SMPS技術(shù)挑戰(zhàn)線性變壓器在低功率充電器設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)地位
出處：一級(jí)菜鳥 發(fā)布于：2007-12-20 16:44:24
基于線性變壓器的電池充電器因其低成本一直是低功率應(yīng)用的“解決方案”，但一種稱為LinkSwitch的新型開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器IC正在挑戰(zhàn)低功率線性充電器的主導(dǎo)地位。由于LinkSwitch可以線性變壓器的成本提供開關(guān)轉(zhuǎn)換器性能，因此它的出現(xiàn)為目前主流的基于低成本線性變壓器的充電器設(shè)計(jì)帶來了真正的挑戰(zhàn)。
LinkSwitch源自業(yè)界對(duì)空載和待機(jī)功耗的新期待。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約5%到10%的生活用電消耗在已連通交流電源但卻并不使用的電器產(chǎn)品的待機(jī)和空載功耗上。世界各國目前已經(jīng)或正在對(duì)降低待機(jī)和空載功耗提出新的要求，但線性解決方案無法以很高的成本效益來滿足這些新要求。而采用EcoSmart技術(shù)的LinkSwitch系列產(chǎn)品卻能夠?qū)⒋龣C(jī)和空載功耗降至。因此，LinkSwitch勢(shì)將成為取代線性充電器的解決方案。
LinkSwitch的主要特性
輸出恒壓/恒流(CV/CC)容差：基于LinkSwitch解決方案的所有產(chǎn)品系列均有±10%左右的輸出電壓VO變化；在電流方面，LNK-500有±25%的電流變化，LNK-501是±20%。這些數(shù)字包括所有無源元件以及LinkSwitch器件的容差。該電流容差(±25%和±20%)基于被限制在±10%以內(nèi)的變壓器初級(jí)繞組的電感容差。另外，當(dāng)電路未接負(fù)載時(shí)，VO通常比滿負(fù)載標(biāo)稱電壓高出40%。這可很容易地通過一兩個(gè)mA的預(yù)加載電流來抵消。
LinkSwitch解決方案
LinkSwitch電路的簡(jiǎn)單性使得你能快速完成初始設(shè)計(jì)，然后你可搭建一個(gè)原型來驗(yàn)證其性能。測(cè)試結(jié)果可用來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。圖2給出了一個(gè)初始設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)和初選元件值。PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件可提供一個(gè)LinkSwitch設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)表。
完成一個(gè)LinkSwitch設(shè)計(jì)需要九個(gè)步驟。下面用一個(gè)5.5V/0.5A 的電源為例來說明這些設(shè)計(jì)步驟。
步驟1：選擇反射輸出電壓VOR
變壓器的匝數(shù)比取決于輸出電壓(VOR)對(duì)變壓器初級(jí)繞組的反射。在本例中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表中的缺省值設(shè)定為50 V。
步驟2：計(jì)算次級(jí)電壓
計(jì)算變壓器匝數(shù)比需要知道次級(jí)繞組電壓。為使理想的VO電壓加到負(fù)載上，必須考慮所有次級(jí)壓降，這包括：次級(jí)繞組壓降(VRSEC)；輸出二極管壓降(VDOUT)和輸出線纜壓降(VRCABLE)。VRSEC和VDOUT用次級(jí)蜂值電流計(jì)算。VRCABLE由標(biāo)稱輸出電流得出。次級(jí)蜂值電流ISEC(pk)定義為：
ISEC(pk) = IPRI(pk) × NP/NS，其中，IPRI(pk) ≈ILIM (LinkSwitch的漏電流)
ISEC(pk)的一個(gè)安全初估值可為4 × IO。將如下數(shù)值作為初選值：
RSEC = 0.15Ω；VDOUT = 0.7 V (肖特基)或 1.1 V (PN結(jié)二極管)；RCABLE = 0.3Ω。
VRCABLE = 500 mA × 0.3Ω = 0.15 V；VRSEC =2A × 0.15 Ω = 0.3 V；VSEC = (VO) 5.5 V + 0.15 V + 0.3 V + 0.7 V = 6.65 V。
