【经验】让电源实现更高的效率及可靠性

LinkSwitch系列IC是专为输出功率通常在15W以下的应用设计的一系列离线式开关电源IC。其应用包括充电器、适配器、消费类音视频系统、小家电、医用监视器、电表以及轻工业应用。

为了满足移动、消费和医疗应用中外部电源和电池充电器的效率和可靠性不断提高以及制造成本不断降低的要求，Power Integrations开发出了LinkSwitch-4 IC产品系列。该系列器件具有多项新特性，可提升开关性能并提高效率。这些先进的开关技术特别有利于高压应用，因为它可以减小慢速关断的开关损耗（在传统的仅用基极驱动的双极结型晶体管（BJT）开关设计中比较常见），并消除由二次击穿导致的双极结型晶体管故障。由于具有非常高的集成度和能够使用低成本的外部双极结型晶体管开关元件，LinkSwitch-4 IC可大幅简化恒压（CV）和恒流（CC）电源的设计并降低其成本。

LinkSwitch-4是Power Integrations的最新一代LinkSwitch产品，基于可驱动外部低成本双极结型晶体管的双模式准谐振PWM/PFM开关控制器进行工作。新器件能够提高效率并降低制造成本，适用于要求符合美国能源部（DoE）和欧盟行为准则（CoC）最新的严格能效标准的应用。

LinkSwitch-4 IC采用自适应基极-发射极开关技术，可降低AC开关损耗，这有助于提高效率，同时还可扩大双极开关元件的反向偏置安全工作区域（RBSOA），这有助于增强整体可靠性。动态基极电流驱动技术还可以降低对外部BJT特征的敏感度，允许在设计中使用低成本的高压BJT。此外，LinkSwitch-4 IC还可省去光耦器和额外的次级恒压/恒流控制电路，同时维持非常高的输出调整精度（恒压精度3%，恒流精度2%）和快速的动态响应。LinkSwitch-4在230VAC下的典型效率约为80%且空载功耗小于30mW，因而适合许多应用中的待机电源。

图1所示为一款简化版通用输入充电器设计，可用来说明LinkSwitch-4的工作方式。

图1：典型应用电路

输入电压通过桥式整流管Dbridge进行整流，并通过Lfilt、Cin1和Cin2进行滤波。电阻RHT对Q1基极偏置供电，基极导通并开始对LinkSwitch供电和对Cvcc充电。当Cvcc达到约13V时，LinkSwitch IC立即进入初始化模式，并对Q1基极发出脉冲信号。然后进行内部检查，判断经整流的市电电压是否在要求范围内，以使能下一阶段的启动过程。如果电压过低，元件将不会发出更多的驱动脉冲，Cvcc将进行放电，元件进入睡眠模式，直到Cvcc再次充电完成，初始化过程再次开始为止。如果供电电压足够高，驱动脉冲将在基极驱动（BD）引脚输出，元件将进入运行模式，并通过变压器的电压供电绕组对自身供电。如果输入电压由于任何原因低于Vmainslow，LinkSwitch IC将返回睡眠模式，在输入电压恢复后重新初始化。

在恒压模式下，稳压通过检测反馈（FB）输入端的电压来实现，该输入端通过分压器网络（Rfb1和Rfb2）连接至电压供电（Vcc）绕组或专用反馈绕组，而该分压器网络用于设置输出电压。图2所示为电压反馈(FB)、电流检测（CS）引脚、基极驱动（BD）和发射极驱动（ED）引脚的典型波形。在时间Tsamp下持续对反馈波形进行采样和分析，以测量反射电压并为欠压检测电路和恒压控制环路提供相应信息。Tsamp由反馈电压的斜率确定，对应变压器中的零磁通的时刻。Vout可根据下面的公式（不考虑输出二极管电压降）计算得出：

