1.2 W非隔離雙輸出電源設(shè)計(jì)解析

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，如何實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且低成本的電源供應(yīng)是工程師們一直關(guān)注的重點(diǎn)。今天要介紹的是Power Integrations公司的一款1.2 W非隔離雙輸出電源，它采用LNK304DN器件，具備獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的性能，適用于儀表等應(yīng)用場(chǎng)景。

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二、電源規(guī)格

輸入?yún)?shù)

該電源的輸入電壓范圍為85 - 265 VAC，輸入電壓頻率為47 - 64 Hz，在230 VAC無(wú)負(fù)載輸入功率為0.2 W。

輸出參數(shù)

輸出有兩路，輸出電壓1為12 V，輸出電流為80 mA；輸出電壓2為5 V，輸出電流為50 mA，總輸出功率連續(xù)為1.21 W。在滿(mǎn)載時(shí)效率為52.7%，滿(mǎn)足加州能源委員會(huì)（CEC）/能源之星要求的平均效率為51.7%。

環(huán)境與安全參數(shù)

在傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）方面，滿(mǎn)足CISPR22B / EN55022B標(biāo)準(zhǔn)；安全設(shè)計(jì)滿(mǎn)足IEC950、UL1950 Class II標(biāo)準(zhǔn)；差模浪涌為1 kV；環(huán)境溫度范圍為0 - 50 oC。

三、電路設(shè)計(jì)

1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

此電源有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇，通過(guò)跳線(xiàn)JP1來(lái)切換。當(dāng)短接JP1的引腳1和2時(shí)，采用降壓派生拓?fù)?，可提?-5 V和 +7 V輸出；短接引腳2和3時(shí)，采用降壓拓?fù)洌峁?+5 V和 +12 V輸出。

2. 各部分電路功能

AC輸入整流與EMI濾波

AC輸入通過(guò)快速恢復(fù)二極管D1和通用二極管D4進(jìn)行半波整流?？焖倩謴?fù)二極管有助于改善差模傳導(dǎo)EMI，二極管D4用于提供EMI噪聲門(mén)控，減少共模噪聲。輸入路徑中還包含一個(gè)可熔斷的防火電阻RF1，在發(fā)生災(zāi)難性故障時(shí)會(huì)開(kāi)路，且不會(huì)產(chǎn)生火焰或煙霧。同時(shí)，電容C1和C2提供大容量?jī)?chǔ)能，電感L1與電容形成π濾波器，進(jìn)一步降低差模傳導(dǎo)EMI。

LinkSwitch - TN器件

LinkSwitch - TN是一款低成本、全功能的單片集成電路，將控制電路和高壓MOSFET開(kāi)關(guān)集成在同一器件中。它具有On/Off類(lèi)型控制器，最大開(kāi)關(guān)頻率為66 kHz，包含±4 kHz的頻率抖動(dòng)以降低EMI，還具備700 V MOSFET。此外，該器件擁有輸出短路保護(hù)、開(kāi)環(huán)故障保護(hù)、MOSFET電流限制保護(hù)和帶滯后的熱關(guān)斷等多種保護(hù)功能。它通過(guò)連接到旁路引腳（BP）的100 nF電容C3實(shí)現(xiàn)本地電源去耦。

輸出整流與濾波

在U1導(dǎo)通期間，電感L2中的電流線(xiàn)性上升，為負(fù)載和電容C5提供能量；U1關(guān)斷時(shí)，電感L2的電壓極性改變，使續(xù)流二極管D2正向偏置，電感中存儲(chǔ)的能量繼續(xù)為電容C5、負(fù)載和線(xiàn)性調(diào)節(jié)器供電。續(xù)流二極管D2應(yīng)選用超快恢復(fù)二極管，如BYV26C，以提高效率。

反饋網(wǎng)絡(luò)

LinkSwitch - TN采用簡(jiǎn)單高效的On/Off控制方案，MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間由輸出電感值、器件電流限制和直流母線(xiàn)電壓決定。當(dāng)電流超過(guò)49 μA流入反饋（FB）引腳時(shí)，開(kāi)關(guān)周期將被跳過(guò)，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。反饋信號(hào)通過(guò)由1%公差金屬膜電阻R1和R2組成的簡(jiǎn)單分壓器從輸出（電容C5兩端的電壓）獲取。

