0    引言

    恒壓／恒流（CV／CC）式開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)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" title="LinkSwitch">LinkSwitch系列" title="系列">系列（包含LNK500,、LNK501）高效率恒壓／恒流式" title="流式">流式三端單片" title="單片">單片開關(guān)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(wěn)壓電源而研制的高集成度,、低成本,、高壓功率轉(zhuǎn)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(guān)電源,。由LinkSwitch構(gòu)成的恒壓／恒流式開關(guān)電源，價格堪與線性電源相媲美,。它比傳統(tǒng)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(guān)電源可在恒壓,、恒流兩種工作模式下自動轉(zhuǎn)換,，比用TOPSwitch－Ⅱ構(gòu)成的恒壓／恒流式特種開關(guān)電源大約可節(jié)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(guān)電源的體積,。

    LinkSwitch系列單片開關(guān)電源可替代線性電源,，廣泛用于各種個人電子設(shè)備（手機,、無繩電話、掌上電腦,、數(shù)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(yīng)用" title="應(yīng)用">應(yīng)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(guān)電源的性能特點

    1）LinkSwitch系列產(chǎn)品采用PI公司的EcoSmart^R技術(shù)，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(gòu)成具有恒壓／恒流（CV/CC）輸出特性的特種開關(guān)電源。用做電源適配器時,，LinkSwitch工作在恒壓區(qū),，可為負載提供穩(wěn)定的電壓，此時恒流區(qū)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(qū)，充電完畢自動轉(zhuǎn)入恒壓區(qū),；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(wěn)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(shè)計在不連續(xù)模式下工作,。利用光耦反饋技術(shù)可提高恒壓輸出的精度和穩(wěn)定度，而利用外部穩(wěn)壓管進行二次穩(wěn)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(nèi)部供電和回路補償?shù)入娐罚瑯O大地簡化了外圍電路的設(shè)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(yīng)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(tài)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(guān)電源的典型應(yīng)用

    由LNK501構(gòu)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(shù)指標如下：恒壓區(qū)的額定輸出電壓U_o=＋5.5V,，恒流區(qū)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(gòu)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(fā)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(gòu)成π型濾波器,。LNK501的開關(guān)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(lián)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(chǎn)生的尖峰電壓,。初級繞組的感應(yīng)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(guān)系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n為初級與次級的匝數(shù)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(zhuǎn)換成反饋電流（即控制端電流I_C）,，進而去調(diào)節(jié)LNK501的輸出占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的,。利用R2可降低開關(guān)噪聲,。根據(jù)實際需要還可在初、次級返回端之間并聯(lián)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(qū)域內(nèi),，輸出電壓受占空比控制。當I_C>2mA時,，進入恒壓區(qū),，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(fā)生短路故障而導致輸出功率繼續(xù)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(guān)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(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性

3    電路設(shè)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(xù)輸出功率（P_OM）分別為3W,、4W,。為達到最大連續(xù)輸出功率，設(shè)計電路時應(yīng)注意以下事項,。

    1）設(shè)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(shù)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(shù)來選取。

    2）LinkSwitch是專門設(shè)計在不連續(xù)模式下工作的,，此時初級繞組感應(yīng)電壓U_OR的范圍是40～60V,。若設(shè)計成連續(xù)模式，會導致環(huán)路工作不穩(wěn)定,。

    3）次級整流管應(yīng)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(fā)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(jié)構(gòu)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(shù)有關(guān),，這會造成實際的P_OM值與設(shè)計值不相等,。

3.2    高頻變壓器

    在非連續(xù)模式下,，當功率MOSFET關(guān)斷時，已存儲在高頻變壓器中的能量就轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù),，它代表初級極限電流的平方與開關(guān)頻率的乘積,，其典型值為I²_LIMITf=(254mA)2×42kHz=2710A²Hz。

    P_M所對應(yīng)的控制端電流用I_DCT來表示,，I_DCT可用來設(shè)定LinkSwitch電源的最大輸出功率點P_OM,。

    當開關(guān)電源從恒流區(qū)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(shù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計前應(yīng)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(wěn)壓管進行二次穩(wěn)壓,，那么整個負載范圍內(nèi)的輸出電壓變化量可降低到±5％,。

3.4    關(guān)鍵元器件的選擇

    下面以圖1為例，介紹選擇外圍關(guān)鍵元器件的原則,。

    1）鉗位二極管VD₁應(yīng)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(shè)計電池充電器時，C₃應(yīng)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(shè)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(qū)，虛線箭頭分別表示恒壓區(qū)及恒流區(qū)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(tài)干擾，應(yīng)將安全電容并聯(lián)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(fā)，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(jié)語

    LinkSwitch系列恒壓／恒流式三端單片開關(guān)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(shè)計，為實現(xiàn)小功率CV／CC式開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了有利條件,。