——LinkSwitch-XT2SR LNK3773D尝鲜评测
虽然都知道熊与熊掌不可兼得，但是往往还希望既要-也要-还要，这样的好事会不会有呢？Power Integrations给了攻城狮们这么一个选择，新推出的LinkSwitch™-XT2SR系列离线、恒压(CV)、具有同步整流（SR）功能的非隔离反激式开关IC，就满足既要元件少、体积小，也要安全可靠性能好，还要功耗低、效率高的多重福利。 LinkSwitch™-XT2SR 系列IC以低于5mW的空载功耗，提供高达90%的极高效率，在230VAC下提供高达15W的功率输出，适用于小型敞开式电源的应用，可以广泛应用于小家电，不断增长的、支持物联网功能的智能家居和智能建筑应用，以及其它一系列类似的工业类应用。感谢PI给EEWorld提供了这样一个尝鲜评测的机会前后左右拆拆看，What？这个过于简单了吧！但是，仔细看物料选择和PCB做工，还是能看出低调的奢华。接下来，咱们一起深入了解一下原理设计，以便更好的知道what后面的为什么。
当然要先从LinkSwitch™-XT2SR核心芯片开始，每个细节都体现出：用最少的钱办最多的事，其关键特性包括： - 内置集成LDO，给主控内核供电，从而保持低元件数，这个LDO还可以向外供电；- 通过优化设计，保证在全负荷范围内，持续的高转换效率；- 形成一个不依赖于外部变压器设计，独立实现的高精度恒压开关电源；- 可以采用简单的双绕组变压器设计结构，在一个芯片实现变压器高压侧和低压侧的同时控制，包括外置反馈输出电压调整的控制逻辑，从而最小可以简化成单面PCB板的设计，并且能够实现全贴片制造工艺；- 源漏极间，加大的爬电间距，提高高达725V耐压的功率MOSFET。正是将这些功能高度集成在一个芯片，加上独到的数字反馈控制方式及同步整流操作，才最终能够实现在230V AC输入时5mW的空载功耗；而在某个设计当中，当带轻载时，6V输出加30mA负载的情况下，待机损耗仅为190mW，同时保持5-6V输出时能够维持90%的转换效率。下方原理图展示了LinkSwitch™-XT2SR各个引脚所实现的功能，从反激变压器的高压侧/低压侧均能对功率开关管执行控制，低压侧的uVCC引脚还能提供3.3V的输出，用于给外部的微控制器供电，实现极简的辅助供电电源设计。这种设计理念逻辑清晰，整个方案具有高度集成性的优点。下图就是按照上述原理实现的一款双路输出的范例设计原理图，低压侧分别提供5V和12V的输出电压。输入90~265V的工频交流电，经过桥式整流变换成高压直流，作为LinkSwitch™-XT2SR的高压侧供电电压。低压侧相对输出电流比较高的5V输出，采用了同步整流，以提升效率。在很多作为辅助电源的应用当中，5V用来提供低压辅助供电，而12V则用来驱动继电器等开关部件。交叉调整率的改善是通过两路均有反馈的方法来实现的。 
这次评测的开发板是编号为DER-998的设计方案，基于LinkSwitch™-XT2SR芯片。设计的应用场景为敞开式单电压输出应用，带载能力为1A输出。输出可以根据具体工况分别选择6V/6W和12V/12W两种可选的输出方案。本设计方案的规格参数如下：输入电压范围：90 VAC to 265 VAC；输出规格：两档输出，6V/6W或12V/12W(可通过跳线JP1选择，具体应用中也可由MCU经由对外部三极管的控制来实现档位切换)； IC自带SR驱动，实现同步整流操作，内置3.3 V LDO 输出(uVCC)；额定输入下平均效率90%，空载功耗低于5mW已经满足190mW的待机损耗；设计采用简单的双绕组变压器结构。由于是非隔离电源，因而无需价格昂贵的三层绝缘线绕制低压绕组。高度集成造就了最小周边元件数目的设计；从左到右，第一部分是交流输入回路。高压工频50Hz的交流输入，经整流桥后变为高压直流，使用简单的π型滤波器，满足EMI噪声规范要求。第二部分，是反激变换回路。首先是RCD钳位回路，由D1, R1, R2, R12 和C3共同组成，限制主功率开关管关断时两端呈现的高压，保证各种工况下开关管的安全。其次是自启动回路，由内部的高压恒流源在电源启动期间为旁路引脚电容C4充电，当高压侧功率管导通期间，IC的控制器供电取自C4储存的能量。