線(xiàn)性調(diào)節(jié)器

LinkSwitch - TN將電容C5兩端的電壓調(diào)節(jié)為12 V，為了得到第二個(gè)穩(wěn)壓輸出，使用了線(xiàn)性調(diào)節(jié)器。齊納二極管VR1定義了Q2發(fā)射極的電壓，從而使J4的電壓相對(duì)于J5保持穩(wěn)定。在+5 V輸出滿(mǎn)載時(shí)，線(xiàn)性調(diào)節(jié)器的最大功耗可通過(guò)公式 (P{DQ 2}=V{CEQ 2} × I_{CO 2}) 估算。電阻R3設(shè)置通過(guò)VR1的偏置電流約為4 mA，同時(shí)作為12 V輸出的預(yù)載。

四、PCB布局

合理的PCB布局對(duì)于電源的性能至關(guān)重要。該電源的PCB布局經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，能夠有效減少電磁干擾，提高電源的穩(wěn)定性和可靠性。

五、性能測(cè)試

1. 效率測(cè)試

在不同負(fù)載百分比下，分別測(cè)試了115 VAC和230 VAC輸入時(shí)的效率。從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著負(fù)載百分比的增加，效率有所下降，但在各種負(fù)載情況下，效率都能滿(mǎn)足一定的要求。雖然CEC標(biāo)準(zhǔn)不適用于此設(shè)計(jì)，但提供的數(shù)據(jù)可作為參考，未來(lái)可能會(huì)有更多地區(qū)采用類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)。

2. 無(wú)負(fù)載輸入功率

測(cè)試了不同輸入電壓下的無(wú)負(fù)載輸入功率，結(jié)果顯示輸入功率隨著輸入電壓的變化而變化，在設(shè)計(jì)中需要考慮這一因素對(duì)整體功耗的影響。

3. 電壓調(diào)節(jié)

負(fù)載和線(xiàn)路調(diào)節(jié)

分別對(duì)12 V和5 V輸出進(jìn)行了負(fù)載和線(xiàn)路調(diào)節(jié)測(cè)試。通過(guò)改變負(fù)載電流和輸入電壓，觀察輸出電壓的變化情況。測(cè)試結(jié)果表明，在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下，輸出電壓的調(diào)節(jié)性能良好，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

線(xiàn)路調(diào)節(jié)

在滿(mǎn)載情況下，測(cè)試了輸出電壓隨輸入電壓的變化情況。結(jié)果顯示，輸出電壓在一定的輸入電壓范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。

4. 熱性能

在50 oC的環(huán)境溫度下，對(duì)電源的各個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行了熱性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，各部件的溫度在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明電源的散熱設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足正常工作的要求。

5. 波形測(cè)試

對(duì)電源的各種波形進(jìn)行了測(cè)試，包括漏極電壓和電流、輸出電壓?jiǎn)?dòng)曲線(xiàn)、源電壓和漏極電流啟動(dòng)曲線(xiàn)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波等。通過(guò)這些波形測(cè)試，可以直觀地了解電源在不同工作狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。

6. 傳導(dǎo)EMI測(cè)試

在滿(mǎn)載情況下，對(duì)電源的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，電源的傳導(dǎo)EMI滿(mǎn)足CISPR22B / EN55022B標(biāo)準(zhǔn)，且有大于10 dB的裕量。

7. 線(xiàn)路浪涌測(cè)試

對(duì)電源進(jìn)行了差模和共模1.2/50 μs浪涌測(cè)試，輸入電壓設(shè)置為230 VAC / 60 Hz，輸出滿(mǎn)載。測(cè)試結(jié)果顯示，電源在所有測(cè)試條件下均能正常工作，表現(xiàn)出良好的抗浪涌能力。

六、總結(jié)

這款1.2 W非隔離雙輸出電源具有緊湊、輕便、低成本、低元件數(shù)量等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和精心的布局，實(shí)現(xiàn)了良好的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足不同的輸出要求。同時(shí)，通過(guò)各項(xiàng)性能測(cè)試，我們可以看到該電源在效率、電壓調(diào)節(jié)、熱性能、EMI和抗浪涌等方面都表現(xiàn)出色。那么，你在電源設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些類(lèi)似的挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。