LinkSwitch系列恒压/恒流式单片开关电源的应用

0 引言

恒压／恒流（CV／CC）式开关电源是最常用的一种特种电源。2002年9月，PI公司率先推出了LinkSwitch系列（包含LNK500、LNK501）高效率恒压／恒流式三端单片开关电源芯片，它是世界上第一个专门为取代4W以下小功率线性稳压电源而研制的高集成度、低成本、高压功率转换芯片。2004年3月，该公司又研制出LNK520型恒压或恒压／恒流式三端单片开关电源。由LinkSwitch构成的恒压／恒流式开关电源，价格堪与线性电源相媲美。它比传统的线性电源体积小，重量轻，特别适合于低成本电池充电器。这种开关电源可在恒压、恒流两种工作模式下自动转换，比用TOPSwitch－Ⅱ构成的恒压／恒流式特种开关电源大约可节省20个元器件。当额定输出功率为3W时，LinkSwitch允许采用EE13型磁芯，以进一步减小开关电源的体积。

LinkSwitch系列单片开关电源可替代线性电源，广泛用于各种个人电子设备（手机、无绳电话、掌上电脑、数码相机、MP3播放器、电动剃须刀等）的电池充电器或电源适配器，也可以应用在电视机等家用电器的待机电源及各种辅助电源中。

1 LinkSwitch系列单片开关电源的性能特点

1）LinkSwitch系列产品采用PI公司的EcoSmart^R技术，将700V功率MOSFET、PWM控制器、高压启动、电流限制和过热保护等电路集成在一个芯片中。该芯片只有3个引脚，对LNK500、LNK501而言，仅须配14个外围元器件，即可构成具有恒压／恒流（CV/CC）输出特性的特种开关电源。用做电源适配器时，LinkSwitch工作在恒压区，可为负载提供稳定的电压，此时恒流区用来提供过载保护及短路时的自动重启动保护。做电池充电器时，LinkSwitch工作在恒流区，充电完毕自动转入恒压区；若在充电过程中因负载短路而使输出电压降至2V以下，则进入自动重启动阶段。与线性稳压电源相比，其功耗可降低70％。

2）LNK500、LNK501在宽范围输入（交流85～265V）时的最大输出功率为3W，交流230V固定输入时的最大输出功率为4W。通常将LinkSwitch设计在不连续模式下工作。利用光耦反馈技术可提高恒压输出的精度和稳定度，而利用外部稳压管进行二次稳压能改善恒流特性。

3）该器件采用新颖的初级恒压、恒流控制方案，包括初级钳位、反馈、内部供电和回路补偿等电路，极大地简化了外围电路的设计。LNK500／501不需要辅助绕组及外部恒压／恒流控制电路，完全由初级感应电压UOR来控制恒压／恒流输出。

4）具有完善的保护功能，包括过热保护，过电流保护，输出短路情况下的过载保护，开路故障保护和软启动功能。

5）功率MOSFET的漏极击穿电压为700V，极限电流固定为254mA，漏－源通态电阻为28Ω（典型值），最大占空比为77％。自动重启动频率为300Hz。过热保护温度为＋135℃，当温度降至＋70℃时芯片才恢复正常工作。

2 LinkSwitch系列单片开关电源的典型应用

由LNK501构成恒压／恒流式电池充电器的电路如图1所示。该电池充电器的主要技术指标如下：恒压区的额定输出电压U_o=＋5.5V，恒流区的输出电流I_OM=500mA，最大输出功率P_OM=2.75W；当交流输入电压u=85～265V时，电源效率η≥72％；当交流输入电压u=230V或115V时，空载功耗分别为260mW或200mW。

图1 由LNK501构成恒压／恒流式电池充电器的电路

RF（Fusible Resistor）采用10Ω、1W的熔断电阻器，当输入端发生短路故障时能起到过流保护作用。BR为1A、600V的整流桥，亦可用4只1N4005型硅整流管来代替。C₁、L和C₂构成π型滤波器。LNK501的开关频率为42kHz，允许使用简单的EMI滤波器滤除电磁干扰，而且一般不需要初级返回端与次级返回端之间并联一只安全电容（亦称Y电容）。

由1A、600V的硅二极管VD₁（1N4937）和0.1μF电容器C₄组成钳位保护电路，用来吸收由高频变压器漏感产生的尖峰电压。初级绕组的感应电压值（U_OR）亦称次级反射电压，它与输出电压U_O之间存在下述关系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n为初级与次级的匝数比，U_F1为次级整流管的压降）。这表明U_OR能反映输出电压的高低。因此，利用取样电容C₄所获得的反馈电压同样能反映出UO的变化情况。电阻R₁的作用就是将C₄上的反馈电压转换成反馈电流（即控制端电流I_C），进而去调节LNK501的输出占空比，实现稳压目的。利用R2可降低开关噪声。根据实际需要还可在初、次级返回端之间并联一只1000～2200pF、耐压值为1.5kV的安全电容C₆，进一步抑制电磁干扰，具体接线方法如图1中虚线所示。

在恒压区域内，输出电压受占空比控制。当I_C>2mA时，进入恒压区，输出电压及占空比同时降低；在I_C=2.3mA时，进行过电流保护，使占空比降至30％。若U_O降到2V以下，则C₃放电，使LNK501进入自动重启动阶段，迅速将输出电流限制在50mA以下。若实际输出功率超过P_OM，则U_O↓→U_OR↓→I_C↓，从而限制了漏极电流ID的进一步增大。若因输出端发生短路故障而导致输出功率继续增大，则I_C下降到0.9mA，迫使控制端电容C_c放电，LNK501就进入自动重启动阶段。上述自动保护功能提高了电池充电器在工作时的安全性。在空载或轻载的情况下，芯片的功耗随开关频率的降低而降低。

该恒压／恒流式电池充电器的输出特性如图2所示。图2中的实线代表极限值。次级整流管VD₂采用11DQ06型1A／60V肖特基二极管，亦可用MBR160代替。

图2 由LNK501构成恒压／恒流式电池充电器的输出特性