使用進階切換 IC 實作高效、功能豐富的低功率 AC/DC 電源

大約 10 W 或更低的低功率 AC/DC 電源廣泛用於家用調光器、開關、感測器、電器、物聯網 (IoT) 和工業控制。其工作週期相對較低，且負載長時間處於待機模式，但當裝置啟動時，電源必須快速「喚醒」。

從概念上來看，設計這樣的電源很簡單：一開始只要幾個線路整流用的二極管，接著添加一個控制器 IC，將濾波電容放在輸出端，如果需要隔離，就插入一個變壓器，任務就算完成了。然而，儘管看似簡單，但打造這些電源的實際情況則大不相同。

必須提供基本功能，以便達到穩定的 DC 輸出軌，更要符合多種嚴格的法規要求，以確保使用者安全、負載效率和待機效率。此外，設計人員還必須考量實體佈局、支援元件、可靠性、效能評估、認證和封裝問題，也要盡力將佔地面積和成本降至最低，同時滿足較短的上市週期。

本文將介紹 Power Integrations 的一系列高整合度離線式切換控制器 IC，並且展示如何利用這些 IC 來應對這些挑戰。

整合式 MOSFET 和控制器 IC

Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列由 8 個不同的離線式切換控制器 IC 組成，將 725 V 功率 MOSFET 開關與電源控制器集結在單一裝置中，並採用 SO-8C 封裝。每個單晶片 IC 都具有優異的突波耐受能力、振盪器、用於自偏壓的高壓切換式電流源、頻率抖動、快速 (逐週期) 電流限制、遲滯熱關斷，以及輸出和輸入過壓保護電路。

依據所選的導通模式，這些裝置可以使用輸出電流為 225 mA 或 360 mA 的 LNK3306D-TL 構成非隔離式佈局的核心，例如降壓轉換器設計 (圖 1)。更可配置成非隔離式降壓升壓電源供應器，提供高達 575 mA 的輸出電流。

圖 1：這種採用 LinkSwitch 系列成員的典型非隔離式降壓轉換器設計，是使用這些裝置可達成的眾多可能拓撲之一。(圖片來源：Power Integrations)

雖然有些負載經過雙重絕緣或以其他方式保護而不受 AC 線路故障影響，因此不需要電流隔離，但有些裝置則需要電流隔離。在此情況下，在通用輸入的隔離式返馳設計中使用 LinkSwitch-TNZ 裝置會是更好的選擇。在該拓撲中，此裝置可提供高達 12 W 的輸出功率。

LinkSwitch-TNZ 系列的 IC 可提供不同的輸出電流和功率容量，視拓撲而定 (表 1)。

表 1：LinkSwitch-TNZ 系列可支援多種配置、拓撲和工作模式。每種配置都有不同的最大輸出電流或功率限制。(圖片來源：Power Integrations)

從概念到實作

LinkSwitch-TNZ 系列具有高整合度和靈活性，可簡化設計人員的工作。要開發通過認證、可運送的電源設計會面臨諸多挑戰，包括：

1. 與效率和安全相關的嚴格強制性要求。由於需要在待機模式下提供電力，同時仍要符合嚴格的待機能源效率規定，因此開發上會更加困難。LinkSwitch-TNZ IC 提供同級最佳的輕度負載效率，不只能供電給更多系統功能，還符合相關的待機規範，包括：
   • 歐盟委員會 (EC) 家用電器標準 (1275)，其要求設備在待機或關閉模式下的耗電量不得超過 0.5 W
   • 智慧家庭能源管理系統 (SHEMS) 的能源之星 1.1 版，其針對智慧照明控制裝置，將待機功耗限制為 0.5 W
   • 中國的 GB24849，其針對微波爐的關閉模式將功耗限制在 0.5 W

除了符合這些要求，LinkSwitch-TNZ IC 比起獨立式設計，更減少 40% 以上的元件數量。LinkSwitch-TNZ 切換式電源 IC 可在線路和負載之間達到 ±3% 的調節，可利用外部偏壓達到低於 30 mW 的空載功耗，且 IC 的待機電流低於 100 µA。

2. 可安全支援雙線 AC 線路連接，無需中性線和三線連接。許多負載，如調光器、開關和感測器，都沒有第三條線，因此有漏電流過大和潛在危險的風險。該標準制訂了多種情況下的最大洩電流，而 LinkSwitch-TNZ 在雙線、無中性線的設計下，漏電流低於 150 µA，因此低於標準的最大值。
3. 不超過電磁干擾 (EMI) 排放限制。為了達到這個目標，LinkSwitch-TNZ 振盪器採用展頻技術，在標稱 66 kHz 切換頻率附近引進 4 kHz 的少量頻率抖動 (圖 2)。頻率抖動的調變速率設定為 1 kHz，藉此針對平均和準峰值的排放達到最佳化的 EMI 降低效果。

圖 2：為了將 EMI 排放維持在法規限制內，LinkSwitch-TNZ 振盪器採用展頻技術，在標稱 66 kHz 切換頻率附近引進 4 kHz 展頻。(圖片來源：Power Integrations)

