探索LinkSwitch-II系列：高效電源轉(zhuǎn)換的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電源設(shè)計是至關(guān)重要的一環(huán)。一個高效、穩(wěn)定的電源不僅能確保設(shè)備的正常運行，還能提升整個系統(tǒng)的性能。今天，我們就來深入了解一下Power Integrations公司的LinkSwitch-II系列產(chǎn)品，看看它是如何在電源設(shè)計領(lǐng)域大放異彩的。

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產(chǎn)品亮點：簡化設(shè)計，提升性能

LinkSwitch-II系列產(chǎn)品的最大亮點之一就是極大地簡化了恒壓/恒流（CV/CC）轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。它通過消除光耦合器和所有二次側(cè)CV/CC控制電路，以及所有控制環(huán)路補償電路，讓電源設(shè)計變得更加簡潔。這不僅減少了元件數(shù)量，降低了成本，還提高了系統(tǒng)的可靠性。

先進性能特性

• 參數(shù)補償：該系列產(chǎn)品能夠補償變壓器電感公差、輸入線電壓變化、電纜電壓降（LNK61X系列）以及外部元件溫度變化。通過采用專有的微調(diào)技術(shù)，它還能實現(xiàn)非常嚴格的IC參數(shù)公差，確保輸出的穩(wěn)定性。
• 降低EMI成本：頻率抖動技術(shù)的應(yīng)用大大降低了EMI濾波器的成本。同時，通過外部電阻選擇/微調(diào)，還能實現(xiàn)更嚴格的輸出公差。
• 靈活的開關(guān)頻率：可編程的開關(guān)頻率最高可達85 kHz，有助于減小變壓器的尺寸，使電源設(shè)計更加緊湊。

先進保護/安全特性

• 自動重啟保護：當(dāng)出現(xiàn)輸出短路和控制環(huán)路故障（元件開路和短路）時，自動重啟保護功能可將輸送的功率降低95%以上，確保系統(tǒng)的安全。
• 滯后熱關(guān)斷：自動恢復(fù)功能減少了現(xiàn)場電源的返修率，提高了產(chǎn)品的可靠性。
• 高電壓爬電要求：在PCB和封裝上，DRAIN引腳與所有其他引腳之間均滿足高電壓爬電要求，保障了產(chǎn)品的電氣安全。

節(jié)能環(huán)保

LinkSwitch-II系列產(chǎn)品具有出色的節(jié)能性能，輕松滿足所有全球能效法規(guī)。在230 VAC輸入下，采用可選的外部偏置繞組時，空載功耗低于30 mW。ON/OFF控制可在輕負載下保持恒定的效率，非常適合CEC和ENERGY STAR 2.0法規(guī)。此外，該系列產(chǎn)品無需電流感測電阻，最大限度地提高了效率。

綠色封裝

產(chǎn)品采用無鹵素且符合RoHS標準的封裝，符合環(huán)保要求，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

產(chǎn)品應(yīng)用：廣泛覆蓋各類充電設(shè)備

LinkSwitch-II系列產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括手機、無繩電話、PDA、MP3/便攜式音頻設(shè)備的充電器，適配器，LED驅(qū)動器等。其出色的性能和可靠性使其成為這些設(shè)備電源設(shè)計的理想選擇。

功能描述：深入了解工作原理

整體架構(gòu)

LinkSwitch-II將高壓功率MOSFET開關(guān)與電源控制器集成在一個器件中。它采用ON/OFF控制來調(diào)節(jié)輸出電壓，同時通過調(diào)制開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電流，實現(xiàn)恒流特性。該控制器由振蕩器、反饋（傳感和邏輯）電路、6 V穩(wěn)壓器、過溫保護、頻率抖動、電流限制電路、前沿消隱、電感校正電路、恒流調(diào)節(jié)頻率控制和CV控制的ON/OFF狀態(tài)機組成。

電感校正電路

如果初級磁化電感過高或過低，轉(zhuǎn)換器會通過調(diào)整振蕩器頻率自動進行補償。由于該控制器設(shè)計用于不連續(xù)導(dǎo)通模式，輸出功率與設(shè)定的初級電感成正比，通過調(diào)整開關(guān)頻率可以完全補償其公差。

