115）V 或交流宽范围输入（亦称通用输入）时，LinkSwitchTN的最大输出电流值见表 1。表 13LinkSwitchTN 系列单片开关电源的接线方式 3.1LinkSwitchTN 的 7 种电路接线方式 LinkSwitchTN 的 7 种接线方式分别如图 1（a）（g）所示。用户可根据需要选其中一种电路。图 13.1.1正端降压式直接反馈电路 输出取决于输入（下同，不再赘述）； 正压输出； UO 电路简单，成本低； UO 的精确度约为10。 3.1.2正端降压式光耦反馈电路 正端降压式光耦反馈
5、电路见图 1（b）。其主要特点如下： 正压输出； UO 采用光耦反馈电路，由外部基准电压决定 UO 的精确度，输出端不需要接负载电阻，空载时的功耗最低。 3.1.3负端降压式光耦反馈电路 负端降压式光耦反馈电路见图 1（c）。其主要特点如下： 正压输出； UO 采用光耦反馈电路，由外部基准电压决定 UO 的精确度，输出端不需要接负载电阻。 3.1.4负端降压式 LED 恒流驱动电路 负端降压式 LED 恒流驱动电路见图 1（d）。它适合驱动 LED，其他特点与2.1.3 相同。 3.1.5正端升压降压式直接反馈电路 正端升压降压式直接反馈电路见图 1（e）。其主要特点如下： 负压输出； 升压或
6、降压式输出，做升压式输出时， |UO|UI；做降压式输出时，|UO| 电路简单，成本低，UO 的精确度约为10； 即使功率 MOSFET 失效，输入端电压也不会加到输出端上而损坏负载。 3.1.6正端升压降压式 LED 恒流驱动电路 正端升压降压式 LED 恒流驱动电路见图 1（f）。该电路适合驱动 LED，它比图 1（d）所示电路恒流驱动的精确度更高，受环境温度的影响更小。其他特点与 2.1.5 相同。 3.1.7负端升压降压式光耦反馈电路 负端升压降压式光耦反馈电路见图 1（g）。其主要特点如下： 负压输出； 升压或降压式输出，做升压式输出时，|UO|UI；做降压式输出时，|UO| 采用光
7、耦反馈电路，由外部基准电压决定 UO 的精确度，输出端不需要接负载电阻； 即使功率 MOSFET 失效，输入端电压也不会加到输出端上； 空载时的功耗最低。 3.2基本电路结构 由 LinkSwitchTN 系列构成非隔离式电源时有两种基本电路结构，即Buck（降压式）变换器，Buck?Boost（降压或升压式）变换器，分别如图2（a）及图 2（b）所示。RF 为熔断电阻器，VDIN1 及 VDIN2 为输入级整流管。VDFW 为超快恢复二极管。CIN1 及 CIN2 为输入级滤波电容，LIN 为输入级电感。CBP 为旁路电容，RBAIS 为偏置电阻。RFB，CFBB 和 VDFB 分别为反馈电
8、阻、反馈电容和反馈二极管。L 为输出级电感，RPL 为负载电阻。图 2（a）及图2（b）所示电路的主要区别是 VDFW 及 L 的接线位置不同。Buck 变换器是将VDFW 并联在源极与输入电压的负端之间，L 串联在源极与输出电压的正端之间。Buck?Boost 变换器则与之相反。对于给定的 LinkSwitchTN 芯片和电感值，选择 Buck 拓扑不仅可获得最大输出功率，还能降低 LinkSwitchTN 芯片所承受的电压，减小通过滤波电感的平均电流。图 2 和图 34LinkSwitchTN 系列单片开关电源的典型应用 由 LNK304 构成12V/120mA 非隔离式开关电源的电路如图
9、 3 所示，其输出功率为 1.44W。该电路适用于空调、洗碗机、电饭煲等家用电器的控制电源，亦可用做夜间照明灯、LED 驱动器、智能化电能表以及住宅供热控制器，在这些地方允许使用非隔离电源。 输入电路由可熔断电阻器 RF、二极管 VD1 及 VD2、电容 C4 及 C5 和电感 L2组成。可熔断电阻器具有以下功能： 对 VD1 和 VD2 起限流保护作用； 降低串模噪声干扰； 当其他元器件发生短路故障时，RF 迅速被熔断，切断输入电压。 用可熔断电阻器代替保险管的优点是它在熔断时不会产生电火花或烟雾，既安全又不造成干扰。将二极管 VD1 和 VD2 串联后，耐压能力可提高到 2kV，并且使噪声
