探索LinkSwitch-II系列：高效电源转换的理想之选

在电子工程师的日常工作中，电源设计是至关重要的一环。一个高效、稳定的电源不仅能确保设备的正常运行，还能提升整个系统的性能。今天，我们就来深入了解一下Power Integrations公司的LinkSwitch-II系列产品，看看它是如何在电源设计领域大放异彩的。

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产品亮点：简化设计，提升性能

LinkSwitch-II系列产品的最大亮点之一就是极大地简化了恒压/恒流（CV/CC）转换器的设计。它通过消除光耦合器和所有二次侧CV/CC控制电路，以及所有控制环路补偿电路，让电源设计变得更加简洁。这不仅减少了元件数量，降低了成本，还提高了系统的可靠性。

先进性能特性

• 参数补偿：该系列产品能够补偿变压器电感公差、输入线电压变化、电缆电压降（LNK61X系列）以及外部元件温度变化。通过采用专有的微调技术，它还能实现非常严格的IC参数公差，确保输出的稳定性。
• 降低EMI成本：频率抖动技术的应用大大降低了EMI滤波器的成本。同时，通过外部电阻选择/微调，还能实现更严格的输出公差。
• 灵活的开关频率：可编程的开关频率最高可达85 kHz，有助于减小变压器的尺寸，使电源设计更加紧凑。

先进保护/安全特性

• 自动重启保护：当出现输出短路和控制环路故障（元件开路和短路）时，自动重启保护功能可将输送的功率降低95%以上，确保系统的安全。
• 滞后热关断：自动恢复功能减少了现场电源的返修率，提高了产品的可靠性。
• 高电压爬电要求：在PCB和封装上，DRAIN引脚与所有其他引脚之间均满足高电压爬电要求，保障了产品的电气安全。

节能环保

LinkSwitch-II系列产品具有出色的节能性能，轻松满足所有全球能效法规。在230 VAC输入下，采用可选的外部偏置绕组时，空载功耗低于30 mW。ON/OFF控制可在轻负载下保持恒定的效率，非常适合CEC和ENERGY STAR 2.0法规。此外，该系列产品无需电流感测电阻，最大限度地提高了效率。

绿色封装

产品采用无卤素且符合RoHS标准的封装，符合环保要求，为可持续发展做出贡献。

产品应用：广泛覆盖各类充电设备

LinkSwitch-II系列产品的应用范围非常广泛，包括手机、无绳电话、PDA、MP3/便携式音频设备的充电器，适配器，LED驱动器等。其出色的性能和可靠性使其成为这些设备电源设计的理想选择。

功能描述：深入了解工作原理

整体架构

LinkSwitch-II将高压功率MOSFET开关与电源控制器集成在一个器件中。它采用ON/OFF控制来调节输出电压，同时通过调制开关频率来调节输出电流，实现恒流特性。该控制器由振荡器、反馈（传感和逻辑）电路、6 V稳压器、过温保护、频率抖动、电流限制电路、前沿消隐、电感校正电路、恒流调节频率控制和CV控制的ON/OFF状态机组成。

电感校正电路

如果初级磁化电感过高或过低，转换器会通过调整振荡器频率自动进行补偿。由于该控制器设计用于不连续导通模式，输出功率与设定的初级电感成正比，通过调整开关频率可以完全补偿其公差。

恒流（CC）操作

随着输出电压和偏置绕组上的反激电压增加，反馈引脚电压也会增加。开关频率会根据反馈引脚电压的增加进行调整，以实现恒定的输出电流调节。恒流电路和电感校正电路在CC区域同时工作。

恒压（CV）操作

当反馈引脚从恒流调节模式接近VFBU时，电源进入CV操作。此时开关频率达到最大值，对应于CC/CV特性的峰值功率点。控制器使用ON/OFF状态机调节反馈引脚电压，使其保持在VFEth。在轻负载时，电流限制也会降低，以减小变压器的磁通密度。

输出电缆补偿

该补偿功能可在CV模式下的整个负载范围内，在电缆末端提供恒定的输出电压。随着转换器负载从空载增加到峰值功率点（CV和CC之间的过渡点），通过增加反馈引脚参考电压来补偿输出电缆上的电压降。控制器根据状态机的输出确定输出负载，并确定正确的补偿程度。

自动重启和开环保护

当出现故障情况（如输出短路或开环情况）时，LinkSwitch-II会进入相应的保护模式。如果反馈引脚在反激期间的电压在反馈引脚采样延迟（约2.5 ms）之前降至0.7 V以下，且持续时间超过约450 ms（自动重启导通时间tAR-ON），转换器将进入自动重启模式，此时功率MOSFET将被禁用2秒（约18%的自动重启占空比）。此外，如果在导通周期的正向期间（开关“导通”时间）检测到的反馈引脚电流低于120 mA，转换器会将其视为开环情况，并将自动重启时间从450 ms缩短至约6个时钟周期（90 ms），同时保持2秒的禁用期。