恒流（CC）操作

隨著輸出電壓和偏置繞組上的反激電壓增加，反饋引腳電壓也會增加。開關(guān)頻率會根據(jù)反饋引腳電壓的增加進行調(diào)整，以實現(xiàn)恒定的輸出電流調(diào)節(jié)。恒流電路和電感校正電路在CC區(qū)域同時工作。

恒壓（CV）操作

當(dāng)反饋引腳從恒流調(diào)節(jié)模式接近VFBU時，電源進入CV操作。此時開關(guān)頻率達到最大值，對應(yīng)于CC/CV特性的峰值功率點?？刂破魇褂肙N/OFF狀態(tài)機調(diào)節(jié)反饋引腳電壓，使其保持在VFEth。在輕負載時，電流限制也會降低，以減小變壓器的磁通密度。

輸出電纜補償

該補償功能可在CV模式下的整個負載范圍內(nèi)，在電纜末端提供恒定的輸出電壓。隨著轉(zhuǎn)換器負載從空載增加到峰值功率點（CV和CC之間的過渡點），通過增加反饋引腳參考電壓來補償輸出電纜上的電壓降。控制器根據(jù)狀態(tài)機的輸出確定輸出負載，并確定正確的補償程度。

自動重啟和開環(huán)保護

當(dāng)出現(xiàn)故障情況（如輸出短路或開環(huán)情況）時，LinkSwitch-II會進入相應(yīng)的保護模式。如果反饋引腳在反激期間的電壓在反饋引腳采樣延遲（約2.5 ms）之前降至0.7 V以下，且持續(xù)時間超過約450 ms（自動重啟導(dǎo)通時間tAR-ON），轉(zhuǎn)換器將進入自動重啟模式，此時功率MOSFET將被禁用2秒（約18%的自動重啟占空比）。此外，如果在導(dǎo)通周期的正向期間（開關(guān)“導(dǎo)通”時間）檢測到的反饋引腳電流低于120 mA，轉(zhuǎn)換器會將其視為開環(huán)情況，并將自動重啟時間從450 ms縮短至約6個時鐘周期（90 ms），同時保持2秒的禁用期。

過溫保護

熱關(guān)斷電路會感測芯片溫度，閾值設(shè)定為典型的142 °C，具有60 °C的滯后。當(dāng)芯片溫度超過該閾值時，功率MOSFET將被禁用，直到芯片溫度下降60 °C，此時MOSFET將重新啟用。

電流限制

電流限制電路會感測功率MOSFET中的電流。當(dāng)電流超過內(nèi)部閾值（ILIMIT）時，功率MOSFET將在該周期的剩余時間內(nèi)關(guān)閉。前沿消隱電路會在功率MOSFET導(dǎo)通后的短時間（tLEB）內(nèi)抑制電流限制比較器，以防止由電容和整流器反向恢復(fù)時間引起的電流尖峰導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通過早終止。LinkSwitch-II還包含“di/dt”校正功能，以最小化輸入線范圍內(nèi)的CC變化。

6.0 V穩(wěn)壓器

6 V穩(wěn)壓器在MOSFET關(guān)斷時，通過從DRAIN引腳的電壓汲取電流，將連接到BYPASS引腳的旁路電容充電至6 V。BYPASS引腳是內(nèi)部電源電壓節(jié)點。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，器件依靠旁路電容中存儲的能量運行。內(nèi)部電路極低的功耗使LinkSwitch-II能夠持續(xù)從DRAIN引腳汲取的電流中運行。1 mF或10 mF的旁路電容值足以實現(xiàn)高頻去耦和能量存儲。

應(yīng)用示例：高效USB充電器電源設(shè)計

文檔中給出了一個使用LNK613DG的高效USB充電器電源設(shè)計示例。該電路采用初級側(cè)調(diào)節(jié)的反激式電源，平均效率為74%，空載輸入功率小于30 mW，輕松滿足最嚴格的當(dāng)前能效要求。

輸入濾波器

交流輸入功率通過二極管D1至D4進行整流，整流后的直流由大容量存儲電容C1和C2進行濾波。電感L1、C1和C2形成一個π濾波器，可衰減傳導(dǎo)差模EMI噪聲。這種配置結(jié)合Power Integrations變壓器E-shield?技術(shù)，使該設(shè)計能夠在不使用Y電容的情況下，以良好的裕度滿足EMI標準EN55022 B類，即使輸出連接到安全接地。熔斷電阻RF1可防止災(zāi)難性故障，應(yīng)選用合適的額定值（通常為繞線式），以承受首次連接到交流線路時輸入電容充電時的瞬時功耗。

