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 LinkSwitch—TN 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LinkSwitch —TN 系列包含LNK304P／G、LNK305P／G、LNK306P／G 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1 LinkSwitch—TN 系列单片开关电源的性能特点1）LinkSwitch —TN 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,LinkSwitch－TN 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,能满足不同用户的需要。
3）输入电压范围宽,在交流 85～265V 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LinkSwitch —TN 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12mW5）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（1±15％）V 或交流宽范围输入（亦称通用输入）时,LinkSwitch —TN 的最大输出电流值见表 12 LinkSwitch—TN 系列单片开关电源的接线方式 2.1 LinkSwitch—TN 的 7 种电路接线方式LinkSwitch—TN 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。
2.1.1 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％2.1.2 正端降压式光耦反馈电路 正端降压式光耦反馈电路见图 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2.1.3 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2.1.4 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2.1.5 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。
2.1.6 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2.1.7 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2.2 基本电路结构由 LinkSwitch—TN 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,BuckBoost （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BuckBoost 变换器则与之相反对于给定的 LinkSwitch—TN 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 LinkSwitch—TN 芯片所承受的电压,减小通过滤波电感的平均电流正端降压式直接反馈电路见图 1（a）其主要特点如下：3 LinkSwitch—TN 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 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0.65VLNK304 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 FB 的电流 IFB 也会增加,若电流 IFB>49μA,则随后的周期将被跳过去,直到 IFB<49μA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,LinkSwitch —TN 开关就进入自动重启动阶段,输出功率降至 POM×6％,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=2.4kΩ 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 4 电路设计要点下面以图 3 为例,介绍 LinkSwitch—TN 的电路设计要点4.1 续流二极管 VD3采用不连续模式时,VD3 应选择 trr≤75ns 的超快恢复二极管作为续流二极管;采用连续模式时,要求trr≤35nsUF4005 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 LinkSwitch—TN 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4.2 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4.3 电感 L1推荐 L1 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。
4.4 输出级滤波电容 C2C2 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4.5 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 1.65VR3 可选择标称阻值为 2kΩ/±1％的电阻4.6 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 LinkSwitch—TN 关闭时间内,C3 上的电压被充电到输出电压值C3 的电容量范围是 10～22μF,当电容量取得过小时会降低在小负载情况下的稳压性能4.7 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=4kΩ 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 1～2mA,以减小空载时输出的纹波电压,参见图 1（c）5 结语LinkSwitch—TN 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 LinkSwitch—TN 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）。
LinkSwitch-TN 功能描述LinkSwitch-TN 在一个器件上集成了一个高压功率 MOSFET 开关及一个电源控制器与传统的 PWM（脉宽调制）控制器不同，LinkSwitch-TN 采用简单的开／关控制器来调节输出电压LinkSwitch-TN 的控制器包括一个振荡器、反馈电路（检测及逻辑电路）、5.8 V 稳压电路、旁路引脚欠压电路、过温保护、频率调制、限流电路、前沿消隐电路及一个 700 V 的功率MOS-FETLinkSwitch-TN 还另外集成了用于自动重启动的保护电路1)振荡器典型的振荡器频率由内部设置，其平均频率为 66 kHz振荡器可生成两个信号：最大占空比信号( DCMAX)及每个开关周期开始的时钟信号LinkSwitch-TN 的振荡器电路可产生轻微的频率调制，通常为 4 kHz 峰峰值，用来降低 EMI频率调制的调制速率设置在 1 kHz 的水平，目的是优化 EMI 并降低其平均值及准峰值测量频率调制时应把示波精触发设定在漏极电压波形的下降沿来测量2)反馈输入电路在 FB 引脚的反馈输入电路由一个低阻抗的源极跟随器输出，其输出设定为 1.65 V当流人此引脚的电流大于 49 VA 时，反馈电路的输出会产生一个低逻辑电平信号（禁止信号）。
在每个时钟信号的上升沿，对此输出电平进行采样如果采样值为高电平，功率MOSFET 在此周期导通（使能）相反，如果此采样电平为低电平，功率 M。