【導(dǎo)讀】故障受容型電源的設(shè)計方法有很多種，本文講解的是一種新型的穩(wěn)壓器的設(shè)計，這是一種新興的預(yù)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，能夠簡化電路設(shè)計，在元器件選擇方面也更加省時省力。
對抗相位故障
如果交流電源到電表之間出現(xiàn)錯誤連接故障，或是像空調(diào)或電磁爐等采用三相電源工作的大功率負(fù)載在兩個相位之間的連接錯誤，電源輸入端很有可能出現(xiàn)極高電壓。為了在這些類型故障條件下生存，主AC-DC電源就必須能夠承受約為常規(guī)交流主電源均方根(RMS)供電電壓兩倍的電壓。
對于在美國(額定交流主電源電壓為110VAC)工作的系統(tǒng)而言，通用交流主電源輸入的常規(guī)開關(guān)電源(SMPS)能符合此要求。但是，在歐洲或亞洲，開關(guān)電源必須能夠承受460V電壓(整流后高于600VDC)。這可以通過修改標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電源輸入來實現(xiàn)，方法是在輸入端串聯(lián)兩個大電容。對于采用1,000V或更高額定電壓MOSFET構(gòu)建的經(jīng)典反激轉(zhuǎn)換器，或是使用共源共柵(cascode)連接的兩顆MOSFET的修改型反激架構(gòu)而言，這可能就滿足需求了。
市場上沒有適合的額定電壓高于450V的大電容，因此，就要求串聯(lián)2顆電容來支持600V或更高電壓。由于電容串聯(lián)連接，它們的值就會翻倍，使得維持時間的存儲的總能量保持相同。為了避免兩個電容之間出現(xiàn)不均衡的電壓分配，應(yīng)當(dāng)為各個電容并聯(lián)電阻。這就增加了I2R損耗，因此降低電源能效。而且，還要求額外的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，用于保護電容免受短路故障影響。
圖1顯示了為傳統(tǒng)反激轉(zhuǎn)換器供電修改的大電容電路。雖然此方法不要求額外的開關(guān)模塊，但必須使用額定電壓達1,000V或更高的MOSFET，用于支持輸入端更高的故障電壓，以及變壓器反激電壓。針對寬輸入電壓范圍設(shè)計開關(guān)電源也要求相應(yīng)的寬頻率動態(tài)范圍或MOSFET導(dǎo)通時間(ton)變化，以在更寬范圍內(nèi)維持穩(wěn)壓。此外，更高的MOSFET dV/dt也會增加開關(guān)損耗，導(dǎo)致能效降低，并增加電磁干擾(EMI)的風(fēng)險。
圖1：反激轉(zhuǎn)換器中的串聯(lián)大電容電路及單顆1,000V MOSFET
圖2：MOSFET與開關(guān)穩(wěn)壓器采用共源共柵配置的高壓輸入開關(guān)電源
另一種方法是單顆MOSFET可以采用共源共柵配置的2顆MOSFET來替代，如圖2所示。普通的700V開關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)合600V功率MOSFET，足以承受反激電壓與整流輸入電壓之和。如電路所示，60V MOSFET的柵極要求額外的TVS。與標(biāo)準(zhǔn)反激架構(gòu)一樣，開關(guān)電源的設(shè)計應(yīng)當(dāng)針對寬輸入電壓范圍，并帶有相應(yīng)的大開關(guān)頻率漂移或ton動態(tài)范圍，以確保輸出電壓的穩(wěn)壓。開關(guān)損耗及復(fù)雜EMI信號的風(fēng)險也相似。
又一種方法，是通過審慎的設(shè)計，使用帶800V功率MOSFET或集成開關(guān)穩(wěn)壓器的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)一種方案。然而，必須注意將變壓器反射電壓降至最小，從而將最大晶體管電壓保持在低于800V，即使電源電壓在故障條件下處于最高時(約620V )。這要求變壓器具有小匝數(shù)比(Np/ Ns)及低初級電感。當(dāng)輸入電壓高、輸出功率低時MOSFET導(dǎo)通時間ton必須極短，而次級端二極管擁有長導(dǎo)電時間。
