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來(lái)源：Digikey 作者：Bill Schweber 功率約為 10 W 或更低的小功率 AC/DC 電源廣泛應用于家用調光器、開(kāi)關(guān)、傳感器、家用電器、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)控制裝置。這種電源的占空比相對較低，負載長(cháng)時(shí)間處于待機模式，但當設備啟動(dòng)時(shí)，電源必須能夠迅速被“喚醒”。 從概念上講，設計這類(lèi)電源是非常簡(jiǎn)單的：首先準備幾個(gè)用于線(xiàn)路整流的二極管，然后添加一個(gè)控制器 IC，在輸出端安裝濾波電容器，如果需要隔離，再插入一個(gè)變壓器即可完成設計。然而，盡管表面上看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上這些電源的制造過(guò)程卻各不相同。 這些電源必須具備提供穩定 DC 輸出軌的基本功能，并滿(mǎn)足用戶(hù)安全、負載效率和待機效率等多項嚴格的監管要求。此外，設計人員還必須考慮實(shí)際布局、支持組件、可靠性、性能評估、認證和封裝等問(wèn)題，同時(shí)還要盡量減小封裝和成本，縮短產(chǎn)品上市周期。 本文介紹 Power Integrations 高度集成的離線(xiàn)開(kāi)關(guān)式控制器 IC 系列，并說(shuō)明如何利用其來(lái)應對這些挑戰。 集成 MOSFET 和控制器 IC Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列包含八個(gè)不同的離線(xiàn)開(kāi)關(guān)式控制器 IC，是將 725 V 功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)和電源控制器集成在 SO-8C 封裝單體器件。每個(gè)單片 IC 都具有出色的浪涌耐受能力、振蕩器、用于自偏置的高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、快速（逐周期）限流、滯后熱關(guān)斷以及輸出和輸入過(guò)壓保護電路。 這些器件可構成非隔離式布局的核心，例如使用 LNK3306D-TL 的降壓轉換器設計（圖 1），其輸出電流為 225 mA 或 360 mA（具體取決于所選的導通模式）。這些器件還可配置為非隔離式“降壓升壓”電源，實(shí)現高達 575 mA 的輸出電流。 
圖 1：這種使用 LinkSwitch 系列器件的典型非隔離式降壓轉換器設計只是通過(guò)這些器件實(shí)現的眾多可能的拓撲結構之一。（圖片來(lái)源：Power Integrations） 雖然采用雙絕緣或以其他方式防止 AC 線(xiàn)路故障的負載不需要電隔離，但有些器件需要電隔離。在這種情況下，在通用輸入隔離式反激設計中使用 LinkSwitch-TNZ 器件會(huì )是更好的選擇。在該拓撲結構中，這些器件的輸出功率最高可達 12 W。 LinkSwitch-TNZ 系列中的 IC 可根據拓撲結構提供不同的輸出電流和功率（表 1）。
表 1：LinkSwitch-TNZ 系列可支持多種配置、拓撲結構和運行模式。每種布局都有不同的最大輸出電流或功率限制。（圖片來(lái)源：Power Integrations） 從概念到實(shí)施 LinkSwitch-TNZ 系列的高度集成特性和靈活性簡(jiǎn)化了設計工作。開(kāi)發(fā)獲得認證的、可上市的電源設計會(huì )面臨諸多挑戰，其中包括： 1、滿(mǎn)足與效率和安全相關(guān)的嚴格的法規要求。由于既要能夠在待機模式下提供電源，又要滿(mǎn)足嚴格的待機效率規定，會(huì )使這些工作變得更加困難。