LinkZero-Ax零待机功耗集成离线式转换开关

摘要：LinkZero-AX芯片集成了电源控制器和一个700V的功率MOSFET开关，经简单配置而成的隔离或非隔离辅助电源，通过简单开／关控制调整输出电压，在待机／掉电模式下的功耗小于3mW，乃至接近于零。
关键词：LinkZero-AX；Link584；离线式开关；辅助电源；零待机功耗

    LinkZero-AX是Power Integrations公司推出的一种零待机功耗集成离线转换开关(型号为LNK584)。该器件在同一芯片上集成了一个700V的功率MOSFET和一个电源控制器。器件控制器不同于传统PWM控制器采用的控制方法，而是利用简单的开／关控制来调节电源的输出电压。LinkZero-AX主要用作设计隔离或非隔离式通用AC输入辅助与待机电源，在325V的DC高压输入时的待机和掉电(Power Down，PD)状态下的功耗小于3mW。IEC62320第4．5条规定待机功耗小于5mW时可视为零损耗，因此LinkZero-AX是一种零待机功耗器件，完全满足全球的能效规范。

1 LinkZero-AX的引脚功能和主要特点
1．1 引脚功能
    LinkZero-AX采用C封装(SMD-8C)和D封装(SO-8C)，不含铅和卤素，满足RoHS指令要求。图1为器件两种封装型式的引脚配置。

    LinkZero-AX的各个引脚功能分别如下所述。
    漏极(D)引脚：功率MOSFET漏极连接端，为启动、稳态操作以及掉电(PD)模式操作向内部提供工作电流。
    旁路／多功能(BP／M)引脚：该引脚为内部产生的5．85V的电源连接一个至少是0．1μF的旁路电容。0．1μF的电容为内部电路操作，对于进入掉电模式要求更大容量的电容。如果该引脚上的电压上升到6．45V以上，过电压保护(OVP)功能将使功率MOSFET停止开关。
    反馈(FB)引脚：在正常操作期间，该引脚控制MOSFET的玎关。当该引脚上的电压高于内部1．70V的参考电压时，MOSFET开关则被禁止。一旦该引脚上的电压降至0．9V以下，器件将进入自动重启动模式。
    源极(S)引脚：该引脚是功率MOSFET的源极连接端，同时也是BP引脚和FB引脚电压的地参考。[!--empirenews.page--]
1．2 主要特点
    LinkZero集成了非传统PWM的电源控制器和一个700V的功率MOSFET，适合用作设计超低功耗的隔离式或非隔离式待机和辅助电源，输出功率为3W。系统配置仅需要非常少量的外部元件，满足全球通用AC输入允许宽范围操作要求，并可以去除钳位电路。器件的频率抖动特性大大地降低了输入EMI滤波器成本，增大的封装爬电距离可提高系统的可靠性。简单的开／关控制技术无需环路补偿，初级侧调节解决了低成本高效替代非调节线性变压器和其他开关电源(SMPS)的方案。
    LinkZero-AX的漏极提供启动和操作功率，存230V的AC输入下的待机／掉电(DD)功耗低于3mW，满足全球能效规范。存掉电模式，由系统微控制器或红外控制器提供触发信号，关断内部开关控制电路，但旁路(BP)引脚仍可提供500μA的电流，为系统唤醒提供支持。
    LinkZero-AX的保护功能包括电流限制、输出功率限制、过温度保护以及短路和开环故障情况下的自动重新启动等。

2 LinkZero-AX的功能与工作原理
    LinkZero-AX含有一个700V的功率MOSFET和一个控制器。其控制器南振荡器、反馈电路、5．85V的稳压器、BP引脚欠压保护电路以及过温度保护、频率抖动、电流限制电路等组成如图2所示。控制器还含有一个专门的掉电模式，能将待机功耗减小到大多数功率仪表不可计量的电平。

2．1 供电电源
    DC高压直接从LinkZero-AX的漏极(D)引脚施加。在漏极端内部有一个5．85V的稳压器，在BP引脚外部连接一个0．1μF的旁路电容。当MOSFET关断时，从漏极引脚汲取电流对旁路电容充电。当MOSFET导通时，在旁路电容中的储能释放。器件内部低功耗电路允许从漏极引脚汲取电流连续工作。[!--empirenews.page--]
2．2 振荡器
    振荡器频率平均值设置在100kHz，一个内部电路检测开关占空比并调节振荡频率。在低线路电压长导通期间，频率将超过100kHz；在高线路电压短导通期间，振荡频率约为78kHz。通过频率调整，在整个AC输入电压范围内，可以使峰值功率点恒定。振荡器产生指示开关周期开始的最大占空比DCMAX信号和时钟信号。
    为了衰减EMI，振荡器引入小量的频率抖动，典型值为开关频率的6％，频率抖动调制速率设置在1kHz。频率抖动与振荡器频率成正比，并在漏极端电压波形下降沿上被测量。
2. 3 掉电(PD)模式
    当跳过160个开关周期时，器件内部振荡器将进入到掉电模式。当FB引脚利用外部的掉电脉冲信号(≥2．5ms)或因轻载状态被拉高时，将发生掉电模式，开关完全被禁止，器件在超低功耗下操作。当通过一个开关将BP引脚上电压拉低到1．5V以下时(见图3)，器件被唤醒或者复位，BP引脚上电容被再充电。当旁路电容被充电到门限电平VBP(5．85V)时，器件则进入正常操作。

