LinkSwitch系列恒压/恒流式单片开关电源的应用

LinkSwitch系列恒压／恒流式单片开关电源的应用

0    引言

    恒压／恒流（CV／CC）式开关电源是最常用的一种特种电源。2002年9月，PI公司率先推出了LinkSwitch系列（包含LNK500、LNK501）高效率恒压／恒流式三端单片开关电源芯片，它是世界上第一个专门为取代4W以下小功率线性稳压电源而研制的高集成度、低成本、高压功率转换芯片。2004年3月，该公司又研制出LNK520型恒压或恒压／恒流式三端单片开关电源。由LinkSwitch构成的恒压／恒流式开关电源，价格堪与线性电源相媲美。它比传统的线性电源体积小，重量轻，特别适合于低成本电池充电器。这种开关电源可在恒压、恒流两种工作模式下自动转换，比用TOPSwitch－Ⅱ构成的恒压／恒流式特种开关电源大约可节省20个元器件。当额定输出功率为3W时，LinkSwitch允许采用EE13型磁芯，以进一步减小开关电源的体积。

    LinkSwitch系列单片开关电源可替代线性电源，广泛用于各种个人电子设备（手机、无绳电话、掌上电脑、数码相机、MP3播放器、电动剃须刀等）的电池充电器或电源适配器，也可以应用在电视机等家用电器的待机电源及各种辅助电源中。

1    LinkSwitch系列单片开关电源的性能特点

    1）LinkSwitch系列产品采用PI公司的EcoSmart^R技术，将700V功率MOSFET、PWM控制器、高压启动、电流限制和过热保护等电路集成在一个芯片中。该芯片只有3个引脚，对LNK500、LNK501而言，仅须配14个外围元器件，即可构成具有恒压／恒流（CV/CC）输出特性的特种开关电源。用做电源适配器时，LinkSwitch工作在恒压区，可为负载提供稳定的电压，此时恒流区用来提供过载保护及短路时的自动重启动保护。做电池充电器时，LinkSwitch工作在恒流区，充电完毕自动转入恒压区；若在充电过程中因负载短路而使输出电压降至2V以下，则进入自动重启动阶段。与线性稳压电源相比，其功耗可降低70％。

    2）LNK500、LNK501在宽范围输入（交流85～265V）时的最大输出功率为3W，交流230V固定输入时的最大输出功率为4W。通常将LinkSwitch设计在不连续模式下工作。利用光耦反馈技术可提高恒压输出的精度和稳定度，而利用外部稳压管进行二次稳压能改善恒流特性。

    3）该器件采用新颖的初级恒压、恒流控制方案，包括初级钳位、反馈、内部供电和回路补偿等电路，极大地简化了外围电路的设计。LNK500／501不需要辅助绕组及外部恒压／恒流控制电路，完全由初级感应电压UOR来控制恒压／恒流输出。

    4）具有完善的保护功能，包括过热保护，过电流保护，输出短路情况下的过载保护，开路故障保护和软启动功能。

    5）功率MOSFET的漏极击穿电压为700V，极限电流固定为254mA，漏－源通态电阻为28Ω（典型值），最大占空比为77％。自动重启动频率为300Hz。过热保护温度为＋135℃，当温度降至＋70℃时芯片才恢复正常工作。

2    LinkSwitch系列单片开关电源的典型应用

    由LNK501构成恒压／恒流式电池充电器的电路如图1所示。该电池充电器的主要技术指标如下：恒压区的额定输出电压U_o=＋5.5V，恒流区的输出电流I_OM=500mA，最大输出功率P_OM=2.75W；当交流输入电压u=85～265V时，电源效率η≥72％；当交流输入电压u=230V或115V时，空载功耗分别为260mW或200mW。