LNK 613初級

LNK613DG器件（U1）集成了功率開關(guān)器件、振蕩器、CC/CV控制引擎、啟動和保護功能。集成的700 V MOSFET在通用輸入交流應(yīng)用中提供了較大的漏極電壓裕度，提高了可靠性，并通過允許更大的變壓器匝數(shù)比降低了輸出二極管的電壓應(yīng)力。該器件完全由BYPASS引腳和去耦電容C4自供電。對于LNK61X器件，旁路電容值還可選擇輸出電纜電壓降補償?shù)某潭取? mF的值選擇標準補償，10 mF的值選擇增強補償。LNK60x器件不提供電纜降補償。

輸出整流

變壓器的次級由D7（1 A、40 V肖特基勢壘型）進行整流，以提高效率，并由C7進行濾波。如果對效率要求較低，可使用1 A PN結(jié)二極管以降低成本。在該應(yīng)用中，C7的尺寸設(shè)計滿足了所需的輸出電壓紋波規(guī)格，無需使用后置LC濾波器。為滿足電池自放電要求，預(yù)載電阻已被串聯(lián)電阻和齊納網(wǎng)絡(luò)（R8和VR1）取代。但在不需要此要求的設(shè)計中，可使用標準的1 kW電阻。

輸出調(diào)節(jié)

LNK613在輸出特性的恒壓（CV）調(diào)節(jié)區(qū)域使用ON/OFF控制來調(diào)節(jié)輸出，在恒流（CC）調(diào)節(jié)中使用頻率控制。反饋電阻（R5和R6）選用標準的1%電阻值，以使標稱輸出電壓和恒流調(diào)節(jié)閾值居中。

關(guān)鍵應(yīng)用考慮因素

輸出功率表

數(shù)據(jù)手冊中的最大輸出功率表代表了在以下假設(shè)條件下可獲得的最大實際連續(xù)輸出功率水平：

1. 最小直流輸入電壓在85 VAC輸入時為90 V或更高。對于交流輸入設(shè)計，輸入電容的值應(yīng)足夠大以滿足這些標準。
2. 次級輸出為5 V，使用肖特基整流二極管。
3. 假設(shè)效率為70%。
4. 不連續(xù)模式操作（Kp > 1.3）。
5. 器件安裝在電路板上，SOURCE引腳焊接到足夠面積的銅上，以使SOURCE引腳溫度保持在90 °C或以下。
6. 開放式框架設(shè)計的環(huán)境溫度為50 °C，適配器設(shè)計的內(nèi)部外殼溫度為60 °C。

輸出公差

LinkSwitch-II在CV操作中，輸出電壓的整體輸出公差（包括線路、元件變化和溫度）為±5%；在CC操作中，輸出電流的整體輸出公差為±10%，適用于P/G封裝在0 °C至100 °C的結(jié)溫范圍內(nèi)。對于D封裝（SO8），由于制造流程（如波峰焊或紅外回流焊）引起的應(yīng)力，可能會出現(xiàn)額外的CC變化。建議進行樣品電源構(gòu)建以驗證每個設(shè)計的生產(chǎn)公差。

BYPASS引腳電容選擇

• LinkSwitch-II 60x系列器件（無輸出電纜電壓降補償）：建議使用1 mF的BYPASS引腳電容，電容電壓額定值應(yīng)大于7 V，電容的介電材料不重要，但電容公差應(yīng)≤±50%。電容必須物理上靠近LinkSwitch-II的BYPASS引腳。
• LinkSwitch-II 61x系列器件（有輸出電纜電壓降補償）：可通過BYPASS引腳電容的值選擇輸出電纜補償?shù)某潭取? mF的值選擇標準電纜補償，10 mF的電容選擇增強電纜補償。電容可以是陶瓷或電解電容，但公差和溫度變化應(yīng)≤±50%。輸入到PIXls設(shè)計電子表格的輸出電壓是電源在提供最大功率時輸出電纜末端的電壓。電源端子處的輸出電壓是電纜末端測量值乘以輸出電壓變化因子。