2．4 反馈输入电路恒压(CV)模式
    反馈输入电路的参考电压为1．70V，当FB引脚上的电压达到1．70V时，在反馈电路输出上则产生一个低逻辑电平(禁止)，并且在每一个周期开始时被采样。如果反馈电路输出高电平，MOSFET则导通(使能)，否则关断(禁止)。由于采样在每一个周期开始时完成，在剩余周期部分被忽略期间，引脚FB上的电压将发生变化。
2．5 全方位保护
    (1)输出功率限制
    当FB引脚上的电压满载并降至1．70V以下时，将自动启动0．9V的门限电压，振荡器频率降低40％，该功能限制电源输出电流和功率。
    (2)BP引脚欠电压／过电压保护
    当器件BP引脚上电压洚至4．85V以下时，功率MOSFET则停止开关。当BP引脚上电压上升到5．85V时，功率MOSFET将导通使能。
    如果器件引脚BP上电压升至6．45V以上，锁存器将置位，MOSFET则停止开关。为复位锁存器，引脚BP上的电压必须拉低到1．5V以下。
    (3)过温度保护
    当芯片温度超过142°时，功率MOSFET被禁止运行。一旦芯片温度降至72℃以下，MOSFET重新使能。
    (4)电流限制
    器件的电流限制电路检测MOSFET电流，一旦该电流超过内部门限电平，MOSFET将截止。在MOSFET导通后265ns的短时间内，前沿消隐(LE B)电路禁止电流限制比较器操作。前沿消隐时间(265ns)保证电容和整流二极管反向恢复期间引起的电流尖峰不会过早终止MOSFET导通。
    (5)引脚FBh的开环保护
    当检测到在器件引脚FB上的开环故障时，内部电流源将引脚FB上的电压上拉到1．70V以上，器件则停止开关，并在160个周期之后进入掉电模式。
    (6)自动重启动
    当出现输出短路等故障时，LinkZero-AX则进入自动重启动操作。每当引脚FB上的电压超过0．9V的自动重启动门限时，振荡器复位，内部计数器计时。如果FB引脚上电压低于0．9V持续时间长于145ms到1.70ms(取决于AC线路电压)，MOSFET将停止开关。在典型12％的占空比上，自动重启动使MOSFET开关交替使能和禁止，直到故障解除为止。
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3 LinkZero-AX的应用电路实例
    图4所示为一种利用LinkZero-AX(型号为LNK508DC)的典型非隔离式5V、300mA输出辅助电源电路。

    该图所示电路的AC输入电压范围为85～265V，电路输入端上的RF1为阻燃可熔电阻，VD1～VD4组成桥式整流器，C1、C2和L3组成П型输入滤波器。U1的频率抖动特性消除了Y电容或共模电感器。与L3相并联的电阻R2用作阻尼电感和电容产生的谐振，RF1用作限制浪涌电流。
    变压器T1二次侧上的VD6为整流器，L4、C6和C8组成滤波电路，R8和C4用作抑制高频传导和EMI辐射。R13为预负载电阻，为电容放电提供通路。
    输出电压经R9和R3检测并反馈至U1的FB引脚，电容C7用作高频滤波。为保持输出电压调节，通过反馈控制U1内MOSFET的导通和关断。如果U1引脚FB上的电压超过1．7V的门限，开关周期则被跳越。当在FB引脚上的电压低于1．7V的禁止电平时，开关周期则重新使能。通过调节使能到禁止开关周期之比，可实现对输出电压的调节。当负载增加超过输出峰值功率点时，所有开关周期使能。随着输出电压回落，U1引脚FB上的电压开始降低。为限制过载功率，开关频率也将会降低。当FB引脚上的电压降至0．9V的门限电平以下时，系统将进入自动重启模式。在自动重启动模式，电源关断约1．2s，然后再导通约170ms。在输出短路和开环故障情况下，自动重启动功能可将交付的功率减小85％以上。
    晶体管VT1、电阻R10、R12和R16组成掉电(PD)置位电路。当在PD置位端施加一个大于等于2．5ms的脉冲，通过VT1和R16等拉高U1引脚FB上的电压或当输出轻载时，在跳越160个开关周期后，系统将进入掉电模式，LinkZero-AX则停止开关。如果在PD复位端施加一个脉冲信号使晶体管VT2导通，或者将机械开关SW1闭合，都会将U1引脚PD上的电压下拉到1．5V以下，U1将进入复位或唤醒模式。PD置位或复位信号可由系统微控制器提供。

4 结束语
    LinkZero-AX芯片集成了一个700V的功率MOSFET和一个电源控制器，用其可以设计待机功耗小于3W的辅助电源，满足全球的能效规范。利
用系统微控制器信号可以触发掉电模式，有效关闭电源。利用按键开关或复位脉冲可使器件掉电模式复位／唤醒。LinkZero-AX在与CAPZero零损耗电容自动放电IC和SENZero零损耗高压检测信号断接IC结合使用，能使大功率电源的待机功耗降至5mW，甚至接近于零。