LinkSwitch系列恒壓/恒流式單片開關(guān)電源的應(yīng)用

0 引言

恒壓／恒流（CV／CC）式開關(guān)電源是最常用的一種特種電源。2002年9月，PI公司率先推出了LinkSwitch系列（包含LNK500、LNK501）高效率恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源芯片，它是世界上第一個(gè)專門為取代4W以下小功率線性穩(wěn)壓電源而研制的高集成度、低成本、高壓功率轉(zhuǎn)換芯片。2004年3月，該公司又研制出LNK520型恒壓或恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源。由LinkSwitch構(gòu)成的恒壓／恒流式開關(guān)電源，價(jià)格堪與線性電源相媲美。它比傳統(tǒng)的線性電源體積小，重量輕，特別適合于低成本電池充電器。這種開關(guān)電源可在恒壓、恒流兩種工作模式下自動(dòng)轉(zhuǎn)換，比用TOPSwitch－Ⅱ構(gòu)成的恒壓／恒流式特種開關(guān)電源大約可節(jié)省20個(gè)元器件。當(dāng)額定輸出功率為3W時(shí)，LinkSwitch允許采用EE13型磁芯，以進(jìn)一步減小開關(guān)電源的體積。

LinkSwitch系列單片開關(guān)電源可替代線性電源，廣泛用于各種個(gè)人電子設(shè)備（手機(jī)、無繩電話、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、電動(dòng)剃須刀等）的電池充電器或電源適配器，也可以應(yīng)用在電視機(jī)等家用電器的待機(jī)電源及各種輔助電源中。

1 LinkSwitch系列單片開關(guān)電源的性能特點(diǎn)

1）LinkSwitch系列產(chǎn)品采用PI公司的EcoSmart^R技術(shù)，將700V功率MOSFET、PWM控制器、高壓啟動(dòng)、電流限制和過熱保護(hù)等電路集成在一個(gè)芯片中。該芯片只有3個(gè)引腳，對LNK500、LNK501而言，僅須配14個(gè)外圍元器件，即可構(gòu)成具有恒壓／恒流（CV/CC）輸出特性的特種開關(guān)電源。用做電源適配器時(shí)，LinkSwitch工作在恒壓區(qū)，可為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，此時(shí)恒流區(qū)用來提供過載保護(hù)及短路時(shí)的自動(dòng)重啟動(dòng)保護(hù)。做電池充電器時(shí)，LinkSwitch工作在恒流區(qū)，充電完畢自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓區(qū)；若在充電過程中因負(fù)載短路而使輸出電壓降至2V以下，則進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段。與線性穩(wěn)壓電源相比，其功耗可降低70％。

2）LNK500、LNK501在寬范圍輸入（交流85～265V）時(shí)的最大輸出功率為3W，交流230V固定輸入時(shí)的最大輸出功率為4W。通常將LinkSwitch設(shè)計(jì)在不連續(xù)模式下工作。利用光耦反饋技術(shù)可提高恒壓輸出的精度和穩(wěn)定度，而利用外部穩(wěn)壓管進(jìn)行二次穩(wěn)壓能改善恒流特性。

3）該器件采用新穎的初級恒壓、恒流控制方案，包括初級鉗位、反饋、內(nèi)部供電和回路補(bǔ)償?shù)入娐罚瑯O大地簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。LNK500／501不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路，完全由初級感應(yīng)電壓UOR來控制恒壓／恒流輸出。

4）具有完善的保護(hù)功能，包括過熱保護(hù)，過電流保護(hù)，輸出短路情況下的過載保護(hù)，開路故障保護(hù)和軟啟動(dòng)功能。

5）功率MOSFET的漏極擊穿電壓為700V，極限電流固定為254mA，漏－源通態(tài)電阻為28Ω（典型值），最大占空比為77％。自動(dòng)重啟動(dòng)頻率為300Hz。過熱保護(hù)溫度為＋135℃，當(dāng)溫度降至＋70℃時(shí)芯片才恢復(fù)正常工作。

2 LinkSwitch系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用

由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的電路如圖1所示。該電池充電器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：恒壓區(qū)的額定輸出電壓U_o=＋5.5V，恒流區(qū)的輸出電流I_OM=500mA，最大輸出功率P_OM=2.75W；當(dāng)交流輸入電壓u=85～265V時(shí)，電源效率η≥72％；當(dāng)交流輸入電壓u=230V或115V時(shí)，空載功耗分別為260mW或200mW。

圖1 由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的電路

RF（Fusible Resistor）采用10Ω、1W的熔斷電阻器，當(dāng)輸入端發(fā)生短路故障時(shí)能起到過流保護(hù)作用。BR為1A、600V的整流橋，亦可用4只1N4005型硅整流管來代替。C₁、L和C₂構(gòu)成π型濾波器。LNK501的開關(guān)頻率為42kHz，允許使用簡單的EMI濾波器濾除電磁干擾，而且一般不需要初級返回端與次級返回端之間并聯(lián)一只安全電容（亦稱Y電容）。

由1A、600V的硅二極管VD₁（1N4937）和0.1μF電容器C₄組成鉗位保護(hù)電路，用來吸收由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓。初級繞組的感應(yīng)電壓值（U_OR）亦稱次級反射電壓，它與輸出電壓U_O之間存在下述關(guān)系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n為初級與次級的匝數(shù)比，U_F1為次級整流管的壓降）。這表明U_OR能反映輸出電壓的高低。因此，利用取樣電容C₄所獲得的反饋電壓同樣能反映出UO的變化情況。電阻R₁的作用就是將C₄上的反饋電壓轉(zhuǎn)換成反饋電流（即控制端電流I_C），進(jìn)而去調(diào)節(jié)LNK501的輸出占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。利用R2可降低開關(guān)噪聲。根據(jù)實(shí)際需要還可在初、次級返回端之間并聯(lián)一只1000～2200pF、耐壓值為1.5kV的安全電容C₆，進(jìn)一步抑制電磁干擾，具體接線方法如圖1中虛線所示。

在恒壓區(qū)域內(nèi)，輸出電壓受占空比控制。當(dāng)I_C>2mA時(shí)，進(jìn)入恒壓區(qū)，輸出電壓及占空比同時(shí)降低；在I_C=2.3mA時(shí)，進(jìn)行過電流保護(hù)，使占空比降至30％。若U_O降到2V以下，則C₃放電，使LNK501進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段，迅速將輸出電流限制在50mA以下。若實(shí)際輸出功率超過P_OM，則U_O↓→U_OR↓→I_C↓，從而限制了漏極電流ID的進(jìn)一步增大。若因輸出端發(fā)生短路故障而導(dǎo)致輸出功率繼續(xù)增大，則I_C下降到0.9mA，迫使控制端電容C_c放電，LNK501就進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段。上述自動(dòng)保護(hù)功能提高了電池充電器在工作時(shí)的安全性。在空載或輕載的情況下，芯片的功耗隨開關(guān)頻率的降低而降低。

該恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性如圖2所示。圖2中的實(shí)線代表極限值。次級整流管VD₂采用11DQ06型1A／60V肖特基二極管，亦可用MBR160代替。

圖2 由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性