步驟3：計(jì)算變壓器匝數(shù)比
變壓器匝數(shù)比由下式得出：NP/NS = VOR/VSEC = 50/6.65 = 7.52 比 1
步驟4：計(jì)算變壓器功率
在蜂值功率點(diǎn)，由變壓器轉(zhuǎn)移的功率PO(EFF)由下式給出：
PO(EFF) = 1/2 × LP × [I2P × fs]
其中，LP是標(biāo)稱變壓器初級(jí)繞組電感；IP即LinkSwitch的參數(shù)ILIM；fs是開關(guān)頻率。
有效輸出功率PO(EFF)為實(shí)際輸出功率(PO)與下列耗損功率(線纜損耗PCABLE、二極管損耗PDIODE、LinkSwitch偏流損耗PBIAS、次級(jí)繞組銅損耗PS(CU)與變壓器核損耗PCORE)之和。
PO = VO ×IO = 5.5 V × 500 mA = 2.75 W
PCABLE = RCABLE×I2O = 0.3Ω × (500 mA)2 = 75 mW,
PDIODE = VDOUT × IO = 350 mW
PBIAS = VOR ×IDCT = 50 V × 2.3 mA = 115 mW
PCORE = KCORE ×VE / 2 = 采用一個(gè)100 mW 的估算值。
PO(EFF) = PO + PCABLE + PDIODE + PBIAS + PS(CU) + PCORE/2
PO(EFF) = 2.75W + 75 mW + 350 mW + 115 mW + 100 mW = 3.39 W
步驟5：計(jì)算變壓器初級(jí)繞組電感
標(biāo)稱初級(jí)電感(LP(NOM))由下式算出：
LP(NOM) = (2 ×PO(EFF) / [I2P × fs]) × ΔL, ((2 × 3.39 W) / 2710) × 1.05 = 2.63 mH
這里，[I2P × fs]是由數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的典型值(2710)；ΔL是補(bǔ)償在靠近磁化(BH)曲線頂部出現(xiàn)的電感衰減的一個(gè)系數(shù)。
步驟6：設(shè)計(jì)變壓器
每一伏輸出電壓，通常需要2到3匝的次級(jí)繞線。初步估算時(shí)，選2.5匝。
NS = VSEC × 2.5 = 6.65 V × 2.5 = 16.625 (饒線時(shí)取17匝)
NP = VOR / VSEC ×NS = 50 V / 6.65 V × 16.625 = 125匝
核磁通密度由下式給出：
BM以毫泰斯拉(mT)表示，BM = (IP(mA) × LP(uH)) / (NP × Ae(mm2))，BM = (267 mA × 2 630 uH) / (125 × 17.1) = 323 mT
這里，IP是器件極限電流，以mA表示；LP是初級(jí)電感，以μH計(jì)；Ae是核有效截面積（由核制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)給出），以mm2表示。核磁通密度應(yīng)在300 到 350 mT之間。
用無間隙核的相對(duì)導(dǎo)磁率(μr)計(jì)算間隙尺寸。計(jì)算相對(duì)導(dǎo)磁率的公式為：
μr = (AL(nH/t2) × Le(cm)) / (4π × Ae(cm2))
(1 130 × 3.02) / (4 π × 0.171) = 1 588
其中，AL(nH/t2)是無間隙有效電感；Le是有效核路徑長(zhǎng)度，以cm表示(在芯核制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)列出)。
間隙長(zhǎng)度由下列公式算出：
Lg (μm) = [((0.4π ×N2P ×Ae (mm2)) / LP(uH)) - (Le (μm) / μr)]
Lg (μm) = [((0.4π × 15 625 × 17.1) / 2 630) - (30 200 / 1 588)] =
Lg (μm) = [( 335 757.7148 / 2,630) - ( 19.017 632 24 )] =
Lg (μm) = [ 127.664 530 3 - 19.017 632 24 ] = 108.65 μm
步驟7：選取反饋電阻RFB值
