LinkSwitch系列恒壓／恒流式單片開關電源的應用

0??? 引言

??? 恒壓／恒流（CV／CC）式開關電源是最常用的一種特種電源。2002年9月，PI公司率先推出了LinkSwitch系列（包含LNK500、LNK501）高效率恒壓／恒流式三端單片開關電源芯片，它是世界上第一個專門為取代4W以下小功率線性穩壓電源而研制的高集成度、低成本、高壓功率轉換芯片。2004年3月，該公司又研制出LNK520型恒壓或恒壓／恒流式三端單片開關電源。由LinkSwitch構成的恒壓／恒流式開關電源，價格堪與線性電源相媲美。它比傳統的線性電源體積小，重量輕，特別適合于低成本電池充電器。這種開關電源可在恒壓、恒流兩種工作模式下自動轉換，比用TOPSwitch－Ⅱ構成的恒壓／恒流式特種開關電源大約可節省20個元器件。當額定輸出功率為3W時，LinkSwitch允許采用EE13型磁芯，以進一步減小開關電源的體積。

??? LinkSwitch系列單片開關電源可替代線性電源，廣泛用于各種個人電子設備（手機、無繩電話、掌上電腦、數碼相機、MP3播放器、電動剃須刀等）的電池充電器或電源適配器，也可以應用在電視機等家用電器的待機電源及各種輔助電源中。

1??? LinkSwitch系列單片開關電源的性能特點

??? 1）LinkSwitch系列產品采用PI公司的EcoSmart^R技術，將700V功率MOSFET、PWM控制器、高壓啟動、電流限制和過熱保護等電路集成在一個芯片中。該芯片只有3個引腳，對LNK500、LNK501而言，僅須配14個外圍元器件，即可構成具有恒壓／恒流（CV/CC）輸出特性的特種開關電源。用做電源適配器時，LinkSwitch工作在恒壓區，可為負載提供穩定的電壓，此時恒流區用來提供過載保護及短路時的自動重啟動保護。做電池充電器時，LinkSwitch工作在恒流區，充電完畢自動轉入恒壓區；若在充電過程中因負載短路而使輸出電壓降至2V以下，則進入自動重啟動階段。與線性穩壓電源相比，其功耗可降低70％。

??? 2）LNK500、LNK501在寬范圍輸入（交流85～265V）時的最大輸出功率為3W，交流230V固定輸入時的最大輸出功率為4W。通常將LinkSwitch設計在不連續模式下工作。利用光耦反饋技術可提高恒壓輸出的精度和穩定度，而利用外部穩壓管進行二次穩壓能改善恒流特性。

??? 3）該器件采用新穎的初級恒壓、恒流控制方案，包括初級鉗位、反饋、內部供電和回路補償等電路，極大地簡化了外圍電路的設計。LNK500／501不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路，完全由初級感應電壓UOR來控制恒壓／恒流輸出。

??? 4）具有完善的保護功能，包括過熱保護，過電流保護，輸出短路情況下的過載保護，開路故障保護和軟啟動功能。

??? 5）功率MOSFET的漏極擊穿電壓為700V，極限電流固定為254mA，漏－源通態電阻為28Ω（典型值），最大占空比為77％。自動重啟動頻率為300Hz。過熱保護溫度為＋135℃，當溫度降至＋70℃時芯片才恢復正常工作。

2??? LinkSwitch系列單片開關電源的典型應用

??? 由LNK501構成恒壓／恒流式電池充電器的電路如圖1所示。該電池充電器的主要技術指標如下：恒壓區的額定輸出電壓U_o=＋5.5V，恒流區的輸出電流I_OM=500mA，最大輸出功率P_OM=2.75W；當交流輸入電壓u=85～265V時，電源效率η≥72％；當交流輸入電壓u=230V或115V時，空載功耗分別為260mW或200mW。

圖1??? 由LNK501構成恒壓／恒流式電池充電器的電路

??? RF（Fusible Resistor）采用10Ω、1W的熔斷電阻器，當輸入端發生短路故障時能起到過流保護作用。BR為1A、600V的整流橋，亦可用4只1N4005型硅整流管來代替。C₁、L和C₂構成π型濾波器。LNK501的開關頻率為42kHz，允許使用簡單的EMI濾波器濾除電磁干擾，而且一般不需要初級返回端與次級返回端之間并聯一只安全電容（亦稱Y電容）。

