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PI 無(wú)損耗過(guò)零點(diǎn)檢測提高智能家居和智能建筑效率和可靠性

發(fā)布時(shí)間:2021-10-27 來(lái)源:作者: Adnaan Lokhandwala,Power Integrations產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 責任編輯:lina

【導讀】在越來(lái)越多的應用中,對導通和關(guān)斷AC輸入電源的器件的性能進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)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(lián)網(wǎng)(IoT)的家電、智能開(kāi)關(guān)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(jìn)行功率控制的設計。當AC電源異步導通或關(guān)斷而不考慮其所處的電壓時(shí),效率和可靠性會(huì )受到不利影響,必須添加電路以保護開(kāi)關(guān)免受高瞬態(tài)電流的影響。

 

在越來(lái)越多的應用中,對導通和關(guān)斷AC輸入電源的器件的性能進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)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(lián)網(wǎng)(IoT)的家電、智能開(kāi)關(guān)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(jìn)行功率控制的設計。當AC電源異步導通或關(guān)斷而不考慮其所處的電壓時(shí),效率和可靠性會(huì )受到不利影響,必須添加電路以保護開(kāi)關(guān)免受高瞬態(tài)電流的影響。


當AC電源異步導通時(shí),浪涌電流可能超過(guò)100A。反復暴露于高浪涌電流會(huì )對繼電器和可控硅的可靠性和使用壽命產(chǎn)生負面影響。電觸點(diǎn)的預期壽命因浪涌電流需求而縮短,通常限于10萬(wàn)次操作,盡管機械壽命可能是100萬(wàn)次、1000萬(wàn)次,甚至1億次??紤]到可控硅,當控制呈現低初始阻抗的負載時(shí),也可能發(fā)生漸進(jìn)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(cháng)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(diǎn)時(shí)斷開(kāi)(關(guān)斷)器件,則觸點(diǎn)上會(huì )產(chǎn)生電弧,從而腐蝕觸點(diǎn)表面。使用半導體線(xiàn)路開(kāi)關(guān),可以通過(guò)在A(yíng)C過(guò)零點(diǎn)設置關(guān)斷來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。這也將通過(guò)消除電弧來(lái)降低器件應力,并且無(wú)需浪涌限制電路。


可以采用分立電路來(lái)檢測交流輸入的過(guò)零點(diǎn),以控制主功率器件的接入和斷開(kāi)切換,從而降低開(kāi)關(guān)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(huì )消耗一半的待機功率預算。


最佳過(guò)零點(diǎn)檢測方案


為了解決上述難題,Power Integrations的LinkSwitch-TNZ離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)IC將725V功率MOSFET開(kāi)關(guān)、電源控制器和無(wú)損耗過(guò)零點(diǎn)檢測器(ZCD)集成到了同一個(gè)封裝內。使用LinkSwitch-TNZ產(chǎn)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(guò)零點(diǎn)檢測功能的AC/DC電源。


LinkSwitch-TNZ IC的ZCD產(chǎn)生一個(gè)輸出信號,然后發(fā)送到微控制器并控制功率開(kāi)關(guān)繼電器或可控硅,確保器件每次都能在過(guò)零點(diǎn)導通和關(guān)斷。ZCD信號邏輯跟隨AC輸入,信號每半個(gè)周期在過(guò)零點(diǎn)切換一次(見(jiàn)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(yōu)勢。


PI 無(wú)損耗過(guò)零點(diǎn)檢測提高智能家居和智能建筑效率和可靠性

圖1:ZCD信號邏輯跟隨AC輸入,信號每半個(gè)周期在零電壓切換一次


LinkSwitch-TNZ降壓或反激式變換器的開(kāi)關(guān)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(shù)可降低電磁干擾,從而簡(jiǎn)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(guò)壓故障、器件過(guò)溫故障、電壓失調以及電源輸出過(guò)載或短路故障時(shí)保護器件及整個(gè)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(shí),X電容放電功能可消除永久接入的泄放電阻,進(jìn)一步降低待機功耗。LinkSwitch-TNZ器件適用于所有常見(jiàn)的拓撲結構,無(wú)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(diǎn)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)。


PI 無(wú)損耗過(guò)零點(diǎn)檢測提高智能家居和智能建筑效率和可靠性

圖2:在LinkSwitch-TNZ元件型號中,x = 0表示僅具有過(guò)零點(diǎn)檢測功能的器件,


x = 1表示同時(shí)具有過(guò)零點(diǎn)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(jìn)行選擇


在MDCM和CCM工作模式之間進(jìn)行選擇時(shí),設計者應該選擇LinkSwitch-TNZ器件、續流二極管和輸出電感,以實(shí)現最低的整體解決方案成本,同時(shí)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(shí)際連續輸出功率如圖3所示。 


PI 無(wú)損耗過(guò)零點(diǎn)檢測提高智能家居和智能建筑效率和可靠性

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


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


用于啟動(dòng)項目的評估板


為幫助設計者加速項目,Power Integrations為L(cháng)inkSwitch-TNZ IC產(chǎn)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(wú)損耗ZCD功能,10W反激式評估板還包括X電容放電功能??捎迷u估板的實(shí)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(lái)越多的應用中,對AC主電源的高效導通和關(guān)斷是一個(gè)重要考慮因素,特別是采用繼電器或可控硅進(jìn)行功率控制的設計。反復暴露于由不同步開(kāi)關(guān)造成的高應力下,會(huì )對繼電器和可控硅的可靠性和使用壽命產(chǎn)生負面影響。在這兩種情況下,AC輸入過(guò)零點(diǎn)檢測可用于控制主功率器件的接入和關(guān)斷切換,以降低工作壓力并有助于延長(cháng)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(wú)損耗AC過(guò)零點(diǎn)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(chǎn)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(guò)零點(diǎn)檢測功能的0.5W至18W AC/DC電源。


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