使用先進(jìn)的開關(guān) IC 實(shí)現(xiàn)高效、功能豐富的小功率 AC/DC 電源

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-13

功率約為 10 W 或更低的小功率 AC/DC 電源廣泛應(yīng)用于家用調(diào)光器、開關(guān)、傳感器、家用電器、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)控制裝置。這種電源的占空比相對較低，負(fù)載長時(shí)間處于待機(jī)模式，但當(dāng)設(shè)備啟動時(shí)，電源必須能夠迅速被“喚醒”。

從概念上講，設(shè)計(jì)這類電源是非常簡單的：首先準(zhǔn)備幾個用于線路整流的二極管，然后添加一個控制器 IC，在輸出端安裝濾波電容器，如果需要隔離，再插入一個變壓器即可完成設(shè)計(jì)。然而，盡管表面上看似簡單，但實(shí)際上這些電源的制造過程卻各不相同。

這些電源必須具備提供穩(wěn)定 DC 輸出軌的基本功能，并滿足用戶安全、負(fù)載效率和待機(jī)效率等多項(xiàng)嚴(yán)格的監(jiān)管要求。此外，設(shè)計(jì)人員還必須考慮實(shí)際布局、支持組件、可靠性、性能評估、認(rèn)證和封裝等問題，同時(shí)還要盡量減小封裝和成本，縮短產(chǎn)品上市周期。

本文介紹 [Power Integrations] 高度集成的離線開關(guān)式控制器 IC 系列，并說明如何利用其來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

集成 MOSFET 和控制器 IC

Power Integrations 的 [LinkSwitch-TNZ]系列包含八個不同的離線開關(guān)式控制器 IC，是將 725 V 功率 MOSFET 開關(guān)和電源控制器集成在 SO-8C 封裝單體器件。每個單片 IC 都具有出色的浪涌耐受能力、振蕩器、用于自偏置的高壓開關(guān)電流源、頻率抖動、快速（逐周期）限流、滯后熱關(guān)斷以及輸出和輸入過壓保護(hù)電路。

這些器件可構(gòu)成非隔離式布局的核心，例如使用 [LNK3306D-TL]的降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)（圖 1），其輸出電流為 225 mA 或 360 mA（具體取決于所選的導(dǎo)通模式）。這些器件還可配置為非隔離式“降壓升壓”電源，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 575 mA 的輸出電流。

圖 1：這種使用 LinkSwitch 系列器件的典型非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)只是通過這些器件實(shí)現(xiàn)的眾多可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。（圖片來源：Power Integrations）

雖然采用雙絕緣或以其他方式防止 AC 線路故障的負(fù)載不需要電隔離，但有些器件需要電隔離。在這種情況下，在通用輸入隔離式反激設(shè)計(jì)中使用 LinkSwitch-TNZ 器件會是更好的選擇。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，這些器件的輸出功率最高可達(dá) 12 W。

LinkSwitch-TNZ 系列中的 IC 可根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供不同的輸出電流和功率（表 1）。

表 1：LinkSwitch-TNZ 系列可支持多種配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式。每種布局都有不同的最大輸出電流或功率限制。（圖片來源：Power Integrations）

從概念到實(shí)施

LinkSwitch-TNZ 系列的高度集成特性和靈活性簡化了設(shè)計(jì)工作。開發(fā)獲得認(rèn)證的、可上市的電源設(shè)計(jì)會面臨諸多挑戰(zhàn)，其中包括：

1. 滿足與效率和安全相關(guān)的嚴(yán)格的法規(guī)要求。由于既要能夠在待機(jī)模式下提供電源，又要滿足嚴(yán)格的待機(jī)效率規(guī)定，會使這些工作變得更加困難。LinkSwitch-TNZ IC 具有同類最佳的輕載效率，可為更多系統(tǒng)功能供電，同時(shí)滿足包括以下各項(xiàng)在內(nèi)的待機(jī)要求規(guī)定：
   • 歐盟委員會 (EC) 家用電器標(biāo)準(zhǔn) (1275)，要求設(shè)備在待機(jī)或停機(jī)模式下的功耗不超過 0.5 W
   • 智能家居能源管理系統(tǒng) (SHEMS) 能源之星 1.1，將智能照明控制器件的待機(jī)功耗限制在 0.5 W 以內(nèi)
   • 中國的 GB24849 規(guī)定，微波爐的非模式功耗不得超過 0.5 W