图1    由LNK501构成恒压／恒流式电池充电器的电路

    RF（Fusible Resistor）采用10Ω、1W的熔断电阻器，当输入端发生短路故障时能起到过流保护作用。BR为1A、600V的整流桥，亦可用4只1N4005型硅整流管来代替。C₁、L和C₂构成π型滤波器。LNK501的开关频率为42kHz，允许使用简单的EMI滤波器滤除电磁干扰，而且一般不需要初级返回端与次级返回端之间并联一只安全电容（亦称Y电容）。

    由1A、600V的硅二极管VD₁（1N4937）和0.1μF电容器C₄组成钳位保护电路，用来吸收由高频变压器漏感产生的尖峰电压。初级绕组的感应电压值（U_OR）亦称次级反射电压，它与输出电压U_O之间存在下述关系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n为初级与次级的匝数比，U_F1为次级整流管的压降）。这表明U_OR能反映输出电压的高低。因此，利用取样电容C₄所获得的反馈电压同样能反映出UO的变化情况。电阻R₁的作用就是将C₄上的反馈电压转换成反馈电流（即控制端电流I_C），进而去调节LNK501的输出占空比，实现稳压目的。利用R2可降低开关噪声。根据实际需要还可在初、次级返回端之间并联一只1000～2200pF、耐压值为1.5kV的安全电容C₆，进一步抑制电磁干扰，具体接线方法如图1中虚线所示。

    在恒压区域内，输出电压受占空比控制。当I_C>2mA时，进入恒压区，输出电压及占空比同时降低；在I_C=2.3mA时，进行过电流保护，使占空比降至30％。若U_O降到2V以下，则C₃放电，使LNK501进入自动重启动阶段，迅速将输出电流限制在50mA以下。若实际输出功率超过P_OM，则U_O↓→U_OR↓→I_C↓，从而限制了漏极电流ID的进一步增大。若因输出端发生短路故障而导致输出功率继续增大，则I_C下降到0.9mA，迫使控制端电容C_c放电，LNK501就进入自动重启动阶段。上述自动保护功能提高了电池充电器在工作时的安全性。在空载或轻载的情况下，芯片的功耗随开关频率的降低而降低。

    该恒压／恒流式电池充电器的输出特性如图2所示。图2中的实线代表极限值。次级整流管VD₂采用11DQ06型1A／60V肖特基二极管，亦可用MBR160代替。

图2    由LNK501构成恒压／恒流式电池充电器的输出特性

3    电路设计要点

3.1    最大输出功率

    LinkSwitch在交流85～265V宽范围输入、交流230V固定输入时的最大连续输出功率（P_OM）分别为3W、4W。为达到最大连续输出功率，设计电路时应注意以下事项。

    1）设计的直流输入电压最小值U_Imin≥90V。当交流输入电压u=85～265V时，输入滤波电容的容量可按3μF/W的比例系数来选取。对于交流230V或115V固定输入电压，可按1μF/W的比例系数来选取。

    2）LinkSwitch是专门设计在不连续模式下工作的，此时初级绕组感应电压U_OR的范围是40～60V。若设计成连续模式，会导致环路工作不稳定。

    3）次级整流管应采用肖特基二极管。图1中的VD₂就采用1A/60V的肖特基二极管。

    4）预先可假定电源效率η=70％。

    5）源极引脚必须与印制板上的覆铜箔接触良好，以保证将热量及时散发出去，使芯片温度不超过＋100℃。

    除了受温度条件、通风状况、封装形式、电源结构等因素的影响之外，在给定条件下LinkSwitch的最大输出功率还与高频变压器磁芯的大小、导磁率、初级电感容量、最小输入电压、输入滤波电容的容量、输出电压、整流管压降等参数有关，这会造成实际的P_OM值与设计值不相等。