??? 由1A、600V的硅二極管VD₁（1N4937）和0.1μF電容器C₄組成鉗位保護電路，用來吸收由高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓。初級繞組的感應電壓值（U_OR）亦稱次級反射電壓，它與輸出電壓U_O之間存在下述關系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n為初級與次級的匝數比，U_F1為次級整流管的壓降）。這表明U_OR能反映輸出電壓的高低。因此，利用取樣電容C₄所獲得的反饋電壓同樣能反映出UO的變化情況。電阻R₁的作用就是將C₄上的反饋電壓轉換成反饋電流（即控制端電流I_C），進而去調節LNK501的輸出占空比，實現穩壓目的。利用R2可降低開關噪聲。根據實際需要還可在初、次級返回端之間并聯一只1000～2200pF、耐壓值為1.5kV的安全電容C₆，進一步抑制電磁干擾，具體接線方法如圖1中虛線所示。

??? 在恒壓區域內，輸出電壓受占空比控制。當I_C>2mA時，進入恒壓區，輸出電壓及占空比同時降低；在I_C=2.3mA時，進行過電流保護，使占空比降至30％。若U_O降到2V以下，則C₃放電，使LNK501進入自動重啟動階段，迅速將輸出電流限制在50mA以下。若實際輸出功率超過P_OM，則U_O↓→U_OR↓→I_C↓，從而限制了漏極電流ID的進一步增大。若因輸出端發生短路故障而導致輸出功率繼續增大，則I_C下降到0.9mA，迫使控制端電容C_c放電，LNK501就進入自動重啟動階段。上述自動保護功能提高了電池充電器在工作時的安全性。在空載或輕載的情況下，芯片的功耗隨開關頻率的降低而降低。

??? 該恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性如圖2所示。圖2中的實線代表極限值。次級整流管VD₂采用11DQ06型1A／60V肖特基二極管，亦可用MBR160代替。

圖2??? 由LNK501構成恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性

3??? 電路設計要點

3.1??? 最大輸出功率

??? LinkSwitch在交流85～265V寬范圍輸入、交流230V固定輸入時的最大連續輸出功率（P_OM）分別為3W、4W。為達到最大連續輸出功率，設計電路時應注意以下事項。

??? 1）設計的直流輸入電壓最小值U_Imin≥90V。當交流輸入電壓u=85～265V時，輸入濾波電容的容量可按3μF/W的比例系數來選取。對于交流230V或115V固定輸入電壓，可按1μF/W的比例系數來選取。

??? 2）LinkSwitch是專門設計在不連續模式下工作的，此時初級繞組感應電壓U_OR的范圍是40～60V。若設計成連續模式，會導致環路工作不穩定。

??? 3）次級整流管應采用肖特基二極管。圖1中的VD₂就采用1A/60V的肖特基二極管。

??? 4）預先可假定電源效率η=70％。

??? 5）源極引腳必須與印制板上的覆銅箔接觸良好，以保證將熱量及時散發出去，使芯片溫度不超過＋100℃。

??? 除了受溫度條件、通風狀況、封裝形式、電源結構等因素的影響之外，在給定條件下LinkSwitch的最大輸出功率還與高頻變壓器磁芯的大小、導磁率、初級電感容量、最小輸入電壓、輸入濾波電容的容量、輸出電壓、整流管壓降等參數有關，這會造成實際的P_OM值與設計值不相等。

3.2??? 高頻變壓器

??? 在非連續模式下，當功率MOSFET關斷時，已存儲在高頻變壓器中的能量就轉換為次級輸出。若不考慮次級損耗的情況下，則高頻變壓器的最大轉換功率為

??? P_M=0.5L_PI²_LIMITf

式中：L_P為初級電感量；

????? I²_LIMITf為系數，它代表初級極限電流的平方與開關頻率的乘積，其典型值為I²_LIMITf=(254mA)2×42kHz=2710A²Hz。

??? P_M所對應的控制端電流用I_DCT來表示，I_DCT可用來設定LinkSwitch電源的最大輸出功率點P_OM。

??? 當開關電源從恒流區開始工作時，初級電感量（L_P）對峰值輸出功率（P_OPK）起決定作用，該參數應加以控制。若估計的P_OPK值允許有±20％的變化量，則L_P值允許偏差±10％，磁芯的氣隙δ≥0.08mm。