当输入直流母线电压升至最小50VDC时，电源即开始启动以建立Vout输出，所以，虽然本设计最小供电电压是90V，但是在实际测试期间我们发现，在把调压器升高到58V时，就可以启动这个芯片的控制内核，在空载的情况下，在低压侧建立额定的输出电压；而在带0.1A的轻载输出时，也仍能够保持该电压的稳定。 第三部分，是反激变压器回路。主要由成本低廉的漆包线绕制的双绕组变压器构成。第四部分，是二次侧。以SR驱动FET的Q1为核心，包括降低输出纹波的滤波电容以及抑制高频尖峰电压的二级LC滤波构成。R4和 C6组成整流管的缓冲网络，降低开关管关断时其两端的振铃电压。连接至FW引脚的电阻R3用于检测SR FET开通期间两端的压降，从而决定何时关断SR FET。第五部分，是电压反馈回路，由R7, R8, R9, R10, R11, C10和Q2组成。通过JP1实现的12V/6V不同输出电压的选择切换，下取样反馈电阻只选R9时为6V输出，否则连接JP1时R8和R9的并联，输出变为12V电压。通过这样分级分阶段的精心设计，实现了功能全，性能优，布局紧凑的恒压输出电源设计。基于LinkSwitch™-XT2SR设计还有一个彩蛋，就是它可以同时提供一个最高输出电流能力可达20mA的3.3V电压轨，由3.3V的uVCC引脚和C5去耦电容器一起提供高达20mA的外部供电电源驱动能力，可以直接驱动所有型号的外部MCU，简化系统控制供电电路的设计。因为LinkSwitch™-XT2SR的综合优化能力，使得PCB可以实现精简的设计，实现如下外形尺寸的双面板。具体如下： 
同样，这个标准设计还提供了简便的变压器设计和选择方法。毕竟，变压器是里面最需要定制设计和优化的非标器件。在DER-998设计方案里面，其简单的变压器设计参数如下：这个结构简单的变压器可以直接手工绕制即可，因为不是隔离电源的应用，因而不用考虑绕组间的高压绝缘要求，这样就大大降低了变压器的成本。。靠近磁芯可以先行绕制120匝的一次绕组，然后再加一层基本绝缘的胶带后，即可双线绕制16匝的低压二次侧绕组。下图展示了具体变压器制作的过程。右侧是二次绕组的绕制图，采用的是双线并绕的方式。 根据LinkSwitch™-XT2SR芯片的参数，这个开发板的标准工况包括，在标准市电220V交流电供电下，连接可调电子负载, 实际测试数据如下表（注：实际电压是从开发板的测试端子测量，和图中的读数不同）：
在这次电源测试中，需要先默念避坑口诀。当然，能知道避坑的原因往往是自己率先入坑了。首先是安全。涉及220V高压，要做好高压接头的绝缘，因为测试台往往导线多，还容易移动，不小心短路是常见的事。其次，要做好接地和实验平台的绝缘，这是人身安全和开发板顺利评测的刚需。然后，就是测试方法要正确。这次评测耽误了很久，一个重要的原因自己在评测的时候大意了，没有核算导线的压降，为了连接方便，在6V/12V低压输出回路接入了过多的连接导线，一部分线径很细，在输出电流提高到1A及以上时，导线压降过大，偷懒打算直接用测试表计的读数，忽略导线压降。结果，在空载时输出电压稳定，在输出电流调到2A时，导线压降最大到了0.8V。开始误以为开发板损坏了，还返厂重测一次。原设计最大电流是1A，而最初评测打到2A都还是冈冈的，这个板子现在还是身体健康，实在太抗造了。所以，再次评测的时候，就稍微讲究了一些，先校正一下表计，发现电子负载的电流测量值精度还可以，就直接使用减少了一个综合测试仪表。通常短导线的直流压降都在10毫伏以下，但是上一次压降这么大，应该是达到100毫伏左右了。这次就尽量选择线径0.5mm以上的导线，减少接头个数以减小接触电阻。可调直流电子负载，同时还准备了一个20W-50欧姆量程的滑动变阻器作为纯阻性负载作为备用。这个直流负荷的电流测量值经过比较误差小于1.5%，可以直接作为电流读数使用。 具有电压电流和纹波直接测试能力的USB接口的综合测试仪，本测试分别在轻载(输出电流0.1A)和额定电流输出(输出电流1A)两种情况下，分别测试随着调压器的调整，高压侧输入电压变化，低压侧电压的输出值。
这个开发板在额定电压范围内的稳定电压输出能力太强了，实在是稳。接下来额定电流1A输出时的电压范围内测试结果如下，
本测试采用恒流电子负载，在额定输出电流范围内，调整额定功率输出电流，测量输出电压的变化。首先保持高压侧输入电压115V(AC 50Hz)不变，调整负载电流，测量如下：
然后调整高压侧输入电压230V(AC 50Hz)不变，调整负载电流，测量结果如下：
