【产品】低成本多轨嵌入式AC-DC电源

时间： 2017-03-02 来源：Power Integrations

技术问答

过去十年间，业界提高小功率AC–DC电源效率的努力一直没有间断过。随着新的欧盟CoC V5 Tier 2和美国DoE6标准在2016年正式生效，这一趋势必将继续下去。新标准要求外部电源6W输出时的最低效率必须达到70%左右，并且空载功耗必须小于100mW。PI已经推出LinkSwitch产品系列的最新一代器件LinkSwitch-4，用以满足持续提高电源效率的市场需求。新一代器件采用了一些新颖的创新技术，可在降低离线式电源设计的成本的同时进一步提高效率。

LinkSwitch-4 IC性能先进，可满足移动、消费电子和医疗应用对高效率、高可靠性和低成本电源的要求。

LinkSwitch-4控制器采用自适应基极-发射极开关驱动技术，可提升开关性能并提高效率。这项高级开关技术特别有利于高压应用。在传统的仅由基极驱动的设计中由于其关断较慢，关断损耗很大，而LinkSwitch-4的开关技术可以降低此关断损耗，减小由于三极管二次击穿而引起的三极管故障。这样的控制方式可以大幅扩大三极管的反向偏置安全工作区域（RBSOA）并增强系统整体可靠性。请参见图1a和图1b。

图1a：与基极驱动方式相比，采用基极-发射极驱动方式的BJT的反向偏置安全工作区

图1b：基极-发射极驱动方式的BJT反向偏置安全工作区域

当MOSFET或双极结型晶体管（BJT）关断时，电流降为零，其上的电压升至供电电压。关断期间如果速度较慢其损耗会更大，因为晶体管在过渡区所耗用的时间更多。

通过控制外部双极晶体管的基极和发射极驱动，LinkSwitch-4 IC可大大缩短在交越区域耗用的时间，从而降低开关损耗和提高效率。自适应基极-发射极开关技术可在开关前消除少数载流子，并在关断期间使Vbe变负，从而防止三极管进入二次击穿及工作区间超出RBSOA而失效。在相同工作条件下，LinkSwitch-4器件可将外部BJT的RBSOA增大至与MOSFET几乎一样的大小，提高电源在标准工作和故障模式下的可靠性。

其他创新包括无需外部FET的快速有源启动，用以降低空载功耗（LNK4004D的空载功耗小于30mW）。在较宽的负载范围内效率均能保持较高水平，即使在10%负载下，LinkSwitch-4 IC仍可提供65–75%的效率。此外，还配备了基极驱动（SBD）能力加强引脚，该引脚提供双倍的基极电流（最大为80mA），用来驱动具有更低电流增益的型号更大的大功率BJT，但这并不会增加器件的内部功耗。

LinkSwitch-4控制器还适用于工业、医疗和消费电子产品的嵌入式电源，其高效率和高可靠性可提高电源的工作效率和减小MTBF。新的参考设计DER-479说明了该器件在某个工业应用中的使用情况。该参考设计介绍的是一款恒压、非隔离、初级侧调节的反激式电源，它提供4V、8V和12V三组输出，总效率超过75%。电路原理图参见图2。

图2：电路原理图

该电路基于LinkSwitch-4 LNK4004D进行设计，工作电压范围介于185–290VAC之间，但在使用高压（800V）外部BJT（如BUL216）的情况下，可以在满载下长期耐受440VAC的电压。输入级包括可熔电阻R9、桥式整流管BR1和滤波电容。滤波电容与L1一起组成一个π型滤波器，用以降低差模EMI。可以在输入端采用额外的EMI滤波（电容C6和电阻R26-R28，如果环境需要）。

LNK4004集成了一个带准谐振开关的多模式PWM/PFM控制器，可在较宽的可变负载范围内实现效率最大化。它同时控制开关峰值电流和开关频率，确保元件始终在非连续模式下工作。此外，效率的提升还有赖于采用对外部BJT开关Q1的自适应基极-发射极驱动，因为这样可以降低开关和驱动晶体管硬关断期间的功耗。在导通时间内，发射极通过发射极驱动（ED）引脚内部连接至GND。基极电流受到控制，以实现快速导通和关断。控制器在关断之前调控流入晶体管的基极电流，确保其未饱和并可快速关断。LNK4004D还具有一个可选补充基极驱动（SBD）引脚，对Q1提供额外的驱动，以便使用低成本的低增益BJT器件，或者可适用于要求更大基极电流的大功率应用。

Q1关断后，会因为变压器T1中的初级漏感而产生电压尖峰。如果不在初级侧放置一个电压箝位来保护Q1，这一瞬态电压会导致开关元件损坏。二极管D1、电阻R12和R13以及电容C14可执行此功能。

非隔离的稳定输出来自次级绕组，并由二极管D3、D4和D5以及电容C10、C12和C17进行整流和滤波。此外，还在整流二极管两端跨接了衰减网络，用以衰减由次级绕组的电抗所产生的振铃和电压尖峰。受控制的LNK4004由电容C8偏置供电，而C8通过Q1进行充电。输入电压上电时，电阻R10和R11为Q1的基极供应电流，随后Q1的基极开始导通，使电流流入LNK4004D和C8进行充电。当C8的电压达到Vrun（约12V）时，芯片立即进入初始化模式并开始启动。

恒压模式中的输出稳压调整是通过检测次级供电绕组电压或专用反馈绕组电压来实现的。提供给FB引脚的反馈电压用于设置和控制输出电压，输出电压的数值也与反馈分压电阻阻值及反馈绕组的圈数有关。

图3和图4举例说明了该方案尺寸小、元件数目少的特点。

图3：原型板顶视图

图4：原型板底视图

对于提出高效率、高可靠性、小尺寸和低成本要求的多种应用而言，Power Integrations的参考设计可用作设计小功率（最大15W）嵌入式电源的基础。图5为一个峰值功率为7W的参考设计的效率特性。

图5：参考设计DER-479的效率特性

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全部评论（2）

海锋 Lv9. 科学家 2018-01-30

真的很好
阿冰 Lv8. 研究员 2017-12-02

不错，收藏下

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