过温保护

热关断电路会感测芯片温度，阈值设定为典型的142 °C，具有60 °C的滞后。当芯片温度超过该阈值时，功率MOSFET将被禁用，直到芯片温度下降60 °C，此时MOSFET将重新启用。

电流限制

电流限制电路会感测功率MOSFET中的电流。当电流超过内部阈值（ILIMIT）时，功率MOSFET将在该周期的剩余时间内关闭。前沿消隐电路会在功率MOSFET导通后的短时间（tLEB）内抑制电流限制比较器，以防止由电容和整流器反向恢复时间引起的电流尖峰导致MOSFET导通过早终止。LinkSwitch-II还包含“di/dt”校正功能，以最小化输入线范围内的CC变化。

6.0 V稳压器

6 V稳压器在MOSFET关断时，通过从DRAIN引脚的电压汲取电流，将连接到BYPASS引脚的旁路电容充电至6 V。BYPASS引脚是内部电源电压节点。当MOSFET导通时，器件依靠旁路电容中存储的能量运行。内部电路极低的功耗使LinkSwitch-II能够持续从DRAIN引脚汲取的电流中运行。1 mF或10 mF的旁路电容值足以实现高频去耦和能量存储。

应用示例：高效USB充电器电源设计

文档中给出了一个使用LNK613DG的高效USB充电器电源设计示例。该电路采用初级侧调节的反激式电源，平均效率为74%，空载输入功率小于30 mW，轻松满足最严格的当前能效要求。

输入滤波器

交流输入功率通过二极管D1至D4进行整流，整流后的直流由大容量存储电容C1和C2进行滤波。电感L1、C1和C2形成一个π滤波器，可衰减传导差模EMI噪声。这种配置结合Power Integrations变压器E-shield™技术，使该设计能够在不使用Y电容的情况下，以良好的裕度满足EMI标准EN55022 B类，即使输出连接到安全接地。熔断电阻RF1可防止灾难性故障，应选用合适的额定值（通常为绕线式），以承受首次连接到交流线路时输入电容充电时的瞬时功耗。

LNK 613初级

LNK613DG器件（U1）集成了功率开关器件、振荡器、CC/CV控制引擎、启动和保护功能。集成的700 V MOSFET在通用输入交流应用中提供了较大的漏极电压裕度，提高了可靠性，并通过允许更大的变压器匝数比降低了输出二极管的电压应力。该器件完全由BYPASS引脚和去耦电容C4自供电。对于LNK61X器件，旁路电容值还可选择输出电缆电压降补偿的程度。1 mF的值选择标准补偿，10 mF的值选择增强补偿。LNK60x器件不提供电缆降补偿。

输出整流

变压器的次级由D7（1 A、40 V肖特基势垒型）进行整流，以提高效率，并由C7进行滤波。如果对效率要求较低，可使用1 A PN结二极管以降低成本。在该应用中，C7的尺寸设计满足了所需的输出电压纹波规格，无需使用后置LC滤波器。为满足电池自放电要求，预载电阻已被串联电阻和齐纳网络（R8和VR1）取代。但在不需要此要求的设计中，可使用标准的1 kW电阻。

输出调节

LNK613在输出特性的恒压（CV）调节区域使用ON/OFF控制来调节输出，在恒流（CC）调节中使用频率控制。反馈电阻（R5和R6）选用标准的1%电阻值，以使标称输出电压和恒流调节阈值居中。

关键应用考虑因素

输出功率表

数据手册中的最大输出功率表代表了在以下假设条件下可获得的最大实际连续输出功率水平：

1. 最小直流输入电压在85 VAC输入时为90 V或更高。对于交流输入设计，输入电容的值应足够大以满足这些标准。
2. 次级输出为5 V，使用肖特基整流二极管。
3. 假设效率为70%。
4. 不连续模式操作（Kp > 1.3）。
5. 器件安装在电路板上，SOURCE引脚焊接到足够面积的铜上，以使SOURCE引脚温度保持在90 °C或以下。
6. 开放式框架设计的环境温度为50 °C，适配器设计的内部外壳温度为60 °C。

输出公差

LinkSwitch-II在CV操作中，输出电压的整体输出公差（包括线路、元件变化和温度）为±5%；在CC操作中，输出电流的整体输出公差为±10%，适用于P/G封装在0 °C至100 °C的结温范围内。对于D封装（SO8），由于制造流程（如波峰焊或红外回流焊）引起的应力，可能会出现额外的CC变化。建议进行样品电源构建以验证每个设计的生产公差。

