使用无损耗过零点检测功能提高智能家居和智能建筑(HBA)应用中的AC输入开关效率和可靠性

作者：Adnaan Lokhandwala，Power Integrations产品营销经理

在越来越多的应用中，对导通和关断AC输入电源的器件的性能进行优化是一个重要考虑因素，这些应用包括智能家居/智能建筑(HBA)、支持物联网(IoT)的家电、智能开关和插头、调光器和人体感应传感器，特别适用于采用继电器或可控硅进行功率控制的设计。当AC电源异步导通或关断而不考虑其所处的电压时，效率和可靠性会受到不利影响，必须添加电路以保护开关免受高瞬态电流的影响。

当AC电源异步导通时，浪涌电流可能超过100A。反复暴露于高浪涌电流会对继电器和可控硅的可靠性和使用寿命产生负面影响。电触点的预期寿命因浪涌电流需求而缩短，通常限于10万次操作，尽管机械寿命可能是100万次、1000万次，甚至1亿次。考虑到可控硅，当控制呈现低初始阻抗的负载时，也可能发生渐进式栅极退化。在这两种情况下，最大限度地减少或消除浪涌电流有助于延长预期寿命和提高可靠性。

对于继电器，如果在输入电压正弦波处于周期的高点时断开（关断）器件，则触点上会产生电弧，从而腐蚀触点表面。使用半导体线路开关，可以通过在AC过零点设置关断来降低开关损耗。这也将通过消除电弧来降低器件应力，并且无需浪涌限制电路。

可以采用分立电路来检测交流输入的过零点，以控制主功率器件的接入和断开切换，从而降低开关损耗和浪涌电流。这种方法效率更高，但需要额外的元件，占用宝贵的电路板空间，而且仍有损耗，在某些情况下几乎会消耗一半的待机功率预算。

最佳过零点检测方案

为了解决上述难题，Power Integrations的LinkSwitch-TNZ离线式开关IC将725V功率MOSFET开关、电源控制器和无损耗过零点检测器(ZCD)集成到了同一个封装内。使用LinkSwitch-TNZ产品系列可设计出具有高效率、低待机功耗、最少元件数和AC过零点检测功能的AC/DC电源。

LinkSwitch-TNZ IC的ZCD产生一个输出信号，然后发送到微控制器并控制功率开关继电器或可控硅，确保器件每次都能在过零点导通和关断。ZCD信号逻辑跟随AC输入，信号每半个周期在过零点切换一次（见图1）。LinkSwitch-TNZ器件的功耗低于5mW，符合零功耗标准。与典型的分立式ZCD方案中50至90mW的功耗相比，这非常具有优势。

图1：ZCD信号逻辑跟随AC输入，信号每半个周期
在零电压切换一次

LinkSwitch-TNZ降压或反激式变换器的开关频率为66kHz，有助于缩减电感和输出电容的尺寸和成本，并允许在降压方案中使用市售现成的低成本电感。频率调制技术可降低电磁干扰，从而简化滤波电路。该器件具有完善的安全保护特性，可在出现输入和输出过压故障、器件过温故障、电压失调以及电源输出过载或短路故障时保护器件及整个系统。

LinkSwitch-TNZ IC可将待机功耗降低60%，待机模式下消耗的电流不到100μA，从而使电源设计轻松符合全球性的空载和待机功耗标准。使用这种高度集成的器件系列，元件数量可以减少40%以上，具有比分立方案更大的适用性。

该器件系列支持反激、降压和降压-升压拓扑结构，并且包括具有和不具有集成X电容放电功能的器件。在大型系统中用作辅助电源时，X电容放电功能可消除永久接入的泄放电阻，进一步降低待机功耗。LinkSwitch-TNZ器件适用于所有常见的拓扑结构，无论是否采用基于光耦的反馈。

非隔离降压式变换器

图2所示为非隔离降压式变换器中LinkSwitch-TNZ器件的典型输出电流，器件在默认电流点及散热充分的条件下工作，输出电流范围为63mA至575mA。工作模式主要为非连续导通模式(MDCM)和连续导通模式(CCM)。

图2：在LinkSwitch-TNZ元件型号中，x = 0表示仅具有过零点检测功能的器件，
x = 1表示同时具有过零点检测功能和X电容放电功能的器件

在MDCM和CCM工作模式之间进行选择

在MDCM和CCM工作模式之间进行选择时，设计者应该选择LinkSwitch-TNZ器件、续流二极管和输出电感，以实现最低的整体解决方案成本，同时提供足够的功率。通常，MDCM可提供成本最低、效率最高的变换器。所有CCM设计都需要使用更大的电感和超快速（最大值为t_RR 35ns）续流二极管。

隔离反激式变换器

反激式设计中的最大实际连续输出功率如图3所示。

图3：LinkSwitch-TNZ在不同输入电压下可以提供的最大实际连续输出功率

在反激式设计中，LinkSwitch-TNZ可以提供超过80%的高效功率变换。此外，使用开/关控制可实现极低的轻载功耗，可以使更多的功能（例如显示器、无线连接、传感器等）在系统待机时处于激活状态。

用于启动项目的评估板

为帮助设计者加速项目，Power Integrations为LinkSwitch-TNZ IC产品系列提供了一系列评估板，包括0.5W和2.5W非隔离降压式变换器以及6W和10W隔离反激式设计。所有这些都包括无损耗ZCD功能，10W反激式评估板还包括X电容放电功能。可用评估板的实例包括：

• 0.5W的DER-874 – 非隔离降压变换器，具有6V/80mA输出；<200μA的待机输入电流；<20mW的空载输入功率

• 2.5W的RDK-866 – 非隔离降压式变换器，具有5V/500mA输出；音频噪声极低(<10dB)；<50mW的空载输入功率

• 6W的RDK-877 – 隔离反激式变换器，具有12V/0.5A输出；<30mW的空载输入功率；带载效率符合DoE6和欧盟CoC v5标准

• 10W的DER-879 – 隔离反激式变换器，具有12V/0.75A和5V/0.2A输出；<30mW空载输入功率；符合所有现有和拟议的能效标准，包括ErP；具有X电容放电功能

这些低元件数的评估板都支持90V至305V的交流输入电压范围，并且符合EN55022和CISPR-22 Class B传导EMI限制。

总结

在越来越多的应用中，对AC主电源的高效导通和关断是一个重要考虑因素，特别是采用继电器或可控硅进行功率控制的设计。反复暴露于由不同步开关造成的高应力下，会对继电器和可控硅的可靠性和使用寿命产生负面影响。在这两种情况下，AC输入过零点检测可用于控制主功率器件的接入和关断切换，以降低工作压力并有助于延长预期寿命和提高可靠性。

设计者可以选用Power Integrations的LinkSwitch-TNZ，以提高可靠性，并在具有集成无损耗AC过零点检测和X电容放电功能的应用中将待机功耗降低60%。使用LinkSwitch-TNZ产品系列可设计出具有出色的轻载效率、低待机功耗、最少元件数和AC过零点检测功能的0.5W至18W AC/DC电源。