使用無損耗過零點檢測功能提高智能家居應用中的AC輸入開關效率

作者：Adnaan Lokhandwala

Power Integrations產(chǎn)品營銷經(jīng)理

在越來越多的應用中，對導通和關斷AC輸入電源的器件的性能進行優(yōu)化是一個重要考慮因素，這些應用包括智能家居/智能建筑（HBA）、支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的家電、智能開關和插頭、調(diào)光器和人體感應傳感器，特別適用于采用繼電器或可控硅進行功率控制的設計。當AC電源異步導通或關斷而不考慮其所處的電壓時，效率和可靠性會受到不利影響，必須添加電路以保護開關免受高瞬態(tài)電流的影響。

當AC電源異步導通時，浪涌電流可能超過100A。反復暴露于高浪涌電流會對繼電器和可控硅的可靠性和使用壽命產(chǎn)生負面影響。電觸點的預期壽命因浪涌電流需求而縮短，通常限于10萬次操作，盡管機械壽命可能是100萬次、1000萬次，甚至1億次?？紤]到可控硅，當控制呈現(xiàn)低初始阻抗的負載時，也可能發(fā)生漸進式柵極退化。在這兩種情況下，最大限度地減少或消除浪涌電流有助于延長預期壽命和提高可靠性。

對于繼電器，如果在輸入電壓正弦波處于周期的高點時斷開（關斷）器件，則觸點上會產(chǎn)生電弧，從而腐蝕觸點表面。使用半導體線路開關，可以通過在AC過零點設置關斷來降低開關損耗。這也將通過消除電弧來降低器件應力，并且無需浪涌限制電路。

可以采用分立電路來檢測交流輸入的過零點，以控制主功率器件的接入和斷開切換，從而降低開關損耗和浪涌電流。這種方法效率更高，但需要額外的元件，占用寶貴的電路板空間，而且仍有損耗，在某些情況下幾乎會消耗一半的待機功率預算。

最佳過零點檢測方案

為了解決上述難題，Power Integrations的LinkSwitch-TNZ離線式開關IC將725V功率MOSFET開關、電源控制器和無損耗過零點檢測器（ZCD）集成到了同一個封裝內(nèi)。使用LinkSwitch-TNZ產(chǎn)品系列可設計出具有高效率、低待機功耗、最少元件數(shù)和AC過零點檢測功能的AC/DC電源。

LinkSwitch-TNZ IC的ZCD產(chǎn)生一個輸出信號，然后發(fā)送到微控制器并控制功率開關繼電器或可控硅，確保器件每次都能在過零點導通和關斷。ZCD信號邏輯跟隨AC輸入，信號每半個周期在過零點切換一次（見圖1）。LinkSwitch-TNZ器件的功耗低于5mW，符合零功耗標準。與典型的分立式ZCD方案中50至90mW的功耗相比，這非常具有優(yōu)勢。

圖1：ZCD信號邏輯跟隨AC輸入，信號每半個周期在零電壓切換一次

LinkSwitch-TNZ降壓或反激式變換器的開關頻率為66kHz，有助于縮減電感和輸出電容的尺寸和成本，并允許在降壓方案中使用市售現(xiàn)成的低成本電感。頻率調(diào)制技術可降低電磁干擾，從而簡化濾波電路。該器件具有完善的安全保護特性，可在出現(xiàn)輸入和輸出過壓故障、器件過溫故障、電壓失調(diào)以及電源輸出過載或短路故障時保護器件及整個系統(tǒng)。

LinkSwitch-TNZ IC可將待機功耗降低60%，待機模式下消耗的電流不到100μA，從而使電源設計輕松符合全球性的空載和待機功耗標準。使用這種高度集成的器件系列，元件數(shù)量可以減少40%以上，具有比分立方案更大的適用性。

該器件系列支持反激、降壓和降壓-升壓拓撲結構，并且包括具有和不具有集成X電容放電功能的器件。在大型系統(tǒng)中用作輔助電源時，X電容放電功能可消除永久接入的泄放電阻，進一步降低待機功耗。LinkSwitch-TNZ器件適用于所有常見的拓撲結構，無論是否采用基于光耦的反饋。

非隔離降壓式變換器

圖2所示為非隔離降壓式變換器中LinkSwitch-TNZ器件的典型輸出電流，器件在默認電流點及散熱充分的條件下工作，輸出電流范圍為63mA至575mA。工作模式主要為非連續(xù)導通模式（MDCM）和連續(xù)導通模式（CCM）。

在MDCM和CCM工作模式之間進行選擇

在MDCM和CCM工作模式之間進行選擇時，設計者應該選擇LinkSwitch-TNZ器件、續(xù)流二極管和輸出電感，以實現(xiàn)最低的整體解決方案成本，同時提供足夠的功率。通常，MDCM可提供成本最低、效率最高的變換器。所有CCM設計都需要使用更大的電感和超快速（最大值為tRR 35ns）續(xù)流二極管。

隔離反激式變換器

在反激式設計中，可以提供超過80%的高效功率變換。此外，使用開/關控制可實現(xiàn)極低的輕載功耗，可以使更多的功能（例如顯示器、無線連接、傳感器等）在系統(tǒng)待機時處于激活狀態(tài)。

用于啟動項目的評估板

為幫助設計者加速項目，Power Integrations為LinkSwitch-TNZ IC產(chǎn)品系列提供了一系列評估板，包括0.5W和2.5W非隔離降壓式變換器以及6W和10W隔離反激式設計。所有這些都包括無損耗ZCD功能，10W反激式評估板還包括X電容放電功能?？捎迷u估板的實例包括：

· 0.5W的DER-874 – 非隔離降壓變換器，具有6V/80mA輸出；《200μA的待機輸入電流；《20mW的空載輸入功率

· 2.5W的RDK-866 – 非隔離降壓式變換器，具有5V/500mA輸出；音頻噪聲極低（《10dB）；《50mW的空載輸入功率

· 6W的RDK-877 – 隔離反激式變換器，具有12V/0.5A輸出；《30mW的空載輸入功率；帶載效率符合DoE6和歐盟CoC v5標準

· 10W的DER-879 – 隔離反激式變換器，具有12V/0.75A和5V/0.2A輸出；《30mW空載輸入功率；符合所有現(xiàn)有和擬議的能效標準，包括ErP；具有X電容放電功能

這些低元件數(shù)的評估板都支持90V至305V的交流輸入電壓范圍，并且符合EN55022和CISPR-22 Class B傳導EMI限制。

總結

在越來越多的應用中，對AC主電源的高效導通和關斷是一個重要考慮因素，特別是采用繼電器或可控硅進行功率控制的設計。反復暴露于由不同步開關造成的高應力下，會對繼電器和可控硅的可靠性和使用壽命產(chǎn)生負面影響。在這兩種情況下，AC輸入過零點檢測可用于控制主功率器件的接入和關斷切換，以降低工作壓力并有助于延長預期壽命和提高可靠性。

設計者可以選用Power Integrations的LinkSwitch-TNZ，以提高可靠性，并在具有集成無損耗AC過零點檢測和X電容放電功能的應用中將待機功耗降低60%。使用LinkSwitch-TNZ產(chǎn)品系列可設計出具有出色的輕載效率、低待機功耗、最少元件數(shù)和AC過零點檢測功能的0.5W至18W AC/DC電源。

編輯：jq