3.2    高频变压器

    在非连续模式下，当功率MOSFET关断时，已存储在高频变压器中的能量就转换为次级输出。若不考虑次级损耗的情况下，则高频变压器的最大转换功率为

    P_M=0.5L_PI²_LIMITf

式中：L_P为初级电感量；

      I²_LIMITf为系数，它代表初级极限电流的平方与开关频率的乘积，其典型值为I²_LIMITf=(254mA)2×42kHz=2710A²Hz。

    P_M所对应的控制端电流用I_DCT来表示，I_DCT可用来设定LinkSwitch电源的最大输出功率点P_OM。

    当开关电源从恒流区开始工作时，初级电感量（L_P）对峰值输出功率（P_OPK）起决定作用，该参数应加以控制。若估计的P_OPK值允许有±20％的变化量，则L_P值允许偏差±10％，磁芯的气隙δ≥0.08mm。

    若采用EE13型磁芯，取δ=0.08mm，L_P允许有±10％的偏差，初级感应电压U_OR=40～60V，则LinkSwitch的最大输出功率可达2.7W。选择尺寸较大的磁芯能提升感应电压U_OR，进而提高输出功率。例如，选择EE16型磁芯时，最大输出功率为3W。如不考虑空载时的功率损耗，还可采用EE19型磁芯，在交流230V输入时，U_OR>70V，将输出功率提高到5W。UOR还影响恒流输出特性曲线的线性度。在完成设计前应检查恒流输出特性。

3.3    影响输出特性的因素

    LinkSwitch输出特性的余量由LinkSwitch的余量以及外部电路来决定。采用如图1所示电路时，最大输出功率为2.75W，输出电压的变化量为±10％，输出电流的变化量为±20％。影响输出特性的因素主要有初级漏感、次级整流管的压降和输出引线上的电阻。例如，当初级漏感达到50μH时将导致空载时的输出电压大约上升30％。如果增加光耦反馈电路并利用外部稳压管进行二次稳压，那么整个负载范围内的输出电压变化量可降低到±5％。

3.4    关键元器件的选择

    下面以图1为例，介绍选择外围关键元器件的原则。

    1）钳位二极管VD₁应选择耐压为600V甚至更高的快恢复或超快恢复二极管，不能用普通的低速二极管。

    2）钳位电容C4可采用0.1μF、100V的金属膜或塑料薄膜电容，容量误差在±5％、±10％或±20％均可，但不推荐使用陶瓷电容，因为该种电容受温度和电压变化的影响较大、容易引起输出电压的波动。

    3）控制端电容C₃可为LinkSwitch的上电过程或自动重启动阶段提供控制电压。设计电池充电器时，C₃应选择0.22μF、10V的电容器，以保证有足够的时间去启动电路。

    4）选择反馈电阻R₁的原则是在最大输出功率时能使2.3mA的反馈电流流入控制端。R₁的准确值还要看所设计的U_OR值。适当增大R₁值可改变电池充电器的输出特性，如图3所示。

图3    增大R₁值对输出特性的影响

    图3中的虚线框代表典型的输出特性曲线，实线框表示增大R₁值以后的实际工作区，虚线箭头分别表示恒压区及恒流区的变化方向。由图3可见，增大R₁值能提高平均输出电压U_O（恒压曲线向上移动），减小平均输出电流I_O（恒流曲线向左移动）。其变化特征是R_FB↑→U_O↑→I_O↓。

    5）如需要增加安全电容滤除次级上的瞬态干扰，应将安全电容并联在初级电路返回端与次级电路返回端之间。安全电容的容量很小，但耐压值必须达到1.5kV才符合IEC标准。

3.5    示波器的接线方式

    在用示波器观察LinkSwitch的输出波形时，如果将探针接源极S，地线接初级的返回端，那么探头分布电容上的电荷可能造成误触发，使LinkSwitch达到极限电流。正确的方法是按图4所示，将探头的地线接LinkSwitch的漏极D，以直流作为参考点。由于漏极上有直流高压，因此，在电源的进线端必须接隔离变压器T1。

图4    示波器的正确接线方式

4    结语

    LinkSwitch系列恒压／恒流式三端单片开关电源采用初级恒压、恒流控制方案，它不需要辅助绕组及外部恒压／恒流控制电路，极大地简化了外围电路的设计，为实现小功率CV／CC式开关电源的优化设计创造了有利条件。