10、电流只在二极管导通时通过。 电源调整电路由 LNK304、UF4005 型超快恢复二极管 VD3、输出储能电感 L1和滤波电容 C2 组成。电感 L1 的峰值电流是由 LNK304P 的极限电流来限制的，其控制方案与 TinySwitch 中的开关控制器很相似。 由于 VD4（玻璃钝化的 1N4005GP）和 VD3 的正向压降相同，因此 C3 两端的电压能跟随输出电压的变化。C3 上的电压经过电阻 R1 和 R3 分压后送至 LNK304的引脚 FB。为达到所期望的输出电压值，UFB 应等于 0.65V。LNK304 是通过跳过周期的方式来对输出电压进行调节的。当输出电压升高时，流入引脚 F
11、B 的电流 IFB 也会增加，若电流 IFB49A，则随后的周期将被跳过去，直到IFB49A。因此，当负载减轻时将跳过许多周期；负载加重时跳过的周期较少。如果发生输出过载、输出短路故障，LinkSwitchTN 开关就进入自动重启动阶段，输出功率降至 POM6，从而限制了平均输出功率。R2 为负载电阻，可将轻载或空载时的输出电压与额定输出电压的误差控制在10以内。取R2=2.4k 时，预设的负载电流为 5mA。 实测该开关电源的负载调整曲线如图 4 所示。图 45电路设计要点 下面以图 3 为例，介绍 LinkSwitchTN 的电路设计要点。5.1续流二极管 VD3 采用不连续模式时，VD3
12、 应选择 trr75ns 的超快恢复二极管作为续流二极管；采用连续模式时，要求 trr35ns。UF4005 属于超快恢复二极管，其trr=30ns，能满足上述两种工作模式的需要。不要使用快恢复二极管，因为，这种管子的反向恢复时间为几百 ns，在启动过程中会使 LinkSwitchTN 总处于连续工作模式，从而产生上升沿很高的尖峰电流强迫转换周期提前结束，使输出无法达到稳定状态。 5.2反馈二极管 VD4 反馈二极管 VD4 可选用廉价的整流管，如 1N4005 型整流管，但最好采用玻封管，这种管子的反向恢复时间较短。此外，VD4 和 VD3 的正向压降应相等。 5.3电感 L1 推荐 L1
13、采用带铁氧体磁芯的电感，以降低成本并减小音频噪声。L1 的电感量应大于或等于设计值，所能承受的有效值电流也要留出一定余量。 5.4输出级滤波电容 C2 C2 的主要作用是平滑滤波。鉴于输出的纹波电压与 C2 的等效串联电阻（ESR）呈函数关系，因此，要尽量选择低 ESR 的电容。 5.5反馈电阻（R1）和偏置电阻（R3） 由 R1 和 R3 构成的电阻分压器应使引脚 FB 的电压保持在 1.65V。R3 可选择标称阻值为 2k/1的电阻。 5.6反馈电容 C3 C3 可选普通的电解电容，它具有“取样保持”的功能。在 LinkSwitchTN关闭时间内，C3 上的电压被充电到输出电压值。C3 的
14、电容量范围是1022F，当电容量取得过小时会降低在小负载情况下的稳压性能。 5.7负载电阻 R2 当最小负载电流小于 3mA 时，直接反馈式电路要求有一个负载电阻来维持输出电压的稳定。选择 R2=4k 时，可使 IOmin=3mA。 此外，在光耦反馈式电路中还需要给外部稳压管接限流电阻（RZ），将稳压管的工作电流限制在 12mA，以减小空载时输出的纹波电压，参见图 1（c）。6结语 LinkSwitchTN 系列单片开关电源具有性能先进、使用灵活、电路简单、成本低廉等优点，具有良好的应用前景。利用 LinkSwitchTN 还可设计多路输出式开关电源，其特点是电源的总输出电压及总输出电流等于各路输出之和（对负压应取绝对值）。