與分立設(shè)計(jì)相比，LinkSwitch-TNZ IC 在滿足這些要求的同時(shí)，還能將元器件數(shù)量減少 40% 或更多。這些開關(guān)電源 IC 可實(shí)現(xiàn)線路和負(fù)載 ±3% 的調(diào)節(jié)，在具有外部偏置的情況下空載功耗小于 30 mW，且 IC 待機(jī)電流小于 100 μA。

2. 能夠安全地支持無中性線的兩線制 AC 線路連接和三線制連接。許多負(fù)載（如調(diào)光器、開關(guān)和傳感器）都沒有第三根導(dǎo)線，因此存在過大和潛在危險(xiǎn)的漏電流風(fēng)險(xiǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同情況下的最大漏電流，在雙線無中性線設(shè)計(jì)中，LinkSwitch-TNZ 的漏電流低于 150 μA，低于上述最大值。
3. 不超過電磁干擾 (EMI) 輻射限值。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，LinkSwitch-TNZ 振蕩器采用了擴(kuò)頻技術(shù)，在標(biāo)稱 66 kHz 開關(guān)頻率附近引入了少量的 4 kHz 頻率抖動（圖 2）。頻率抖動的調(diào)制率設(shè)定為 1 kHz，以優(yōu)化平均和準(zhǔn)峰值輻射情況下的 EMI 降低效果。

圖 2：為了將 EMI 輻射控制在法規(guī)限制范圍內(nèi)，LinkSwitch-TNZ 振蕩器采用了擴(kuò)頻技術(shù)，在標(biāo)稱 66 kHz 開關(guān)頻率附近擴(kuò)頻 4 kHz。（圖片來源：Power Integrations）

4. 檢測 AC 線路過零點(diǎn)，只需極少的額外組件或功耗。使用繼電器或三端雙向可控硅元件周期性地連接和斷開 AC 線路上的電燈開關(guān)、調(diào)光器、傳感器和插頭時(shí)都需要這種檢測功能。

智能家居和樓宇自動化 (HBA) 產(chǎn)品及設(shè)備使用過零信號來控制開關(guān)動作，從而盡可能地降低開關(guān)所受的應(yīng)力和系統(tǒng)浪涌電流。

同樣，家用電器通常使用分立式過零檢測電路來控制電機(jī)和微控制器單元 (MCU) 的定時(shí)功能。這些應(yīng)用還需要為無線連接、柵極驅(qū)動器、傳感器和顯示器提供輔助電源。

為此，通常采用分立電路來檢測 AC 線路的過零點(diǎn)，以控制一次率器件的導(dǎo)通過渡，同時(shí)降低開關(guān)損耗和浪涌電流。這種方法需要很多元器件，而且損耗很大，有時(shí)會消耗近一半的待機(jī)功率預(yù)算。

相反，LinkSwitch-TNZ IC 可提供精確的信號，來指示正弦 AC 線路的電壓為零伏。LinkSwitch-TNZ 過零點(diǎn)檢測所需的功耗低于 5 mW，因此與需要 10 個或更多分立元件并耗散 50 mW 至 100 mW 連續(xù)功耗的其他方法相比，可使系統(tǒng)減少待機(jī)功耗。

X 電容器

線路 EMI 濾波器包括 X 類和 Y 類電容器，可最大限度地減少 EMI/RFI 的產(chǎn)生。這些器件通過 AC 線路和 AC 中性線直接連接到 AC 電源輸入端（圖 3）。

圖 3：EMI 濾波需要在 AC 線路上安裝 X 類和 Y 類濾波電容器，但必須在線路斷開后管理 X 類電容器，以確保用戶安全。（圖片來源：www.topdiode.com）

