作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-13

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、開關、傳感器、家用電器、物聯網 (IoT) 和工業控制裝置。這種電源的占空比相對較低，負載長時間處于待機模式，但當設備啟動時，電源必須能夠迅速被“喚醒”。

從概念上講，設計這類電源是非常簡單的：首先準備幾個用于線路整流的二極管，然后添加一個控制器 IC，在輸出端安裝濾波電容器，如果需要隔離，再插入一個變壓器即可完成設計。然而，盡管表面上看似簡單，但實際上這些電源的制造過程卻各不相同。

這些電源必須具備提供穩定 DC 輸出軌的基本功能，并滿足用戶安全、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際布局、支持組件、可靠性、性能評估、認證和封裝等問題，同時還要盡量減小封裝和成本，縮短產品上市周期。

本文介紹 [Power Integrations] 高度集成的離線開關式控制器 IC 系列，并說明如何利用其來應對這些挑戰。

集成 MOSFET 和控制器 IC

Power Integrations 的 [LinkSwitch-TNZ]系列包含八個不同的離線開關式控制器 IC，是將 725 V 功率 MOSFET 開關和電源控制器集成在 SO-8C 封裝單體器件。每個單片 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關電流源、頻率抖動、快速（逐周期）限流、滯后熱關斷以及輸出和輸入過壓保護電路。

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這些器件實現的眾多可能的拓撲結構之一。（圖片來源：Power Integrations）

雖然采用雙絕緣或以其他方式防止 AC 線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。（圖片來源：Power Integrations）

從概念到實施

LinkSwitch-TNZ 系列的高度集成特性和靈活性簡化了設計工作。開發獲得認證的、可上市的電源設計會面臨諸多挑戰，其中包括：

1. 滿足與效率和安全相關的嚴格的法規要求。由于既要能夠在待機模式下提供電源，又要滿足嚴格的待機效率規定，會使這些工作變得更加困難。LinkSwitch-TNZ IC 具有同類最佳的輕載效率，可為更多系統功能供電，同時滿足包括以下各項在內的待機要求規定：
   • 歐盟委員會 (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 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 以內
   • 中國的 GB24849 規定，微波爐的非模式功耗不得超過 0.5 W

與分立設計相比，LinkSwitch-TNZ IC 在滿足這些要求的同時，還能將元器件數量減少 40% 或更多。這些開關電源 IC 可實現線路和負載 ±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. 能夠安全地支持無中性線的兩線制 AC 線路連接和三線制連接。許多負載（如調光器、開關和傳感器）都沒有第三根導線，因此存在過大和潛在危險的漏電流風險。該標準規定了不同情況下的最大漏電流，在雙線無中性線設計中，LinkSwitch-TNZ 的漏電流低于 150 μA，低于上述最大值。
3. 不超過電磁干擾 (EMI) 輻射限值。為實現這一目標，LinkSwitch-TNZ 振蕩器采用了擴頻技術，在標稱 66 kHz 開關頻率附近引入了少量的 4 kHz 頻率抖動（圖 2）。頻率抖動的調制率設定為 1 kHz，以優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，在標稱 66 kHz 開關頻率附近擴頻 4 kHz。（圖片來源：Power Integrations）

4. 檢測 AC 線路過零點，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 AC 線路上的電燈開關、調光器、傳感器和插頭時都需要這種檢測功能。

智能家居和樓宇自動化 (HBA) 產品及設備使用過零信號來控制開關動作，從而盡可能地降低開關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零檢測電路來控制電機和微控制器單元 (MCU) 的定時功能。這些應用還需要為無線連接、柵極驅動器、傳感器和顯示器提供輔助電源。

為此，通常采用分立電路來檢測 AC 線路的過零點，以控制一次率器件的導通過渡，同時降低開關損耗和浪涌電流。這種方法需要很多元器件，而且損耗很大，有時會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，來指示正弦 AC 線路的電壓為零伏。LinkSwitch-TNZ 過零點檢測所需的功耗低于 5 mW，因此與需要 10 個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

線路 EMI 濾波器包括 X 類和 Y 類電容器，可最大限度地減少 EMI/RFI 的產生。這些器件通過 AC 線路和 AC 中性線直接連接到 AC 電源輸入端（圖 3）。

圖 3：EMI 濾波需要在 AC 線路上安裝 X 類和 Y 類濾波電容器，但必須在線路斷開后管理 X 類電容器，以確保用戶安全。（圖片來源：www.topdiode.com）

根據安全規定， EMC 濾波器中的 X 電容器應在 AC 線路斷開時放電，以確保斷電后線路上不會長時間保持存儲的電壓和電能。最大允許放電時間執行 IEC60950 和 IEC60065 等行業標準規定。

在 X 電容器上并聯漏電電阻是確保必要時進行放電的傳統方法。不過，這種方法會造成功率損失。更好的解決方案是加入具有用戶可自行設定時間常數的 X 電容放電功能。[LNK3312D-TL] IC 就采用了這種方法。這會減少印制電路 (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：

• 軟啟動可限制啟動時的系統組件應力
• 短路和開路故障后自動重啟
• 輸出過壓保護
• 線條輸入過壓保護
• 滯后超溫保護

從 IC 到完整的設計

一個 IC 無論多么優秀或功能多么齊全，都不及一個完整的、隨時可用的 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，該電源帶有過零檢測器，基于 LNK3302D-TL IC。（圖片來源：Power Integrations）

此外，還有與安全相關的最小尺寸，如爬電距離和間隙。這樣一來，問題就轉換為開發完整設計時需要克服的挑戰。LinkSwitch-TNZ IC 系列簡化了這項任務。例如，通過使用 66 kHz 開關頻率，所需的磁性元件就可使用來自多個供應商的標準成品。此外，Power Integrations 還提供參考設計。

對于需要隔離電源的用戶，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。（圖片來源：Power Integrations）

該電源的輸入范圍為 90 VAC 至 305 V AC ，輸出電壓為 12 V，電流為 500 mA，在整個 AC 線路范圍內的空載功耗小于 30 mW。待機模式下的功率超過 350 mW，而主動模式下效率符合 DOE6 和 EC CoC (v5) 要求，額定負載下滿載效率高于 80%。該設計還符合 EN550022 和 CISPR-22 B 類傳導 EMI 要求。

結束語

設計和實現低功耗 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、封裝和上市時間的要求，這些現實因素都會讓這項任務充滿挑戰。開關 IC 大大簡化了任務，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，同時集成了過零檢測和 X 電容放電等基本功能。

審核編輯 黃宇