使用無損耗過零點檢測功能提高智能家居和智能建筑(HBA)應用中的AC輸入開關效率和可靠性

在越來越多的應用中，對導通和關斷AC輸入電源的器件的性能進行優化是一個重要考慮因素，這些應用包括智能家居/智能建筑(HBA)、支持物聯網(IoT)的家電、智能開關和插頭、調光器和人體感應傳感器，特別適用于采用繼電器或可控硅進行功率控制的設計。當AC電源異步導通或關斷而不考慮其所處的電壓時，效率和可靠性會受到不利影響，必須添加電路以保護開關免受高瞬態電流的影響。

當AC電源異步導通時，浪涌電流可能超過100A。反復暴露于高浪涌電流會對繼電器和可控硅的可靠性和使用壽命產生負面影響。電觸點的預期壽命因浪涌電流需求而縮短，通常限于10萬次操作，盡管機械壽命可能是100萬次、1000萬次，甚至1億次。考慮到可控硅，當控制呈現低初始阻抗的負載時，也可能發生漸進式柵極退化。在這兩種情況下，最大限度地減少或消除浪涌電流有助于延長預期壽命和提高可靠性。

對于繼電器，如果在輸入電壓正弦波處于周期的高點時斷開（關斷）器件，則觸點上會產生電弧，從而腐蝕觸點表面。使用半導體線路開關，可以通過在AC過零點設置關斷來降低開關損耗。這也將通過消除電弧來降低器件應力，并且無需浪涌限制電路。

可以采用分立電路來檢測交流輸入的過零點，以控制主功率器件的接入和斷開切換，從而降低開關損耗和浪涌電流。這種方法效率更高，但需要額外的元件，占用寶貴的電路板空間，而且仍有損耗，在某些情況下幾乎會消耗一半的待機功率預算。

最佳過零點檢測方案

為了解決上述難題，Power Integrations的LinkSwitch-TNZ離線式開關IC將725V功率MOSFET開關、電源控制器和無損耗過零點檢測器(ZCD)集成到了同一個封裝內。使用LinkSwitch-TNZ產品系列可設計出具有高效率、低待機功耗、最少元件數和AC過零點檢測功能的AC/DC電源。

LinkSwitch-TNZ IC的ZCD產生一個輸出信號，然后發送到微控制器并控制功率開關繼電器或可控硅，確保器件每次都能在過零點導通和關斷。ZCD信號邏輯跟隨AC輸入，信號每半個周期在過零點切換一次（見圖1）。LinkSwitch-TNZ器件的功耗低于5mW，符合零功耗標準。與典型的分立式ZCD方案中50至90mW的功耗相比，這非常具有優勢。

圖1 ZCD信號邏輯跟隨AC輸入，信號每半個周期在零電壓切換一次

LinkSwitch-TNZ降壓或反激式變換器的開關頻率為66kHz，有助于縮減電感和輸出電容的尺寸和成本，并允許在降壓方案中使用市售現成的低成本電感。頻率調制技術可降低電磁干擾，從而簡化濾波電路。該器件具有完善的安全保護特性，可在出現輸入和輸出過壓故障、器件過溫故障、電壓失調以及電源輸出過載或短路故障時保護器件及整個系統。

LinkSwitch-TNZ IC可將待機功耗降低60%，待機模式下消耗的電流不到100μA，從而使電源設計輕松符合全球性的空載和待機功耗標準。使用這種高度集成的器件系列，元件數量可以減少40%以上，具有比分立方案更大的適用性。

該器件系列支持反激、降壓和降壓-升壓拓撲結構，并且包括具有和不具有集成X電容放電功能的器件。在大型系統中用作輔助電源時，X電容放電功能可消除永久接入的泄放電阻，進一步降低待機功耗。LinkSwitch-TNZ器件適用于所有常見的拓撲結構，無論是否采用基于光耦的反饋。

非隔離降壓式變換器

圖2所示為非隔離降壓式變換器中LinkSwitch-TNZ器件的典型輸出電流，器件在默認電流點及散熱充分的條件下工作，輸出電流范圍為63mA至575mA。工作模式主要為非連續導通模式(MDCM)和連續導通模式(CCM)。

圖2 在LinkSwitch-TNZ元件型號中，x = 0表示僅具有過零點檢測功能的器件，x = 1表示同時具有過零點檢測功能和X電容放電功能的器件

在MDCM和CCM工作模式之間進行選擇

在MDCM和CCM工作模式之間進行選擇時，設計者應該選擇LinkSwitch-TNZ器件、續流二極管和輸出電感，以實現最低的整體解決方案成本，同時提供足夠的功率。通常，MDCM可提供成本最低、效率最高的變換器。所有CCM設計都需要使用更大的電感和超快速（最大值為tRR 35ns）續流二極管。

隔離反激式變換器

反激式設計中的最大實際連續輸出功率如圖3所示。

圖3 LinkSwitch-TNZ在不同輸入電壓下可以提供的最大實際連續輸出功率

在反激式設計中，LinkSwitch-TNZ可以提供超過80%的高效功率變換。此外，使用開/關控制可實現極低的輕載功耗，可以使更多的功能（例如顯示器、無線連接、傳感器等）在系統待機時處于激活狀態。

用于啟動項目的評估板

為幫助設計者加速項目，Power Integrations為LinkSwitch-TNZ IC產品系列提供了一系列評估板，包括0.5W和2.5W非隔離降壓式變換器以及6W和10W隔離反激式設計。所有這些都包括無損耗ZCD功能，10W反激式評估板還包括X電容放電功能。可用評估板的實例包括：

●   0.5W的DER-874 – 非隔離降壓變換器，具有6V/80mA輸出；<200μA的待機輸入電流；<20mW的空載輸入功率

●   2.5W的RDK-866 – 非隔離降壓式變換器，具有5V/500mA輸出；音頻噪聲極低(<10dB)；<50mW的空載輸入功率

●   6W的RDK-877 – 隔離反激式變換器，具有12V/0.5A輸出；<30mW的空載輸入功率；帶載效率符合DoE6和歐盟CoC v5標準

●   10W的DER-879 – 隔離反激式變換器，具有12V/0.75A和5V/0.2A輸出；<30mW空載輸入功率；符合所有現有和擬議的能效標準，包括ErP；具有X電容放電功能

這些低元件數的評估板都支持90V至305V的交流輸入電壓范圍，并且符合EN55022和CISPR-22 Class B傳導EMI限制。

總結

在越來越多的應用中，對AC主電源的高效導通和關斷是一個重要考慮因素，特別是采用繼電器或可控硅進行功率控制的設計。反復暴露于由不同步開關造成的高應力下，會對繼電器和可控硅的可靠性和使用壽命產生負面影響。在這兩種情況下，AC輸入過零點檢測可用于控制主功率器件的接入和關斷切換，以降低工作壓力并有助于延長預期壽命和提高可靠性。

設計者可以選用Power Integrations的LinkSwitch-TNZ，以提高可靠性，并在具有集成無損耗AC過零點檢測和X電容放電功能的應用中將待機功耗降低60%。使用LinkSwitch-TNZ產品系列可設計出具有出色的輕載效率、低待機功耗、最少元件數和AC過零點檢測功能的0.5W至18W AC/DC電源。