1.2 W非隔離雙輸出電源設(shè)計解析

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，如何實現(xiàn)高效、穩(wěn)定且低成本的電源供應是工程師們一直關(guān)注的重點。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，具備獨特的拓撲結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的性能，適用于儀表等應用場景。

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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無負載輸入功率為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。在滿載時效率為52.7%，滿足加州能源委員會（CEC）/能源之星要求的平均效率為51.7%。

環(huán)境與安全參數(shù)

在傳導電磁干擾（EMI）方面，滿足CISPR22B / EN55022B標準；安全設(shè)計滿足IEC950、UL1950 Class II標準；差模浪涌為1 kV；環(huán)境溫度范圍為0 - 50 oC。

三、電路設(shè)計

1. 拓撲結(jié)構(gòu)選擇

此電源有兩種拓撲結(jié)構(gòu)可供選擇，通過跳線JP1來切換。當短接JP1的引腳1和2時，采用降壓派生拓撲，可提供 -5 V和 +7 V輸出；短接引腳2和3時，采用降壓拓撲，提供 +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輸入通過快速恢復二極管D1和通用二極管D4進行半波整流。快速恢復二極管有助于改善差模傳導EMI，二極管D4用于提供EMI噪聲門控，減少共模噪聲。輸入路徑中還包含一個可熔斷的防火電阻RF1，在發(fā)生災難性故障時會開路，且不會產(chǎn)生火焰或煙霧。同時，電容C1和C2提供大容量儲能，電感L1與電容形成π濾波器，進一步降低差模傳導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開關(guān)集成在同一器件中。它具有On/Off類型控制器，最大開關(guān)頻率為66 kHz，包含±4 kHz的頻率抖動以降低EMI，還具備700 V MOSFET。此外，該器件擁有輸出短路保護、開環(huán)故障保護、MOSFET電流限制保護和帶滯后的熱關(guān)斷等多種保護功能。它通過連接到旁路引腳（BP）的100 nF電容C3實現(xiàn)本地電源去耦。

輸出整流與濾波

在U1導通期間，電感L2中的電流線性上升，為負載和電容C5提供能量；U1關(guān)斷時，電感L2的電壓極性改變，使續(xù)流二極管D2正向偏置，電感中存儲的能量繼續(xù)為電容C5、負載和線性調(diào)節(jié)器供電。續(xù)流二極管D2應選用超快恢復二極管，如BYV26C，以提高效率。

反饋網(wǎng)絡

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

線性調(diào)節(jié)器

LinkSwitch - TN將電容C5兩端的電壓調(diào)節(jié)為12 V，為了得到第二個穩(wěn)壓輸出，使用了線性調(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的電壓相對于J5保持穩(wěn)定。在+5 V輸出滿載時，線性調(diào)節(jié)器的最大功耗可通過公式 (P{DQ 2}=V{CEQ 2} × I_{CO 2}) 估算。電阻R3設(shè)置通過VR1的偏置電流約為4 mA，同時作為12 V輸出的預載。

四、PCB布局

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

五、性能測試

1. 效率測試

在不同負載百分比下，分別測試了115 VAC和230 VAC輸入時的效率。從測試數(shù)據(jù)來看，隨著負載百分比的增加，效率有所下降，但在各種負載情況下，效率都能滿足一定的要求。雖然CEC標準不適用于此設(shè)計，但提供的數(shù)據(jù)可作為參考，未來可能會有更多地區(qū)采用類似標準。

2. 無負載輸入功率

測試了不同輸入電壓下的無負載輸入功率，結(jié)果顯示輸入功率隨著輸入電壓的變化而變化，在設(shè)計中需要考慮這一因素對整體功耗的影響。

3. 電壓調(diào)節(jié)

負載和線路調(diào)節(jié)

分別對12 V和5 V輸出進行了負載和線路調(diào)節(jié)測試。通過改變負載電流和輸入電壓，觀察輸出電壓的變化情況。測試結(jié)果表明，在不同的輸入電壓和負載條件下，輸出電壓的調(diào)節(jié)性能良好，能夠滿足設(shè)計要求。

線路調(diào)節(jié)

在滿載情況下，測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)保持相對穩(wěn)定。

4. 熱性能

在50 oC的環(huán)境溫度下，對電源的各個關(guān)鍵部件進行了熱性能測試。測試結(jié)果顯示，各部件的溫度在合理范圍內(nèi)，說明電源的散熱設(shè)計能夠滿足正常工作的要求。

5. 波形測試

對電源的各種波形進行了測試，包括漏極電壓和電流、輸出電壓啟動曲線、源電壓和漏極電流啟動曲線、負載瞬態(tài)響應和輸出紋波等。通過這些波形測試，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EMI測試

在滿載情況下，對電源的傳導EMI進行了測試。測試結(jié)果表明，電源的傳導EMI滿足CISPR22B / EN55022B標準，且有大于10 dB的裕量。

7. 線路浪涌測試

對電源進行了差模和共模1.2/50 μs浪涌測試，輸入電壓設(shè)置為230 VAC / 60 Hz，輸出滿載。測試結(jié)果顯示，電源在所有測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，通過合理的電路設(shè)計和精心的布局，實現(xiàn)了良好的性能和穩(wěn)定性。在實際應用中，工程師們可以根據(jù)具體需求選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)，以滿足不同的輸出要求。同時，通過各項性能測試，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)計中遇到過哪些類似的挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。