1.2 W非隔离双输出电源设计解析

一、引言

在电子设备的电源设计中，如何实现高效、稳定且低成本的电源供应是工程师们一直关注的重点。今天要介绍的是Power Integrations公司的一款1.2 W非隔离双输出电源，它采用LNK304DN器件，具备独特的拓扑结构和优秀的性能，适用于仪表等应用场景。

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二、电源规格

输入参数

该电源的输入电压范围为85 - 265 VAC，输入电压频率为47 - 64 Hz，在230 VAC无负载输入功率为0.2 W。

输出参数

输出有两路，输出电压1为12 V，输出电流为80 mA；输出电压2为5 V，输出电流为50 mA，总输出功率连续为1.21 W。在满载时效率为52.7%，满足加州能源委员会（CEC）/能源之星要求的平均效率为51.7%。

环境与安全参数

在传导电磁干扰（EMI）方面，满足CISPR22B / EN55022B标准；安全设计满足IEC950、UL1950 Class II标准；差模浪涌为1 kV；环境温度范围为0 - 50 ºC。

三、电路设计

1. 拓扑结构选择

此电源有两种拓扑结构可供选择，通过跳线JP1来切换。当短接JP1的引脚1和2时，采用降压派生拓扑，可提供 -5 V和 +7 V输出；短接引脚2和3时，采用降压拓扑，提供 +5 V和 +12 V输出。

2. 各部分电路功能

AC输入整流与EMI滤波

AC输入通过快速恢复二极管D1和通用二极管D4进行半波整流。快速恢复二极管有助于改善差模传导EMI，二极管D4用于提供EMI噪声门控，减少共模噪声。输入路径中还包含一个可熔断的防火电阻RF1，在发生灾难性故障时会开路，且不会产生火焰或烟雾。同时，电容C1和C2提供大容量储能，电感L1与电容形成π滤波器，进一步降低差模传导EMI。

LinkSwitch - TN器件

LinkSwitch - TN是一款低成本、全功能的单片集成电路，将控制电路和高压MOSFET开关集成在同一器件中。它具有On/Off类型控制器，最大开关频率为66 kHz，包含±4 kHz的频率抖动以降低EMI，还具备700 V MOSFET。此外，该器件拥有输出短路保护、开环故障保护、MOSFET电流限制保护和带滞后的热关断等多种保护功能。它通过连接到旁路引脚（BP）的100 nF电容C3实现本地电源去耦。

输出整流与滤波

在U1导通期间，电感L2中的电流线性上升，为负载和电容C5提供能量；U1关断时，电感L2的电压极性改变，使续流二极管D2正向偏置，电感中存储的能量继续为电容C5、负载和线性调节器供电。续流二极管D2应选用超快恢复二极管，如BYV26C，以提高效率。

反馈网络

LinkSwitch - TN采用简单高效的On/Off控制方案，MOSFET的导通时间由输出电感值、器件电流限制和直流母线电压决定。当电流超过49 µA流入反馈（FB）引脚时，开关周期将被跳过，从而调节输出电压。反馈信号通过由1%公差金属膜电阻R1和R2组成的简单分压器从输出（电容C5两端的电压）获取。

线性调节器

LinkSwitch - TN将电容C5两端的电压调节为12 V，为了得到第二个稳压输出，使用了线性调节器。齐纳二极管VR1定义了Q2发射极的电压，从而使J4的电压相对于J5保持稳定。在+5 V输出满载时，线性调节器的最大功耗可通过公式 (P{DQ 2}=V{CEQ 2} × I_{CO 2}) 估算。电阻R3设置通过VR1的偏置电流约为4 mA，同时作为12 V输出的预载。

四、PCB布局

合理的PCB布局对于电源的性能至关重要。该电源的PCB布局经过精心设计，能够有效减少电磁干扰，提高电源的稳定性和可靠性。

五、性能测试

1. 效率测试

在不同负载百分比下，分别测试了115 VAC和230 VAC输入时的效率。从测试数据来看，随着负载百分比的增加，效率有所下降，但在各种负载情况下，效率都能满足一定的要求。虽然CEC标准不适用于此设计，但提供的数据可作为参考，未来可能会有更多地区采用类似标准。

2. 无负载输入功率

测试了不同输入电压下的无负载输入功率，结果显示输入功率随着输入电压的变化而变化，在设计中需要考虑这一因素对整体功耗的影响。

3. 电压调节

负载和线路调节

分别对12 V和5 V输出进行了负载和线路调节测试。通过改变负载电流和输入电压，观察输出电压的变化情况。测试结果表明，在不同的输入电压和负载条件下，输出电压的调节性能良好，能够满足设计要求。

线路调节

在满载情况下，测试了输出电压随输入电压的变化情况。结果显示，输出电压在一定的输入电压范围内保持相对稳定。

4. 热性能

在50 ºC的环境温度下，对电源的各个关键部件进行了热性能测试。测试结果显示，各部件的温度在合理范围内，说明电源的散热设计能够满足正常工作的要求。

5. 波形测试

对电源的各种波形进行了测试，包括漏极电压和电流、输出电压启动曲线、源电压和漏极电流启动曲线、负载瞬态响应和输出纹波等。通过这些波形测试，可以直观地了解电源在不同工作状态下的性能表现。

6. 传导EMI测试

在满载情况下，对电源的传导EMI进行了测试。测试结果表明，电源的传导EMI满足CISPR22B / EN55022B标准，且有大于10 dB的裕量。

7. 线路浪涌测试

对电源进行了差模和共模1.2/50 µs浪涌测试，输入电压设置为230 VAC / 60 Hz，输出满载。测试结果显示，电源在所有测试条件下均能正常工作，表现出良好的抗浪涌能力。

六、总结

这款1.2 W非隔离双输出电源具有紧凑、轻便、低成本、低元件数量等优点，通过合理的电路设计和精心的布局，实现了良好的性能和稳定性。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求选择合适的拓扑结构，以满足不同的输出要求。同时，通过各项性能测试，我们可以看到该电源在效率、电压调节、热性能、EMI和抗浪涌等方面都表现出色。那么，你在电源设计中遇到过哪些类似的挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。