反饋電阻決定注入LinkSwitch的控制管腳的電流，具有為整個(gè)芯片供電和控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管占空系數(shù)的功用。計(jì)算RFB需要知道VOR。而計(jì)算VOR又要先算出次級(jí)電壓VSEC。計(jì)算VSEC又需提前弄清次級(jí)蜂值電流(ISEC(peak))。而(ISEC(peak))是由變壓器匝數(shù)比和初級(jí)蜂值電流(ILIM)決定的：
ISEC(peak) = NP / NS × ILIM(peak), (125 / 17) × 0.267 =1.96 A
VSEC = VO + VRCABLE + VDOUT + VRSEC
VSEC = VO + (IO × RCABLE) + VDOUT + (ISEC(peak) × RSEC)
VSEC = 5.5 V + (0.5 A × 0.3) + 0.7 V + (1.96 A × 0.15) = 6.644 V
現(xiàn)可算出VOR：
VOR = (NP / NS) × VSEC = (7.35) × 6.644 V = 48.85 V
RFB將鉗位或反饋電壓(VFB)轉(zhuǎn)換為LinkSwitch的偏流功耗和控制電流。VFB通過在VOR上增加由漏電感引入的誤差電壓(VLEAK)而得出。對(duì)VLEAK來說，5V是一個(gè)好的估計(jì)值。因此：
VFB = VOR + VLEAK = 48.85 V + 5 V = 53.85 V
RFB的初選值由VFB和由在LinkSwitch的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給定的蜂值功率點(diǎn)狀態(tài)下控制腳電壓(VC(IDCT))和電流(IDCT)算出。
RFB = (VFB -VC(IDCT)) / IDCT = (53.85 V - 5.75 V) / 2.3 mA = 20913 Ω
在為1%的標(biāo)準(zhǔn)電阻中，選用接近其值的20.5 kΩ這種電阻。
步驟8：搭建和測(cè)試個(gè)原型
由于某些元件值需要根據(jù)測(cè)試結(jié)果來作出經(jīng)驗(yàn)判斷，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)、搭建和測(cè)試一個(gè)初始原型來進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。
步驟9：基于測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要改進(jìn)
結(jié)論
LinkSwitch是一種效率更高的開關(guān)型充電器解決方案，并正被證明是一種替代低功率、無穩(wěn)壓、基于線性變壓器的充電器的高成本效益方法。
LinkSwitch源自業(yè)界對(duì)空載和待機(jī)功耗的新期待。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約5%到10%的生活用電消耗在已連通交流電源但卻并不使用的電器產(chǎn)品的待機(jī)和空載功耗上。世界各國目前已經(jīng)或正在對(duì)降低待機(jī)和空載功耗提出新的要求，但線性解決方案無法以很高的成本效益來滿足這些新要求。而采用EcoSmart技術(shù)的LinkSwitch系列產(chǎn)品卻能夠?qū)⒋龣C(jī)和空載功耗降至。因此，LinkSwitch勢(shì)將成為取代線性充電器的解決方案。
LinkSwitch的主要特性
輸出恒壓/恒流(CV/CC)容差：基于LinkSwitch解決方案的所有產(chǎn)品系列均有±10%左右的輸出電壓VO變化；在電流方面，LNK-500有±25%的電流變化，LNK-501是±20%。這些數(shù)字包括所有無源元件以及LinkSwitch器件的容差。該電流容差(±25%和±20%)基于被限制在±10%以內(nèi)的變壓器初級(jí)繞組的電感容差。另外，當(dāng)電路未接負(fù)載時(shí)，VO通常比滿負(fù)載標(biāo)稱電壓高出40%。這可很容易地通過一兩個(gè)mA的預(yù)加載電流來抵消。
LinkSwitch解決方案
LinkSwitch電路的簡(jiǎn)單性使得你能快速完成初始設(shè)計(jì)，然后你可搭建一個(gè)原型來驗(yàn)證其性能。測(cè)試結(jié)果可用來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。圖2給出了一個(gè)初始設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)和初選元件值。PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件可提供一個(gè)LinkSwitch設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)表。