BYPASS引脚电容选择

• LinkSwitch-II 60x系列器件（无输出电缆电压降补偿）：建议使用1 mF的BYPASS引脚电容，电容电压额定值应大于7 V，电容的介电材料不重要，但电容公差应≤±50%。电容必须物理上靠近LinkSwitch-II的BYPASS引脚。
• LinkSwitch-II 61x系列器件（有输出电缆电压降补偿）：可通过BYPASS引脚电容的值选择输出电缆补偿的程度。1 mF的值选择标准电缆补偿，10 mF的电容选择增强电缆补偿。电容可以是陶瓷或电解电容，但公差和温度变化应≤±50%。输入到PIXls设计电子表格的输出电压是电源在提供最大功率时输出电缆末端的电压。电源端子处的输出电压是电缆末端测量值乘以输出电压变化因子。

布局考虑因素

• 电路板布局：LinkSwitch-II是高度集成的电源解决方案，将控制器和高压MOSFET集成在一个芯片上。由于存在高开关电流和电压以及模拟信号，遵循良好的PCB设计实践对于确保电源的稳定和无故障运行尤为重要。
• 单点接地：在输入滤波电容的负极端子处使用单点（开尔文）连接，用于LinkSwitch-II的SOURCE引脚和偏置绕组返回。这通过将偏置绕组的浪涌电流直接返回到输入滤波电容来提高浪涌能力。
• 旁路电容：BYPASS引脚电容应尽可能靠近SOURCE和BYPASS引脚放置。
• 反馈电阻：将反馈电阻直接放置在LinkSwitch-II器件的FEEDBACK引脚处，以最小化噪声耦合。
• 热考虑：连接到SOURCE引脚的铜面积为LinkSwitch-II提供散热。一般估计LinkSwitch-II将消耗输出功率的10%。提供足够的铜面积以保持SOURCE引脚温度低于90 °C。只有在输出电流（CC）公差高于±10%可接受的情况下，才允许更高的温度。在这种情况下，建议SOURCE引脚的最大温度低于110 °C，以考虑器件间RDS(ON)变化的余量。
• 次级环路面积：为了最小化漏感和EMI，应最小化连接次级绕组、输出二极管和输出滤波电容的环路面积。此外，应在二极管的阳极和阴极端子处提供足够的铜面积用于散热。建议在安静的阴极端子处使用较大的面积，较大的阳极面积可能会增加高频辐射EMI。
• 静电放电火花间隙：在隔离屏障上放置一条走线，形成火花间隙的一个电极。次级上的另一个电极由输出返回节点形成。火花间隙将ESD能量从次级引导回交流输入。从交流输入到火花间隙电极的走线应与其他走线保持一定距离，以防止不必要的电弧和可能的电路损坏。
• 漏极钳位优化：LinkSwitch-II通过感测初级侧的反馈绕组来调节输出。当内部MOSFET关断时，反馈绕组上出现的电压是次级绕组电压的反射。因此，任何漏感引起的振铃都可能影响输出调节。优化漏极钳位以最小化高频振铃将获得最佳的调节效果。

快速设计检查表

在进行LinkSwitch-II设计时，应在实验台上验证所有设计，以确保在最坏情况下组件规格不会超出。强烈建议进行以下最低限度的测试：

1. 最大漏极电压：验证在最高输入电压和最大输出功率下，峰值VDS不超过680 V。
2. 最大漏极电流：在最大环境温度、最大输入电压和最大输出负载下，验证启动时的漏极电流波形，检查是否有变压器饱和和过大的前沿电流尖峰的迹象。LinkSwitch-II具有170 ns的前沿消隐时间，以防止导通周期过早终止。
3. 热检查：在最大输出功率、最小和最大输入电压以及最大环境温度下，验证LinkSwitch-II、变压器、输出二极管和输出电容的温度规格是否未超出。应根据数据手册中规定的LinkSwitch-II的RDS(ON)的器件间变化，留出足够的热余量。为确保10%的CC公差，建议SOURCE引脚的最大温度为90 ºC。

总结

LinkSwitch-II系列产品以其简化的设计、先进的性能特性、出色的保护功能和节能环保的特点，为电子工程师提供了一个高效、可靠的电源解决方案。无论是在充电设备、适配器还是LED驱动器等应用中，它都能发挥出卓越的性能。在设计过程中，充分考虑输出功率、输出公差、BYPASS引脚电容选择和布局等关键因素，并按照快速设计检查表进行验证，将有助于确保设计的成功。你在使用LinkSwitch-II系列产品时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。