使用LNK304的220VAC至5VDC无变压器电源

每当您听到无变压器电源术语时，您首先会想到基于电容器的解决方案，这意味着与电源线串联一个高压电容器，然后是一个桥式整流器、一个齐纳二极管、一个滤波电容器等。这样的电路不仅无法为许多应用提供足够的电流，而且对于行业来说也不是可靠的解决方案，尽管您可能会在一些旨在降低成本的廉价产品中看到这样的电路。

一个月前，我在修洗衣机主板。在检查过程中，我意识到它配备了用于无变压器电源的LNK304芯片。所以我决定设计一个基于这个芯片的电路，用于你的应用。该电路包含 220VAC 电源输入保护、输出滤波和稳压器。

为了设计原理图和 PCB，我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 组件库（Altium 插件）。为了获得高质量的制造 PCB 板，我将 Gerbers 发送到 PCBWay，并使用 componentsearchengine.com 购买了原始组件。为了测试输出电压的电流处理和稳定性，我使用了 Siglent SDL1020X-E 直流负载，并使用 Siglent SDS2102X Plus 示波器检查了电源输出噪声。

技术规格

• 输入电压：220VAC+/-15%
• 输出电压：5VDC
• 输出电流（连续）：120mA至150mA（可增加，见正文）
• 输出电流（短时）：180mA
• 输出噪声（最大值）：30mVp-p（150mA 负载，20MHz BW）
• 输入保护：保险丝、NTC、压敏电阻
• 输出保护：短路和电流限制在190mA左右

电源电路分析

图 1 显示了该装置的示意图。很明显，该电路包含三个主要部分：220V 电​​源输入电路、LNK304、输出滤波和 5V 稳压器。

图 1：使用 LNK304 的无变压器电源示意图

220VAC 电源输入

市电输入保护由 F1、R4 和 R5 组成。R5 是 10D561 压敏电阻。根据数据表：“压敏电阻与电压相关，是一种非线性器件，其电气行为类似于背靠背齐纳二极管。TYEE系列氧化锌压敏电阻是非线性电阻器，主要由氧化锌和多种金属氧化物添加剂组成。它们是双边对称的VI特性曲线和无与伦比的大峰值电流能力，用于吸收瞬态电压、抑制脉冲噪声和稳定电路电压。”

我们不确定该电路将用于何处。因此，我们必须使用上述压敏电阻来保护它免受各种继电器和电磁阀的开关浪涌。

F1 是一个普通的 500mA 保险丝，可以自然地保护电路免受任何可能导致大电流泄漏、爆炸甚至火灾的奇怪事件的影响。R4 是保护电路免受浪涌电流影响的 10D7 NTC。BR1为DB107G桥式整流器，C4、C5、L1构建低通Pi滤波器，尽可能降低噪声和纹波。

LNK304转换器

该电路的主要元件确实是IC1、LNK304 。根据数据表：“LinkSwitch-TN 专门设计用于替代低于 360 mA 输出电流范围内的所有线性和电容供电（电容降压器）非隔离电源，系统成本相同，同时提供更高的性能和能效。LinkSwitch-TN 器件在单片 IC 上集成了 700 V 功率 MOSFET、振荡器、简单的开/关控制方案、高压开关电流源、频率抖动、逐周期电流限制和热关断电路。

启动和工作功率直接来自漏极引脚上的电压，无需在降压或反激式转换器中使用偏置电源和相关电路。LNK304-306 中完全集成的自动重启电路可在短路或开环等故障条件下安全地限制输出功率，从而减少组件数量和系统级负载保护成本。IC 提供的本地电源允许使用非安全分级光耦合器作为电平转换器，以在需要时进一步提高降压和降压-升压转换器的线路和负载调节性能。”