LinkSwitch-TNZ IC 具有同類(lèi)最佳的輕載效率，可為更多系統功能供電，同時(shí)滿(mǎn)足包括以下各項在內的待機要求規定： · 歐盟委員會(huì ) (EC) 家用電器標準 (1275)，要求設備在待機或停機模式下的功耗不超過(guò) 0.5 W · 智能家居能源管理系統 (SHEMS) 能源之星 1.1，將智能照明控制器件的待機功耗限制在 0.5 W 以?xún)?br /> · 中國的 GB24849 規定，微波爐的非模式功耗不得超過(guò) 0.5 W 與分立設計相比，LinkSwitch-TNZ IC 在滿(mǎn)足這些要求的同時(shí)，還能將元器件數量減少 40% 或更多。這些開(kāi)關(guān)電源 IC 可實(shí)現線(xiàn)路和負載 ±3% 的調節，在具有外部偏置的情況下空載功耗小于 30 mW，且 IC 待機電流小于 100 µA。 2、能夠安全地支持無(wú)中性線(xiàn)的兩線(xiàn)制 AC 線(xiàn)路連接和三線(xiàn)制連接。許多負載（如調光器、開(kāi)關(guān)和傳感器）都沒(méi)有第三根導線(xiàn)，因此存在過(guò)大和潛在危險的漏電流風(fēng)險。該標準規定了不同情況下的最大漏電流，在雙線(xiàn)無(wú)中性線(xiàn)設計中，LinkSwitch-TNZ 的漏電流低于 150 µA，低于上述最大值。 3、不超過(guò)電磁干擾 (EMI) 輻射限值。為實(shí)現這一目標，LinkSwitch-TNZ 振蕩器采用了擴頻技術(shù)，在標稱(chēng) 66 kHz 開(kāi)關(guān)頻率附近引入了少量的 4 kHz 頻率抖動(dòng)（圖 2）。頻率抖動(dòng)的調制率設定為 1 kHz，以?xún)?yōu)化平均和準峰值輻射情況下的 EMI 降低效果。
圖 2：為了將 EMI 輻射控制在法規限制范圍內，LinkSwitch-TNZ 振蕩器采用了擴頻技術(shù)，在標稱(chēng) 66 kHz 開(kāi)關(guān)頻率附近擴頻 4 kHz。（圖片來(lái)源：Power Integrations） 4、檢測 AC 線(xiàn)路過(guò)零點(diǎn)，只需極少的額外組件或功耗。使用繼電器或三端雙向可控硅元件周期性地連接和斷開(kāi) AC 線(xiàn)路上的電燈開(kāi)關(guān)、調光器、傳感器和插頭時(shí)都需要這種檢測功能。 智能家居和樓宇自動(dòng)化 (HBA) 產(chǎn)品及設備使用過(guò)零信號來(lái)控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而盡可能地降低開(kāi)關(guān)所受的應力和系統浪涌電流。 同樣，家用電器通常使用分立式過(guò)零檢測電路來(lái)控制電機和微控制器單元 (MCU) 的定時(shí)功能。這些應用還需要為無(wú)線(xiàn)連接、柵極驅動(dòng)器、傳感器和顯示器提供輔助電源。 為此，通常采用分立電路來(lái)檢測 AC 線(xiàn)路的過(guò)零點(diǎn)，以控制一次率器件的導通過(guò)渡，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)損耗和浪涌電流。這種方法需要很多元器件，而且損耗很大，有時(shí)會(huì )消耗近一半的待機功率預算。 相反，LinkSwitch-TNZ IC 可提供精確的信號，來(lái)指示正弦 AC 線(xiàn)路的電壓為零伏。LinkSwitch-TNZ 過(guò)零點(diǎn)檢測所需的功耗低于 5 mW，因此與需要 10 個(gè)或更多分立元件并耗散 50 mW 至 100 mW 連續功耗的其他方法相比，可使系統減少待機功耗。 X 電容器 線(xiàn)路 EMI 濾波器包括 X 類(lèi)和 Y 類(lèi)電容器，可最大限度地減少 EMI/RFI 的產(chǎn)生。這些器件通過(guò) AC 線(xiàn)路和 AC 中性線(xiàn)直接連接到 AC 電源輸入端（圖 3）。
