LinkSwitch-TN系列節(jié)能型單片開關(guān)電源的電路設(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(hào),最大輸出電流為360mA,適用于家用電器中的控制電源以及LED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 LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源的接線方式
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
正端降壓式直接反饋電路見圖1(a)。其主要特點(diǎn)如下:
——輸出取決于輸入(下同,不再贅述);
——正壓輸出;
——UO ——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 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 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| 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| ——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(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,BuckBoost(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(jí)整流管。VDFW為超快恢復(fù)二極管。CIN1及CIN2為輸入級(jí)濾波電容,LIN為輸入級(jí)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(jí)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。BuckBoost變換器則與之相反。對(duì)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?! ? 3 LinkSwitch—TN系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用 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。 輸入電路由可熔斷電阻器RF、二極管VD1及VD2、電容C4及C5和電感L2組成。可熔斷電阻器具有以下功能: ——對(duì)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(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(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(chǔ)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(duì)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(huì)增加,若電流IFB>49μA,則隨后的周期將被跳過去,直到IFB49μA。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。 4 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn) 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)椋@種管子的反向恢復(fù)時(shí)間為幾百ns,在啟動(dòng)過程中會(huì)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(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(jí)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(huì)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(duì)負(fù)壓應(yīng)取絕對(duì)值)。 參考文獻(xiàn) 1]沙占友.微型單片開關(guān)電源的原理[J].中國電源, 2001,(1/2). 2]PowerIntegrations公司產(chǎn)品資料[Z].2004. 3]沙占友.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003. ?
——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(fù)載。
DIY機(jī)械鍵盤相關(guān)社區(qū):機(jī)械鍵盤DIY
電能表相關(guān)文章:電能表原理
評(píng)論