R1 和 R2 定义了芯片的输出电压。根据数据表选择 C1、C2、C3、L2、D1 和 D2。R3 产生一个初步的轻负载以稳定输出电压。

输出滤波器和稳压器

R6 和 C6 创建一个低通 RC 滤波器以降低输出噪声和纹波。REG1 是 78M05 稳压器，用于构建稳定的 +5V 输出。+5V 电平是许多应用的标准（例如为 Arduino 板和附件供电），因此我决定使用 +5V 稳压器。如果您的负载需要 +3.3V 电压轨，只需在负载附近使用另一个稳压器（最好是 LDO 类型）。R6 之前的电压电平约为 9.5V，因此通过 150mA 的电流消耗，该滤波器会引入 1.5V 的压降，但是，8V 仍然是 REG1 可以在输出端处理稳定的 +5V 的可接受输入电压。

C7 是稳压器的输出稳压电容，D3 LED 指示输出端有适当的电压。R7 将电流限制为 D3，C8 有助于进一步消除高频噪声。

电源PCB布局

图 2 显示了设计的 PCB 布局。它是两层 PCB 板，大部分元件都是通孔的。

图 2：使用 LNK304 (Altium) 的无变压器电源的 PCB 布局

当我决定为这个项目设计原理图和 PCB 时，我意识到我的组件库存储中没有 BR1 、 IC1 和 REG1 的组件库。因此，像往常一样，我选择了 IPC 级 SamacSys 组件库，并使用免费的 SamacSys 工具和服务安装了缺少的库（原理图符号、PCB 封装、3D 模型）。导入库有两种方法：您可以访问componentsearchengine.com并手动下载并导入库，或者您可以使用SamacSys CAD插件并自动将库导入/安装到设计环境中。图 3 显示了所有支持的电子设计 CAD 软件. 很明显，所有著名的球员都得到支持。我使用 Altium Designer，所以我使用 SamacSys Altium 插件安装了缺少的库（图 4）。图 5 显示了 PCB 板和装配图的 3D 视图。

图 3：SamacSys 插件支持的所有电子设计 CAD 软件

图 4：SamacSys Altium 插件中的选定组件库

图 5：PCB 板的 3D 视图和两张组装图

电源组装和测试

图 6 显示了组装好的 PCB 板。输入连接器 (220V AC) 足够坚固，可为 220V 电​​源提供良好且稳定的连接。输出连接器为 2.5mm XH 公连接器。

图 6：组装好的无变压器电源 PCB 板

我使用 Silent SDL1020X-E 直流负载来测试输出的电流处理和电压稳定性。图 7 显示了实验的一部分。我将直流负载配置为 CC（恒定电流）并增加电流直到输出电压关闭。结果是电流限制阈值的点。为了测试连续电流处理，我将直流负载调整为 150mA 的连续电流并测试了大约一个小时。该实验在室温下处理连续电流点。您可能能够达到更高的电流，但是，您必须使用散热器或风扇来降低温度。

图 7：使用 Silent SDL1020X-E 测试电源输出的电流处理和电压稳定性

为了测试和检查输出噪声，我使用了 Silent SDS2102X Plus 示波器。这是一款带有 10 英寸触摸显示屏的可爱设备。我将直流负载置于 150mA 的电流上，并检查了峰值检测采集模式下的电源噪声和探头尖端的接地弹簧。图 8 显示了输出噪声。

图 8：使用 Silent SDS2102X Plus 示波器测试电源输出的噪声

电源的未来工作

我使用了一个 RC 滤波器（R6、C6）来降低噪音。您可以尝试使用 LC 滤波器，但是，请注意滤波器的截止频率、噪声频率和振荡。

您可以使用 LNK305 或 LNK306 芯片实现更高的输出电流。在使用LNK306芯片的情况下，输出电流可以达到350mA。因此，您必须降低 R6 值或使用具有上述考虑的 LC 滤波器。此外，在输出稳压器上安装一个小型散热器。

材料清单

图 9 显示了该项目的材料清单和零件编号。

图 9：使用 LNK304 的无变压器电源的物料清单

审核编辑：刘清