圖 3：EMI 濾波需要在 AC 線(xiàn)路上安裝 X 類(lèi)和 Y 類(lèi)濾波電容器，但必須在線(xiàn)路斷開(kāi)后管理 X 類(lèi)電容器，以確保用戶(hù)安全。（圖片來(lái)源：www.topdiode.com） 根據安全規定， EMC 濾波器中的 X 電容器應在 AC 線(xiàn)路斷開(kāi)時(shí)放電，以確保斷電后線(xiàn)路上不會(huì )長(cháng)時(shí)間保持存儲的電壓和電能。最大允許放電時(shí)間執行 IEC60950 和 IEC60065 等行業(yè)標準規定。 在 X 電容器上并聯(lián)漏電電阻是確保必要時(shí)進(jìn)行放電的傳統方法。不過(guò)，這種方法會(huì )造成功率損失。更好的解決方案是加入具有用戶(hù)可自行設定時(shí)間常數的 X 電容放電功能。LNK3312D-TL IC 就采用了這種方法。這會(huì )減少印制電路 (pc) 板的空間，減小材料清單 (BOM) 并提高可靠性。 電源和轉換器需要多種保護功能。LinkSwitch-TNZ 系列 IC 中的所有器件都集成了以下功能： · 軟啟動(dòng)可限制啟動(dòng)時(shí)的系統組件應力 · 短路和開(kāi)路故障后自動(dòng)重啟 · 輸出過(guò)壓保護 · 線(xiàn)條輸入過(guò)壓保護 · 滯后超溫保護 從 IC 到完整的設計 一個(gè) IC 無(wú)論多么優(yōu)秀或功能多么齊全，都不及一個(gè)完整的、隨時(shí)可用的 AC/DC 轉換器，因為許多元氣件不能或不應該集成到該器件中。這類(lèi)元件包括散裝的濾波電容器、旁路電容器、電感器、變壓器和保護元件。非隔離通用輸入、6 V、80 mA 恒壓電源和基于 LNK3302D-TL 器件的過(guò)零檢測器（圖 4）顯示了對外部元器件的需求。
圖 4：所示為一款全面、安全的非隔離通用輸入、6 V、80 mA 恒壓電源所需的外部元氣件，該電源帶有過(guò)零檢測器，基于 LNK3302D-TL IC。（圖片來(lái)源：Power Integrations） 此外，還有與安全相關(guān)的最小尺寸，如爬電距離和間隙。這樣一來(lái)，問(wèn)題就轉換為開(kāi)發(fā)完整設計時(shí)需要克服的挑戰。LinkSwitch-TNZ IC 系列簡(jiǎn)化了這項任務(wù)。例如，通過(guò)使用 66 kHz 開(kāi)關(guān)頻率，所需的磁性元件就可使用來(lái)自多個(gè)供應商的標準成品。此外，Power Integrations 還提供參考設計。 對于需要隔離電源的用戶(hù)，可采用 RDK-877 參考設計（圖 5），這是一款基于 LNK3306D-TL 的 6 W 隔離式反激電源，具有過(guò)零檢測功能。
圖 5：6 W RDK-877 參考設計基于 LNK3306D-TL，可在反激式拓撲中提供隔離。（圖片來(lái)源：Power Integrations） 該電源的輸入范圍為 90 VAC 至 305 VAC，輸出電壓為 12 V，電流為 500 mA，在整個(gè) AC 線(xiàn)路范圍內的空載功耗小于 30 mW。待機模式下的功率超過(guò) 350 mW，而主動(dòng)模式下效率符合 DOE6 和 EC CoC (v5) 要求，額定負載下滿(mǎn)載效率高于 80%。該設計還符合 EN550022 和 CISPR-22 B 類(lèi)傳導 EMI 要求。 結束語(yǔ) 設計和實(shí)現低功耗 AC/DC 電源看似輕而易舉。盡管如此，但是要達到性能和效率目標、安全和法規要求，以及成本、封裝和上市時(shí)間的要求，這些現實(shí)因素都會(huì )讓這項任務(wù)充滿(mǎn)挑戰。開(kāi)關(guān) IC 大大簡(jiǎn)化了任務(wù)，如 Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列組合控制器和 MOSFET。這些 IC 支持不同的功率水平，可與各種電源拓撲結構配合使用，同時(shí)集成了過(guò)零檢測和 X 電容放電等基本功能。 |
