SMPS技术挑战线性变压器在低功率充电器设计中的主导地位

基于线性变压器的电池充电器因其低成本一直是低功率应用的“首选解决方案”，但一种称为LinkSwitch的新型开关电源转换器IC正在挑战低功率线性充电器的主导地位。由于LinkSwitch可以线性变压器的成本提供开关转换器性能，因此它的出现为目前主流的基于低成本线性变压器的充电器设计带来了真正的挑战。

LinkSwitch源自业界对空载和待机功耗的新期待。据不完全统计，大约5%到10%的生活用电消耗在已连通交流电源但却并不使用的电器产品的待机和空载功耗上。世界各国目前已经或正在对降低待机和空载功耗提出新的要求，但线性解决方案无法以很高的成本效益来满足这些新要求。而采用EcoSmart技术的LinkSwitch系列产品却能够将待机和空载功耗降至最低。因此，LinkSwitch势将成为取代线性充电器的首选解决方案。

LinkSwitch的主要特性

输出恒压/恒流(CV/CC)容差：基于LinkSwitch解决方案的所有产品系列均有±10%左右的输出电压VO变化；在电流方面，LNK-500有±25%的电流变化，LNK-501是±20%。这些数字包括所有无源元件以及LinkSwitch器件的容差。该电流容差(±25%和±20%)基于被限制在±10%以内的变压器初级绕组的电感容差。另外，当电路未接负载时，VO通常比满负载标称电压高出40%。这可很容易地通过一两个mA的预加载电流来抵消。

LinkSwitch解决方案

LinkSwitch电路的简单性使得你能快速完成初始设计，然后你可搭建一个原型来验证其性能。测试结果可用来对设计进行精细调整。图2给出了一个初始设计的关键参数和初选元件值。PI Expert电源设计软件可提供一个LinkSwitch设计计算数据表。

完成一个LinkSwitch设计需要九个步骤。下面用一个5.5V/0.5A的电源为例来说明这些设计步骤。

步骤1：选择反射输出电压V_OR

变压器的匝数比取决于输出电压(V_OR)对变压器初级绕组的反射。在本例中，设计数据表中的缺省值设定为50 V。

步骤2：计算次级电压

计算变压器匝数比需要知道次级绕组电压。为使理想的V_O电压加到负载上，必须考虑所有次级压降，这包括：次级绕组压降(V_RSEC)；输出二极管压降(V_DOUT)和输出线缆压降(V_RCABLE)。V_RSEC和V_DOUT用次级蜂值电流计算。V_RCABLE由标称输出电流得出。次级蜂值电流I_SEC(pk)定义为：

I_SEC(pk) = I_PRI(pk) × N_P/N_S，其中，I_PRI(pk) ≈I_LIM (LinkSwitch的最大漏电流)

I_SEC(pk)的一个安全初估值可为4 × I_O。将如下数值作为初选值：

R_SEC = 0.15Ω；V_DOUT = 0.7 V (肖特基)或 1.1 V (PN结二极管)；R_CABLE = 0.3Ω。

V_RCABLE = 500 mA × 0.3Ω = 0.15 V；V_RSEC = 2A × 0.15 Ω = 0.3 V；V_SEC = (V_O) 5.5 V + 0.15 V + 0.3 V + 0.7 V = 6.65 V。

步骤3：计算变压器匝数比

变压器匝数比由下式得出：N_P/N_S = V_OR/V_SEC = 50/6.65 = 7.52 比 1

步骤4：计算变压器功率

在蜂值功率点，由变压器转移的功率P_O(EFF)由下式给出：

P_O(EFF) = 1/2 × L_P × [I²_P × fs]

其中，L_P是标称变压器初级绕组电感；I_P即LinkSwitch的参数I_LIM；fs是开关频率。

有效输出功率PO(EFF)为实际输出功率(P_O)与下列耗损功率(线缆损耗P_CABLE、二极管损耗P_DIODE、LinkSwitch偏流损耗P_BIAS、次级绕组铜损耗P_S(CU)与变压器核损耗P_CORE)之和。