完成一個(gè)LinkSwitch設(shè)計(jì)需要九個(gè)步驟。下面用一個(gè)5.5V/
步驟1：選擇反射輸出電壓VOR
變壓器的匝數(shù)比取決于輸出電壓(VOR)對(duì)變壓器初級(jí)繞組的反射。在本例中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表中的缺省值設(shè)定為50 V。
步驟2：計(jì)算次級(jí)電壓
計(jì)算變壓器匝數(shù)比需要知道次級(jí)繞組電壓。為使理想的VO電壓加到負(fù)載上，必須考慮所有次級(jí)壓降，這包括：次級(jí)繞組壓降(VRSEC)；輸出二極管壓降(VDOUT)和輸出線纜壓降(VRCABLE)。VRSEC和VDOUT用次級(jí)蜂值電流計(jì)算。VRCABLE由標(biāo)稱輸出電流得出。次級(jí)蜂值電流ISEC(pk)定義為：
ISEC(pk) = IPRI(pk) × NP/NS，其中，IPRI(pk) ≈ILIM (LinkSwitch的漏電流)
ISEC(pk)的一個(gè)安全初估值可為4 × IO。將如下數(shù)值作為初選值：
RSEC = 0.15Ω；VDOUT = 0.7 V (肖特基)或 1.1 V (PN結(jié)二極管)；RCABLE = 0.3Ω。
VRCABLE = 500 mA × 0.3Ω = 0.15 V；VRSEC =
步驟3：計(jì)算變壓器匝數(shù)比
變壓器匝數(shù)比由下式得出：NP/NS = VOR/VSEC = 50/6.65 = 7.52 比 1
步驟4：計(jì)算變壓器功率
在蜂值功率點(diǎn)，由變壓器轉(zhuǎn)移的功率PO(EFF)由下式給出：
PO(EFF) = 1/2 × LP × [I2P × fs]
其中，LP是標(biāo)稱變壓器初級(jí)繞組電感；IP即LinkSwitch的參數(shù)ILIM；fs是開關(guān)頻率。
有效輸出功率PO(EFF)為實(shí)際輸出功率(PO)與下列耗損功率(線纜損耗PCABLE、二極管損耗PDIODE、LinkSwitch偏流損耗PBIAS、次級(jí)繞組銅損耗PS(CU)與變壓器核損耗PCORE)之和。
PO = VO ×IO = 5.5 V × 500 mA = 2.75 W
PCABLE = RCABLE×I2O = 0.3Ω × (500 mA)2 = 75 mW,
PDIODE = VDOUT × IO = 350 mW
PBIAS = VOR ×IDCT = 50 V × 2.3 mA = 115 mW
PCORE = KCORE ×VE / 2 = 采用一個(gè)100 mW 的估算值。
PO(EFF) = PO + PCABLE + PDIODE + PBIAS + PS(CU) + PCORE/2
PO(EFF) = 2.75W + 75 mW + 350 mW + 115 mW + 100 mW = 3.39 W
步驟5：計(jì)算變壓器初級(jí)繞組電感
標(biāo)稱初級(jí)電感(LP(NOM))由下式算出：
LP(NOM) = (2 ×PO(EFF) / [I2P × fs]) × ΔL, ((2 × 3.39 W) / 2710) × 1.05 = 2.63 mH
這里，[I2P × fs]是由數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的典型值(2710)；ΔL是補(bǔ)償在靠近磁化(BH)曲線頂部出現(xiàn)的電感衰減的一個(gè)系數(shù)。
步驟6：設(shè)計(jì)變壓器
每一伏輸出電壓，通常需要2到3匝的次級(jí)繞線。初步估算時(shí)，選2.5匝。
NS = VSEC × 2.5 = 6.65 V × 2.5 = 16.625 (饒線時(shí)取17匝)
NP = VOR / VSEC ×NS = 50 V / 6.65 V × 16.625 = 125匝
核磁通密度由下式給出：
BM以毫泰斯拉(mT)表示，BM = (IP(mA) × LP(uH)) / (NP × Ae(mm2))，BM = (267 mA × 2 630 uH) / (125 × 17.1) = 323 mT