4. 以最少的額外元件或功耗偵測 AC 線路的零交越。電燈開關、調光器、感測器和插頭都需要這個偵測功能，這些元件會使用繼電器或三端雙向可控矽開關元件定期連接和斷開 AC 線路。

智慧家庭和大樓自動化 (HBA) 產品和電器會使用零交越訊號來控制切換，以便將切換應力和系統湧入電流降至最低。

同樣地，電器通常會使用離散式零交越偵測電路來控制馬達和微控制器單元 (MCU) 的時序。這些應用還需要一個輔助電源，用於無線連線、閘極驅動器、感測器和顯示器。

為了達到這一點，通常會採用離散式電路來偵測 AC 線路零交越，以控制主電源裝置的導通轉換，同時降低切換損耗和湧入電流。此作法需要許多元件而且損耗非常大，有時幾乎會消耗待機功率預算的一半。

相反地，LinkSwitch-TNZ IC 提供準確的訊號，這表示正弦 AC 線路的電壓為 0 V。LinkSwitch-TNZ 的零交越偵測功耗低於 5 mW，因此能讓系統降低待機功率損耗，反之其他作法則需要 10 個或更多的離散式元件，且會耗散 50 至 100 mW 連續功率。

然後要考量 X 電容

線路 EMI 濾波器包括 X 類和 Y 類電容，可將 EMI/RFI 的產生降至最低。這些電容會直接連接 AC 線路與 AC 中性線的 AC 電力輸入 (圖 3)。

圖 3：要達到 EMI 濾波，必須在 AC 線路上使用 X 類和 Y 類濾波電容，但線路斷開後，必須對 X 類電容器進行控管，以確保使用者安全。(圖片來源：www.topdiode.com)

根據安全規定，在 AC 線路斷開時，EMC 濾波器中的 X 電容必須放電，以確保儲存的電壓和能量在切斷後不會長時間留在線路上。可允許的最大放電時間受到 IEC60950 和 IEC60065 等業界標準約束。

確保必要的放電會發生，傳統作法是在 X 電容上以並聯方式添加洩放電阻。但這個作法會帶來功率耗損。更好的解決方案是納入一個 X 電容放電功能，並搭配使用者可設定的時間常數。LNK3312D-TL 等 IC 就採用這種作法。如此一來就可縮小印刷電路板 (PCB) 空間，減少物料清單 (BOM) 並提高可靠性。

電源和轉換器需要多種保護功能。LinkSwitch-TNZ 系列 IC 中的所有裝置均內含以下：

• 緩啟動功能會在啟動時限制系統元件應力
• 短路和開路故障時會自動重啟
• 輸出過壓保護
• 線路輸入過壓保護
• 磁滯過溫保護

從 IC 到完整設計

若僅有單一個 IC，無論多優異或功能多豐富，都稱不上完整、隨時可用的 AC/DC 轉換器，因為許多元件都無法也不應該整合到此裝置中。包括大容量濾波電容、旁路電容、電感、變壓器和保護元件。以 LNK3302D-TL 裝置為基礎，搭載零交越偵測器的非隔離式通用輸入、6 V、80 mA 恆定電壓電源供應器，就具有外部元件的需求 (圖 4)。

圖 4：以 LNK3302D-TL IC 為基礎，具有零交越偵測器的完整、安全非隔離式通用輸入、6 V、80 mA 恆定電壓電源供應器所需的外部元件。(圖片來源：Power Integrations)

此外，針對沿面距離與淨空距離等屬性，也有維護安全的最小尺寸。接下來的問題就是開發完整設計涉及的難度。LinkSwitch-TNZ IC 系列可簡化此工作。例如，使用 66 kHz 切換頻率，就只需要眾多廠商皆可提供的現成標準型磁性元件即可。此外，Power Integrations 也有提供公版設計。

若有需要隔離式電源，RDK-877 公版設計 (圖 5) 是一款以 LNK3306D-TL 為基礎且具有零交越偵測功能的 6 W 隔離式返馳式電源供應器。

圖 5：6W 的 RDK-877 公版設計以 LNK3306D-TL 為基礎，可提供返馳式拓撲的隔離功能。(圖片來源：Power Integrations)

此電源的輸入範圍介於 90 V_AC 至 305 V_AC，輸出為 12 V、500 mA，且在整個 AC 線路範圍內的空載功耗低於 30 mW。待機模式下可提供超過 350 mW 的功率，而主動模式下的效率符合 DOE6 和 EC CoC (v5) 的要求，在標稱負載下的滿載效率高於 80%。此設計還符合 EN550022 和 CISPR-22 B 類傳導 EMI 要求。

結論

設計和實作低功率的 AC/DC 電源可能看似微不足道。但實際上，為了符合效能和效率的目標、安全和法規要求，以及成本、佔地面積和上市時間的要求，這項工作也有所挑戰。切換 IC，例如 Power Integrations 的 LinkSwitch-TNZ 系列複合式控制器和 MOSFET 中的切換 IC，就可大幅簡化此工作。這些 IC 可支援不同的功率位準，並可搭配多種電源拓撲使用，同時整合了零交越偵測和 X 電容放電等基本功能。