P_O = V_O ×I_O = 5.5 V × 500 mA = 2.75 W

P_CABLE = R_CABLE×I²_O = 0.3Ω × (500 mA)² = 75 mW,

P_DIODE = V_DOUT × I_O = 350 mW

P_BIAS = V_OR ×I_DCT = 50 V × 2.3 mA = 115 mW

P_CORE = K_CORE ×V_E / 2 = 采用一个100 mW 的估算值。

P_O(EFF) = P_O + P_CABLE + P_DIODE + P_BIAS + P_S(CU) + P_CORE/2

P_O(EFF) = 2.75W + 75 mW + 350 mW + 115 mW + 100 mW = 3.39 W

步骤5：计算变压器初级绕组电感

标称初级电感(L_P(NOM))由下式算出：

L_P(NOM) = (2 ×P_O(EFF) / [I²_P × fs]) × ΔL, ((2 × 3.39 W) / 2710) × 1.05 = 2.63 mH

这里，[I²_P × fs]是由数据手册给出的典型值(2710)；ΔL是补偿在靠近磁化(BH)曲线顶部出现的电感衰减的一个系数。

步骤6：设计变压器

每一伏输出电压，通常需要2到3匝的次级绕线。初步估算时，选2.5匝。

N_S = V_SEC × 2.5 = 6.65 V × 2.5 = 16.625 (饶线时取17匝)

N_P = V_OR / V_SEC ×N_S = 50 V / 6.65 V × 16.625 = 125匝

核磁通密度由下式给出：

BM以毫泰斯拉(mT)表示，BM = (I_P(mA) × L_P(uH)) / (N_P × A_e(mm2))，BM = (267 mA × 2 630 uH) / (125 × 17.1) = 323 mT

这里，I_P是器件极限电流，以mA表示；L_P是初级电感，以μH计；A_e是核有效截面积（由核制造商数据手册给出），以mm2表示。核磁通密度应在300 到 350 mT之间。

用无间隙核的相对导磁率(μr)计算间隙尺寸。计算相对导磁率的公式为：

μr = (A_L(nH/t2) × L_e(cm)) / (4π × A_e(cm2))

(1 130 × 3.02) / (4 π × 0.171) = 1 588

其中，A_L(nH/t2)是无间隙有效电感；L_e是有效核路径长度，以cm表示(在芯核制造商数据手册列出)。

间隙长度由下列公式算出：

L_g (μm) = [((0.4π ×N²_P ×A_e (mm2)) / L_P(uH)) - (L_e (μm) / μr)]

L_g (μm) = [((0.4π × 15 625 × 17.1) / 2 630) - (30 200 / 1 588)] =

L_g (μm) = [( 335 757.7148 / 2,630) - ( 19.017 632 24 )] =

L_g (μm) = [ 127.664 530 3 - 19.017 632 24 ] = 108.65 μm

步骤7：选取反馈电阻R_FB值

反馈电阻决定注入LinkSwitch的控制管脚的电流，具有为整个芯片供电和控制场效应晶体管占空系数的功用。计算R_FB需要知道V_OR。而计算V_OR又要先算出次级电压V_SEC。计算V_SEC又需提前弄清次级蜂值电流(I_SEC(peak))。而(I_SEC(peak))是由变压器匝数比和最大初级蜂值电流(I_LIM)决定的：

I_SEC(peak) = N_P / N_S × I_LIM(peak), (125 / 17) × 0.267 = 1.96 A

V_SEC = V_O + V_RCABLE + V_DOUT + V_RSEC

V_SEC = V_O + (I_O × R_CABLE) + V_DOUT + (I_SEC(peak) × R_SEC)

V_SEC = 5.5 V + (0.5 A × 0.3) + 0.7 V + (1.96 A × 0.15) = 6.644 V

现可算出V_OR：

V_OR = (N_P / N_S) × V_SEC = (7.35) × 6.644 V = 48.85 V

R_FB将钳位或反馈电压(V_FB)转换为LinkSwitch的偏流功耗和控制电流。V_FB通过在V_OR上增加由漏电感引入的误差电压(V_LEAK)而得出。对V_LEAK来说，5V是一个好的估计值。因此：

V_FB = V_OR + V_LEAK = 48.85 V + 5 V = 53.85 V

R_FB的初选值由V_FB和由在LinkSwitch的数据手册中给定的蜂值功率点状态下控制脚电压(V_C(IDCT))和电流(I_DCT)算出。

R_FB = (V_FB -V_C(IDCT)) / I_DCT = (53.85 V - 5.75 V) / 2.3 mA = 20913 Ω

在精度为1%的标准电阻中，选用最接近其值的20.5 kΩ这种电阻。

步骤8：搭建和测试第一个原型

由于某些元件值需要根据测试结果来作出经验判断，因此应当设计、搭建和测试一个初始原型来进行设计评估。

步骤9：基于测试结果对设计进行必要改进

结论

LinkSwitch是一种效率更高的开关型充电器解决方案，并正被证明是一种替代低功率、无稳压、基于线性变压器的充电器的高成本效益方法。

John Jovalusky

Technical Marketing Engineer

Power Integrations Co.