這里，IP是器件極限電流，以mA表示；LP是初級(jí)電感，以μH計(jì)；Ae是核有效截面積（由核制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)給出），以mm2表示。核磁通密度應(yīng)在300 到 350 mT之間。
用無間隙核的相對(duì)導(dǎo)磁率(μr)計(jì)算間隙尺寸。計(jì)算相對(duì)導(dǎo)磁率的公式為：
μr = (AL(nH/t2) × Le(cm)) / (4π × Ae(cm2))
(1 130 × 3.02) / (4 π × 0.171) = 1 588
其中，AL(nH/t2)是無間隙有效電感；Le是有效核路徑長(zhǎng)度，以cm表示(在芯核制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)列出)。
間隙長(zhǎng)度由下列公式算出：
Lg (μm) = [((0.4π ×N2P ×Ae (mm2)) / LP(uH)) - (Le (μm) / μr)]
Lg (μm) = [((0.4π × 15 625 × 17.1) / 2 630) - (30 200 / 1 588)] =
Lg (μm) = [( 335 757.7148 / 2,630) - ( 19.017 632 24 )] =
Lg (μm) = [ 127.664 530 3 - 19.017 632 24 ] = 108.65 μm
步驟7：選取反饋電阻RFB值
反饋電阻決定注入LinkSwitch的控制管腳的電流，具有為整個(gè)芯片供電和控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管占空系數(shù)的功用。計(jì)算RFB需要知道VOR。而計(jì)算VOR又要先算出次級(jí)電壓VSEC。計(jì)算VSEC又需提前弄清次級(jí)蜂值電流(ISEC(peak))。而(ISEC(peak))是由變壓器匝數(shù)比和初級(jí)蜂值電流(ILIM)決定的：
ISEC(peak) = NP / NS × ILIM(peak), (125 / 17) × 0.267 =
VSEC = VO + VRCABLE + VDOUT + VRSEC
VSEC = VO + (IO × RCABLE) + VDOUT + (ISEC(peak) × RSEC)
VSEC = 5.5 V + (
現(xiàn)可算出VOR：
VOR = (NP / NS) × VSEC = (7.35) × 6.644 V = 48.85 V
RFB將鉗位或反饋電壓(VFB)轉(zhuǎn)換為LinkSwitch的偏流功耗和控制電流。VFB通過在VOR上增加由漏電感引入的誤差電壓(VLEAK)而得出。對(duì)VLEAK來說，5V是一個(gè)好的估計(jì)值。因此：
VFB = VOR + VLEAK = 48.85 V + 5 V = 53.85 V
RFB的初選值由VFB和由在LinkSwitch的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給定的蜂值功率點(diǎn)狀態(tài)下控制腳電壓(VC(IDCT))和電流(IDCT)算出。
RFB = (VFB -VC(IDCT)) / IDCT = (53.85 V - 5.75 V) / 2.3 mA = 20913 Ω
在為1%的標(biāo)準(zhǔn)電阻中，選用接近其值的20.5 kΩ這種電阻。
步驟8：搭建和測(cè)試個(gè)原型
由于某些元件值需要根據(jù)測(cè)試結(jié)果來作出經(jīng)驗(yàn)判斷，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)、搭建和測(cè)試一個(gè)初始原型來進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。
步驟9：基于測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要改進(jìn)
結(jié)論
LinkSwitch是一種效率更高的開關(guān)型充電器解決方案，并正被證明是一種替代低功率、無穩(wěn)壓、基于線性變壓器的充電器的高成本效益方法。
關(guān)鍵詞：SMPS技術(shù)挑戰(zhàn)線性變壓器在低功率充電器設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)地位
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