根據(jù)安全規(guī)定， EMC 濾波器中的 X 電容器應(yīng)在 AC 線路斷開時(shí)放電，以確保斷電后線路上不會長時(shí)間保持存儲的電壓和電能。最大允許放電時(shí)間執(zhí)行 IEC60950 和 IEC60065 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

在 X 電容器上并聯(lián)漏電電阻是確保必要時(shí)進(jìn)行放電的傳統(tǒng)方法。不過，這種方法會造成功率損失。更好的解決方案是加入具有用戶可自行設(shè)定時(shí)間常數(shù)的 X 電容放電功能。[LNK3312D-TL] IC 就采用了這種方法。這會減少印制電路 (pc) 板的空間，減小材料清單 (BOM) 并提高可靠性。

電源和轉(zhuǎn)換器需要多種保護(hù)功能。LinkSwitch-TNZ 系列 IC 中的所有器件都集成了以下功能：

• 軟啟動可限制啟動時(shí)的系統(tǒng)組件應(yīng)力
• 短路和開路故障后自動重啟
• 輸出過壓保護(hù)
• 線條輸入過壓保護(hù)
• 滯后超溫保護(hù)

從 IC 到完整的設(shè)計(jì)

一個 IC 無論多么優(yōu)秀或功能多么齊全，都不及一個完整的、隨時(shí)可用的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樵S多元?dú)饧荒芑虿粦?yīng)該集成到該器件中。這類元件包括散裝的濾波電容器、旁路電容器、電感器、變壓器和保護(hù)元件。非隔離通用輸入、6 V、80 mA 恒壓電源和基于 [LNK3302D-TL] 器件的過零檢測器（圖 4）顯示了對外部元器件的需求。

圖 4：所示為一款全面、安全的非隔離通用輸入、6 V、80 mA 恒壓電源所需的外部元?dú)饧?，該電源帶有過零檢測器，基于 LNK3302D-TL IC。（圖片來源：Power Integrations）

此外，還有與安全相關(guān)的最小尺寸，如爬電距離和間隙。這樣一來，問題就轉(zhuǎn)換為開發(fā)完整設(shè)計(jì)時(shí)需要克服的挑戰(zhàn)。LinkSwitch-TNZ IC 系列簡化了這項(xiàng)任務(wù)。例如，通過使用 66 kHz 開關(guān)頻率，所需的磁性元件就可使用來自多個供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)成品。此外，Power Integrations 還提供參考設(shè)計(jì)。

對于需要隔離電源的用戶，可采用 [RDK-877]參考設(shè)計(jì)（圖 5），這是一款基于 LNK3306D-TL 的 6 W 隔離式反激電源，具有過零檢測功能。

圖 5：6 W RDK-877 參考設(shè)計(jì)基于 LNK3306D-TL，可在反激式拓?fù)渲刑峁└綦x。（圖片來源：Power Integrations）

該電源的輸入范圍為 90 VAC 至 305 V AC ，輸出電壓為 12 V，電流為 500 mA，在整個 AC 線路范圍內(nèi)的空載功耗小于 30 mW。待機(jī)模式下的功率超過 350 mW，而主動模式下效率符合 DOE6 和 EC CoC (v5) 要求，額定負(fù)載下滿載效率高于 80%。該設(shè)計(jì)還符合 EN550022 和 CISPR-22 B 類傳導(dǎo) EMI 要求。

結(jié)束語

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)低功耗 AC/DC 電源看似輕而易舉。盡管如此，但是要達(dá)到性能和效率目標(biāo)、安全和法規(guī)要求，以及成本、封裝和上市時(shí)間的要求，這些現(xiàn)實(shí)因素都會讓這項(xiàng)任務(wù)充滿挑戰(zhàn)。開關(guān) IC 大大簡化了任務(wù)，如 Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列組合控制器和 MOSFET。這些 IC 支持不同的功率水平，可與各種電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配合使用，同時(shí)集成了過零檢測和 X 電容放電等基本功能。

審核編輯 黃宇