布局考慮因素

• 電路板布局：LinkSwitch-II是高度集成的電源解決方案，將控制器和高壓MOSFET集成在一個芯片上。由于存在高開關(guān)電流和電壓以及模擬信號，遵循良好的PCB設(shè)計實踐對于確保電源的穩(wěn)定和無故障運行尤為重要。
• 單點接地：在輸入濾波電容的負極端子處使用單點（開爾文）連接，用于LinkSwitch-II的SOURCE引腳和偏置繞組返回。這通過將偏置繞組的浪涌電流直接返回到輸入濾波電容來提高浪涌能力。
• 旁路電容：BYPASS引腳電容應(yīng)盡可能靠近SOURCE和BYPASS引腳放置。
• 反饋電阻：將反饋電阻直接放置在LinkSwitch-II器件的FEEDBACK引腳處，以最小化噪聲耦合。
• 熱考慮：連接到SOURCE引腳的銅面積為LinkSwitch-II提供散熱。一般估計LinkSwitch-II將消耗輸出功率的10%。提供足夠的銅面積以保持SOURCE引腳溫度低于90 °C。只有在輸出電流（CC）公差高于±10%可接受的情況下，才允許更高的溫度。在這種情況下，建議SOURCE引腳的最大溫度低于110 °C，以考慮器件間RDS(ON)變化的余量。
• 次級環(huán)路面積：為了最小化漏感和EMI，應(yīng)最小化連接次級繞組、輸出二極管和輸出濾波電容的環(huán)路面積。此外，應(yīng)在二極管的陽極和陰極端子處提供足夠的銅面積用于散熱。建議在安靜的陰極端子處使用較大的面積，較大的陽極面積可能會增加高頻輻射EMI。
• 靜電放電火花間隙：在隔離屏障上放置一條走線，形成火花間隙的一個電極。次級上的另一個電極由輸出返回節(jié)點形成。火花間隙將ESD能量從次級引導(dǎo)回交流輸入。從交流輸入到火花間隙電極的走線應(yīng)與其他走線保持一定距離，以防止不必要的電弧和可能的電路損壞。
• 漏極鉗位優(yōu)化：LinkSwitch-II通過感測初級側(cè)的反饋繞組來調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)內(nèi)部MOSFET關(guān)斷時，反饋繞組上出現(xiàn)的電壓是次級繞組電壓的反射。因此，任何漏感引起的振鈴都可能影響輸出調(diào)節(jié)。優(yōu)化漏極鉗位以最小化高頻振鈴將獲得最佳的調(diào)節(jié)效果。

快速設(shè)計檢查表

在進行LinkSwitch-II設(shè)計時，應(yīng)在實驗臺上驗證所有設(shè)計，以確保在最壞情況下組件規(guī)格不會超出。強烈建議進行以下最低限度的測試：

1. 最大漏極電壓：驗證在最高輸入電壓和最大輸出功率下，峰值VDS不超過680 V。
2. 最大漏極電流：在最大環(huán)境溫度、最大輸入電壓和最大輸出負載下，驗證啟動時的漏極電流波形，檢查是否有變壓器飽和和過大的前沿電流尖峰的跡象。LinkSwitch-II具有170 ns的前沿消隱時間，以防止導(dǎo)通周期過早終止。
3. 熱檢查：在最大輸出功率、最小和最大輸入電壓以及最大環(huán)境溫度下，驗證LinkSwitch-II、變壓器、輸出二極管和輸出電容的溫度規(guī)格是否未超出。應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的LinkSwitch-II的RDS(ON)的器件間變化，留出足夠的熱余量。為確保10%的CC公差，建議SOURCE引腳的最大溫度為90 oC。

總結(jié)

LinkSwitch-II系列產(chǎn)品以其簡化的設(shè)計、先進的性能特性、出色的保護功能和節(jié)能環(huán)保的特點，為電子工程師提供了一個高效、可靠的電源解決方案。無論是在充電設(shè)備、適配器還是LED驅(qū)動器等應(yīng)用中，它都能發(fā)揮出卓越的性能。在設(shè)計過程中，充分考慮輸出功率、輸出公差、BYPASS引腳電容選擇和布局等關(guān)鍵因素，并按照快速設(shè)計檢查表進行驗證，將有助于確保設(shè)計的成功。你在使用LinkSwitch-II系列產(chǎn)品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。