负荷效率测量需要测量高压侧输入功率，并对比低压侧的实际输出功率，来测定变换效率并绘出效率曲线。电压变换的负荷损耗通常包括电阻性损耗和电感性损耗，电阻性损耗是导线和导体的电阻值带来的损耗，随着输出电流的增大而增大。电感性损耗包括变压器磁芯的磁通变换带来的电磁性损耗和MOSFET等功率元件在开关动作期间发生的开关损耗，主要受变换频率的影响，基本保持不变。因此，通常在空载和轻载时，变换效率低，在达到额定工作状况时达到最优的变换效率。本次测量高压低压变比达到20倍左右，所以，高压侧的电流值较小，因为选择的电流测量表计精度不够，测量结果的离散性过大，这个测量结果精度不高。 计划在校核电流表后补充做这个项目，在额定电压在115V AC和230V AC两种输入电压的情况下，逐步调整电子负荷的设定电流，分别测量结果。通常的电源变换效率测量结果，因为测量表计选择等原因，往往都不能达到标称的效率。不过，根据现有测量的结果，也展示了在额定电流的工作情况下，效率趋于提高的趋势。本开发板设计方案最低可以达到5mW的工况，这么低的空载损耗，在待机模式下可以起到非常良好的节能效果。按国际标准，如果在额定交流输入情况下空载功耗低于5mW，则该认为该电源为“零功耗”的电源产品。在多数物联网项目的开发设计中，这是一个非常具有吸引力的亮点。不过这个要求的测量对功率计计的测量精度要求很高，一般需要采用积分测量的方式对输入功率进行测量。而且往往电源需要经过满载工作半小时以上，当各个元件温度稳定后，再在空载条件下进行测量。本次评测中，因受设备条件的限制，无法准确对其结果进行量化。
首先是启动电压比规范中的值小很多。在连接好测试回路，采用调压器从零开始调整电压，提高输入电压时，调压器自带的参考电压表显示在30V的时候，测试用开发板就已经开始工作，能够驱动低压侧的电路工作，在空载时能够稳定地输出额定的电压。这体现了这款IC内部高压供电恒流源的强大之处，同时也表现出其内部控制器极低的功耗特性。而当输入电压在60V的时候就可以稳定地在低压侧实现带载输出了。其次是耐压能力，这个开发板的高压耐用能力很强，这个调压器最高输出电压可达300V，在进行耐压测试的时候，逐步调整到满量程，开发板能够耐受这个电压，不过此时在负载端已经显示输出电压低了，此时这个LinkSwitch™-XT2SR已经启动过压保护，开发板停止工作了。为了防止损坏开发板，我们所加的过压状态持续的时间很短，没有具体测量电源停止工作的具体输入过压点。不过，这个测试已经显示了开发板的高压耐受能力和保护功能。特别一提的是LinkSwitch™-XT2SR的过载能力。在上面测试中，当电子负载最大已经调整到2.00A时，电源仍然能够保持很好的工作状态。不过继续调高到2.65A的时候就有可能启动过流保护了。具体这个过载输出能力，是受功率元件的结温和IC本体的散热条件决定的。同时设计中变压器也要保证在过载期间不出现饱和现象。通过我们的过载测试，可以验证该电源具有2A以上的过载能力，而且变压器没有出现饱和，从而造成开发板损坏的情况发生。但是实际设计时，我们还是建议将电源的过载功率点越接近额定输出功率最好，这样可以保证故障情况下负载的安全以及电源的可靠。 通过本次测评发现，LinkSwitch™-XT2SR确实是一款性能可靠，布局紧凑的反激变换芯片，能够适用多种应用场景。而且，在性能指标上还是比较保守，有所保留，留有足够的设计裕量。因此，这个芯片确实是可以做到既要还要也要的惊喜之选。https://www.powerint.cn/zh-hans/design-support/design-examples/der-998-12-w-or-6-w-selectable-output-voltage-appliance-power-supply-using-linkswitch-xt2sr
https://www.powerint.cn/zh-hans/design-support/data-sheets/linkswitch-xt2sr-data-sheet?utm_campaign=LinkSwitch-XT2SR&utm_medium=referral&utm_source=PI&utm_content=Datasheet&utm_term=AC-DC+LinkSwitch-XT2SR+Appliances+PI+CN
