使用先进的开关IC实现高效、功能丰富的小功率AC/DC电源

来源：Digikey
作者：Bill Schweber

功率约为 10 W 或更低的小功率 AC/DC 电源广泛应用于家用调光器、开关、传感器、家用电器、物联网 (IoT) 和工业控制装置。这种电源的占空比相对较低，负载长时间处于待机模式，但当设备启动时，电源必须能够迅速被“唤醒”。

从概念上讲，设计这类电源是非常简单的：首先准备几个用于线路整流的二极管，然后添加一个控制器 IC，在输出端安装滤波电容器，如果需要隔离，再插入一个变压器即可完成设计。然而，尽管表面上看似简单，但实际上这些电源的制造过程却各不相同。

这些电源必须具备提供稳定 DC 输出轨的基本功能，并满足用户安全、负载效率和待机效率等多项严格的监管要求。此外，设计人员还必须考虑实际布局、支持组件、可靠性、性能评估、认证和封装等问题，同时还要尽量减小封装和成本，缩短产品上市周期。

本文介绍 Power Integrations 高度集成的离线开关式控制器 IC 系列，并说明如何利用其来应对这些挑战。

集成 MOSFET 和控制器 IC

Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列包含八个不同的离线开关式控制器 IC，是将 725 V 功率 MOSFET 开关和电源控制器集成在 SO-8C 封装单体器件。每个单片 IC 都具有出色的浪涌耐受能力、振荡器、用于自偏置的高压开关电流源、频率抖动、快速（逐周期）限流、滞后热关断以及输出和输入过压保护电路。

这些器件可构成非隔离式布局的核心，例如使用 LNK3306D-TL 的降压转换器设计（图 1），其输出电流为 225 mA 或 360 mA（具体取决于所选的导通模式）。这些器件还可配置为非隔离式“降压升压”电源，实现高达 575 mA 的输出电流。


图 1：这种使用 LinkSwitch 系列器件的典型非隔离式降压转换器设计只是通过这些器件实现的众多可能的拓扑结构之一。（图片来源：Power Integrations）

虽然采用双绝缘或以其他方式防止 AC 线路故障的负载不需要电隔离，但有些器件需要电隔离。在这种情况下，在通用输入隔离式反激设计中使用 LinkSwitch-TNZ 器件会是更好的选择。在该拓扑结构中，这些器件的输出功率最高可达 12 W。

LinkSwitch-TNZ 系列中的 IC 可根据拓扑结构提供不同的输出电流和功率（表 1）。


表 1：LinkSwitch-TNZ 系列可支持多种配置、拓扑结构和运行模式。每种布局都有不同的最大输出电流或功率限制。（图片来源：Power Integrations）

从概念到实施

LinkSwitch-TNZ 系列的高度集成特性和灵活性简化了设计工作。开发获得认证的、可上市的电源设计会面临诸多挑战，其中包括：

1、满足与效率和安全相关的严格的法规要求。由于既要能够在待机模式下提供电源，又要满足严格的待机效率规定，会使这些工作变得更加困难。LinkSwitch-TNZ IC 具有同类最佳的轻载效率，可为更多系统功能供电，同时满足包括以下各项在内的待机要求规定：
· 欧盟委员会 (EC) 家用电器标准 (1275)，要求设备在待机或停机模式下的功耗不超过 0.5 W
· 智能家居能源管理系统 (SHEMS) 能源之星 1.1，将智能照明控制器件的待机功耗限制在 0.5 W 以内
· 中国的 GB24849 规定，微波炉的非模式功耗不得超过 0.5 W

与分立设计相比，LinkSwitch-TNZ IC 在满足这些要求的同时，还能将元器件数量减少 40% 或更多。这些开关电源 IC 可实现线路和负载 ±3% 的调节，在具有外部偏置的情况下空载功耗小于 30 mW，且 IC 待机电流小于 100 µA。

2、能够安全地支持无中性线的两线制 AC 线路连接和三线制连接。许多负载（如调光器、开关和传感器）都没有第三根导线，因此存在过大和潜在危险的漏电流风险。该标准规定了不同情况下的最大漏电流，在双线无中性线设计中，LinkSwitch-TNZ 的漏电流低于 150 µA，低于上述最大值。
3、不超过电磁干扰 (EMI) 辐射限值。为实现这一目标，LinkSwitch-TNZ 振荡器采用了扩频技术，在标称 66 kHz 开关频率附近引入了少量的 4 kHz 频率抖动（图 2）。频率抖动的调制率设定为 1 kHz，以优化平均和准峰值辐射情况下的 EMI 降低效果。


图 2：为了将 EMI 辐射控制在法规限制范围内，LinkSwitch-TNZ 振荡器采用了扩频技术，在标称 66 kHz 开关频率附近扩频 4 kHz。（图片来源：Power Integrations）