在恒流模式下，输出电流的调整利用电流取样电阻两端的电压跟踪CS引脚电压来实现，该电流是输出电流（调整Rcs值可对输出电流进行调整）的估计值。该电压是负值，当它超过由恒流控制环路设置的内部阈值时，基极驱动引脚电压下降，将Q1关断。开关频率的变化范围介于空载下的Fmin和峰值电流下的Fmax之间。Rcs值可由下面的公式计算得出：

LinkSwitch-4器件还可以对输出电缆中的电压降进行补偿。补偿值Gcab可由下面的公式计算得出，其中Rcab是输出电流电阻：

LinkSwitch-4 IC通过同时确定初级开关峰值电流和开关频率来控制输出功率，确保始终处于非连续工作模式。如果我们分析下面图2中的开关波形，可以看到在开通期间，发射极通过ED引脚开关至GND，基极电流IBD经过调制可实现快速开通、低通态压降和快速关断特性。在基极驱动（BD）脉冲开始时，在时间ton内会施加一个固定的峰值电流值以提供快速开通。然后，其幅值和持续时间经过调制可提供低导通电压Von，同时允许晶体管退饱和至开通期间结束，以便它快速关断，从而降低开关损耗。新器件采用了准谐振开关，其中的Q1在电压降至最小值时开关，进一步降低损耗并有助于控制EMI干扰。发射极开关还可以确保开关元件快速关断，减少在关断期间所耗的时间（见图3），从而降低功耗和改善反向偏置安全工作区域（RBSOA）。占空比与变压器的初次级匝数比成函数关系，在整流市电电压的最小值下通常选作50%。

图2：FB、CS、BD及ED引脚的典型波形

图3：基极-发射极开关对Q1的功耗的影响

当外部开关元件Q1关断时，电流降至零，其电压升高至输入供电电压。功耗是器件的电压与其电流的乘积。通过采用基极和发射极开关的组合，LinkSwitch-4控制器可以扩大BJT开关元件的RBSOA，使其接近高压MOSFET（见图4a及4b）。这不仅可增强设计的可靠性，还能将低成本的高压BJT用作开关元件。

图4a：反向偏置安全工作区域基极开关的外部BJT

图4b：基极-发射极开关的外部BJT的反向偏置安全工作区域

Power Integrations已发布一份恒压/恒流5V/2A USB充电器参考设计。它介绍了如何设计一款低成本、恒压/恒流、反激式开关电源，并且还提供了电路原理图、物料清单、双层PCB布局图、变压器计算和结构信息、性能以及EMI测量。

完整电路图如下面图5所示。设计还添加了额外的元件，以提高输入EMI性能（R14及L2）。RCD箝位电路（R3、R12、D1及C3）用于限制变压器初级侧的电压尖峰。跨接输出整流二极管的缓冲电路（R10及C6）可降低Vout线路上的噪声、振铃和辐射EMI。不过，基本电路设计在本质上与图1中所示的电路相同。

图5: 参考设计电路图

该设计已经过严格的性能测试，确保在整个输入电压范围内的满载条件下能够正常工作，从而确保效率始终超过80%，如图6所示。这种宽输入工作电压范围非常适合必须在全球任何地区工作的电源。此外，还对主要元件的温度进行了测量，以便了解关键有源元件的温升情况。在230VAC输入、2A负载和25.7°C环境温度下，元件温度如下：

1) LinkSwitch-4：70.8°C

2) BJT：74.8°C

3) 输入桥式整流管：44.6°C 

所有这些主要元件均处于各自的的工作温度范围内，设计合理的1盎司铜箔PCB板足以正常散热。

图6：室温下满载效率随输入电压范围的变化，230VAC、50Hz输入

输出电压纹波性能如图7所示。纹波随着输出电流的增大而升高，但即使在全功率下仍可处于2%的范围之内。

图7：输出纹波随输出功率的变化，90 – 265VAC输入范围

图8中的曲线图表示一个典型输出悬浮时使用2A电阻性负载测量的传导EMI性能。关于不同应用的传导EMI及辐射EMI的完整曲线图，请参阅Power Integrations网站上发布的参考设计。

图8：传导EMI的测量结果