??? 若采用EE13型磁芯，取δ=0.08mm，L_P允許有±10％的偏差，初級感應電壓U_OR=40～60V，則LinkSwitch的最大輸出功率可達2.7W。選擇尺寸較大的磁芯能提升感應電壓U_OR，進而提高輸出功率。例如，選擇EE16型磁芯時，最大輸出功率為3W。如不考慮空載時的功率損耗，還可采用EE19型磁芯，在交流230V輸入時，U_OR>70V，將輸出功率提高到5W。UOR還影響恒流輸出特性曲線的線性度。在完成設計前應檢查恒流輸出特性。

3.3??? 影響輸出特性的因素

??? LinkSwitch輸出特性的余量由LinkSwitch的余量以及外部電路來決定。采用如圖1所示電路時，最大輸出功率為2.75W，輸出電壓的變化量為±10％，輸出電流的變化量為±20％。影響輸出特性的因素主要有初級漏感、次級整流管的壓降和輸出引線上的電阻。例如，當初級漏感達到50μH時將導致空載時的輸出電壓大約上升30％。如果增加光耦反饋電路并利用外部穩壓管進行二次穩壓，那么整個負載范圍內的輸出電壓變化量可降低到±5％。

3.4??? 關鍵元器件的選擇

??? 下面以圖1為例，介紹選擇外圍關鍵元器件的原則。

??? 1）鉗位二極管VD₁應選擇耐壓為600V甚至更高的快恢復或超快恢復二極管，不能用普通的低速二極管。

??? 2）鉗位電容C4可采用0.1μF、100V的金屬膜或塑料薄膜電容，容量誤差在±5％、±10％或±20％均可，但不推薦使用陶瓷電容，因為該種電容受溫度和電壓變化的影響較大、容易引起輸出電壓的波動。

??? 3）控制端電容C₃可為LinkSwitch的上電過程或自動重啟動階段提供控制電壓。設計電池充電器時，C₃應選擇0.22μF、10V的電容器，以保證有足夠的時間去啟動電路。

??? 4）選擇反饋電阻R₁的原則是在最大輸出功率時能使2.3mA的反饋電流流入控制端。R₁的準確值還要看所設計的U_OR值。適當增大R₁值可改變電池充電器的輸出特性，如圖3所示。

圖3??? 增大R₁值對輸出特性的影響

??? 圖3中的虛線框代表典型的輸出特性曲線，實線框表示增大R₁值以后的實際工作區，虛線箭頭分別表示恒壓區及恒流區的變化方向。由圖3可見，增大R₁值能提高平均輸出電壓U_O（恒壓曲線向上移動），減小平均輸出電流I_O（恒流曲線向左移動）。其變化特征是R_FB↑→U_O↑→I_O↓。

??? 5）如需要增加安全電容濾除次級上的瞬態干擾，應將安全電容并聯在初級電路返回端與次級電路返回端之間。安全電容的容量很小，但耐壓值必須達到1.5kV才符合IEC標準。

3.5??? 示波器的接線方式

??? 在用示波器觀察LinkSwitch的輸出波形時，如果將探針接源極S，地線接初級的返回端，那么探頭分布電容上的電荷可能造成誤觸發，使LinkSwitch達到極限電流。正確的方法是按圖4所示，將探頭的地線接LinkSwitch的漏極D，以直流作為參考點。由于漏極上有直流高壓，因此，在電源的進線端必須接隔離變壓器T1。

圖4??? 示波器的正確接線方式

4??? 結語

??? LinkSwitch系列恒壓／恒流式三端單片開關電源采用初級恒壓、恒流控制方案，它不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路，極大地簡化了外圍電路的設計，為實現小功率CV／CC式開關電源的優化設計創造了有利條件。