4、检测 AC 线路过零点，只需极少的额外组件或功耗。使用继电器或三端双向可控硅元件周期性地连接和断开 AC 线路上的电灯开关、调光器、传感器和插头时都需要这种检测功能。

智能家居和楼宇自动化 (HBA) 产品及设备使用过零信号来控制开关动作，从而尽可能地降低开关所受的应力和系统浪涌电流。

同样，家用电器通常使用分立式过零检测电路来控制电机和微控制器单元 (MCU) 的定时功能。这些应用还需要为无线连接、栅极驱动器、传感器和显示器提供辅助电源。

为此，通常采用分立电路来检测 AC 线路的过零点，以控制一次率器件的导通过渡，同时降低开关损耗和浪涌电流。这种方法需要很多元器件，而且损耗很大，有时会消耗近一半的待机功率预算。

相反，LinkSwitch-TNZ IC 可提供精确的信号，来指示正弦 AC 线路的电压为零伏。LinkSwitch-TNZ 过零点检测所需的功耗低于 5 mW，因此与需要 10 个或更多分立元件并耗散 50 mW 至 100 mW 连续功耗的其他方法相比，可使系统减少待机功耗。

X 电容器

线路 EMI 滤波器包括 X 类和 Y 类电容器，可最大限度地减少 EMI/RFI 的产生。这些器件通过 AC 线路和 AC 中性线直接连接到 AC 电源输入端（图 3）。


图 3：EMI 滤波需要在 AC 线路上安装 X 类和 Y 类滤波电容器，但必须在线路断开后管理 X 类电容器，以确保用户安全。（图片来源：www.topdiode.com）

根据安全规定， EMC 滤波器中的 X 电容器应在 AC 线路断开时放电，以确保断电后线路上不会长时间保持存储的电压和电能。最大允许放电时间执行 IEC60950 和 IEC60065 等行业标准规定。

在 X 电容器上并联漏电电阻是确保必要时进行放电的传统方法。不过，这种方法会造成功率损失。更好的解决方案是加入具有用户可自行设定时间常数的 X 电容放电功能。LNK3312D-TL IC 就采用了这种方法。这会减少印制电路 (pc) 板的空间，减小材料清单 (BOM) 并提高可靠性。

电源和转换器需要多种保护功能。LinkSwitch-TNZ 系列 IC 中的所有器件都集成了以下功能：

· 软启动可限制启动时的系统组件应力
· 短路和开路故障后自动重启
· 输出过压保护
· 线条输入过压保护
· 滞后超温保护

从 IC 到完整的设计

一个 IC 无论多么优秀或功能多么齐全，都不及一个完整的、随时可用的 AC/DC 转换器，因为许多元气件不能或不应该集成到该器件中。这类元件包括散装的滤波电容器、旁路电容器、电感器、变压器和保护元件。非隔离通用输入、6 V、80 mA 恒压电源和基于 LNK3302D-TL 器件的过零检测器（图 4）显示了对外部元器件的需求。


图 4：所示为一款全面、安全的非隔离通用输入、6 V、80 mA 恒压电源所需的外部元气件，该电源带有过零检测器，基于 LNK3302D-TL IC。（图片来源：Power Integrations）

此外，还有与安全相关的最小尺寸，如爬电距离和间隙。这样一来，问题就转换为开发完整设计时需要克服的挑战。LinkSwitch-TNZ IC 系列简化了这项任务。例如，通过使用 66 kHz 开关频率，所需的磁性元件就可使用来自多个供应商的标准成品。此外，Power Integrations 还提供参考设计。

对于需要隔离电源的用户，可采用 RDK-877 参考设计（图 5），这是一款基于 LNK3306D-TL 的 6 W 隔离式反激电源，具有过零检测功能。


图 5：6 W RDK-877 参考设计基于 LNK3306D-TL，可在反激式拓扑中提供隔离。（图片来源：Power Integrations）

该电源的输入范围为 90 VAC 至 305 VAC，输出电压为 12 V，电流为 500 mA，在整个 AC 线路范围内的空载功耗小于 30 mW。待机模式下的功率超过 350 mW，而主动模式下效率符合 DOE6 和 EC CoC (v5) 要求，额定负载下满载效率高于 80%。该设计还符合 EN550022 和 CISPR-22 B 类传导 EMI 要求。

结束语

设计和实现低功耗 AC/DC 电源看似轻而易举。尽管如此，但是要达到性能和效率目标、安全和法规要求，以及成本、封装和上市时间的要求，这些现实因素都会让这项任务充满挑战。开关 IC 大大简化了任务，如 Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列组合控制器和 MOSFET。这些 IC 支持不同的功率水平，可与各种电源拓扑结构配合使用，同时集成了过零检测和 X 电容放电等基本功能。