有幾項因素會限制這類方案的性能、損及可靠性并增加成本。極短的導(dǎo)通時間ton可能滋生不穩(wěn)定的穩(wěn)壓，迫使開關(guān)電源在非突發(fā)模式下降至低頻工作。此外，雖然對于抗雪崩型功率MOSFET而言，10%的電壓余量通常被認(rèn)為足夠，但非抗雪崩型器件應(yīng)當(dāng)考慮有2 0%的余量，以避免瞬態(tài)事件及啟動相位期間出現(xiàn)任何問題。至于次級側(cè)二極管，要求高反向電壓能力，這通常需要高成本、大體積及大正向壓降Vf (通常會降低能效)的二極管。
變壓器漏電感產(chǎn)生的峰值電壓應(yīng)當(dāng)保持在低于800V極限值的極低標(biāo)準(zhǔn)。這要求使用大的緩沖器電路，該電路會增加功率耗散，因而損及總能效。
新型預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計
一種新的可選方案建議在開關(guān)電源輸入端插入穩(wěn)壓器，如圖3所示。這就無需串聯(lián)大電容及其相關(guān)的電路，且能使用傳統(tǒng)反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計，以避免使用特殊高壓元器件。
圖3：預(yù)穩(wěn)壓器簡化轉(zhuǎn)換器設(shè)計，能夠使用更小、更低成本的元器件
可以設(shè)計一個穩(wěn)壓器— 能夠防止開關(guān)電源輸入電壓超過由輸入整流器產(chǎn)生的380VDC常規(guī)最大電壓。這就能夠使用單個標(biāo)準(zhǔn)450V大電容及700V集成開關(guān)穩(wěn)壓器，而沒有電壓及設(shè)計問題。而且，通過進一步降低穩(wěn)壓輸出電壓以將開關(guān)電源輸入電壓保持在200VDC(140VACx2)的最低電壓，還能獲得更大的優(yōu)勢。預(yù)穩(wěn)壓器用作LDO，提供200VDC穩(wěn)壓電壓，但它的開關(guān)特性避免了功率耗散過多、大散熱片及可靠性問題。能夠使用250V大電容，縮小尺寸并降低成本。開關(guān)電源緩沖器能用于控制及驅(qū)動預(yù)穩(wěn)壓器MOSFET。為了達到最高能效，開關(guān)預(yù)穩(wěn)壓器與主電源同步，從而通過穩(wěn)壓器MOSFET，以最小的電壓降為大電容提供能量。這可以將能效提升至約90%。此設(shè)計使用半波而非全波交流主電源整流，可以避免導(dǎo)通時間過短并降低開關(guān)損耗。這種預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計還提供在啟動相位期間限制浪涌電流的電路。
系統(tǒng)中有了預(yù)穩(wěn)壓器，開關(guān)電源的設(shè)計也簡化了。由于輸入電壓范圍大幅減小，就不要求支持大的頻率及導(dǎo)通時間ton變化范圍。此外，使用較小的250V大電容，能夠優(yōu)化維持時間，而對總體尺寸及成本的影響極小，因為250V電容比450V電容更小、更經(jīng)濟。不僅如此，大電容較低的供電電壓使緩沖器電路電容能夠減小，而緩沖器阻抗可以相應(yīng)增加。
減小的供電電壓也提供更高的靈活性，可以設(shè)計帶有更高反射電壓能力的變壓器，不僅可以降低緩沖器尺寸及能耗從而提升能效，還使次級二極管能夠擁有更低的反向電壓能力及相應(yīng)更低的正向壓降Vf。降低供電電壓的更深層次優(yōu)勢是優(yōu)化開關(guān)損耗及電磁干擾(EMI)?？傮w而言，預(yù)穩(wěn)壓器能夠提升開關(guān)電源能效，顯著減小尺寸并降低成本。
其它幾個方面也值得一提。其一，標(biāo)準(zhǔn)交流主電源濾波器不要求修改，因為電流不會超過標(biāo)準(zhǔn)反激轉(zhuǎn)換器最小供電電壓提供的電流。此外，也可以省去用于限制浪涌電流的NTC器件，因為預(yù)穩(wěn)壓器的限流器現(xiàn)在可以提供此功能。開關(guān)電源也不要求半波或全橋整流器，因為整流在預(yù)穩(wěn)壓器之前已經(jīng)完成了。
結(jié)論
這種200V 預(yù)穩(wěn)壓器就像超高能效的LDO，幫助簡化支持超高輸入電壓的電源設(shè)計。它非常適合用于必須承受因中性線開路或兩相之間錯誤連接導(dǎo)致的高輸入電壓的單相電源。
使用預(yù)穩(wěn)壓器幫助簡化大電容選擇，同時減小電容尺寸并減少電容數(shù)量。單個低壓大電容擁有長維持時間，比要求兩個大電容及平衡電阻的經(jīng)典途徑還節(jié)省空間及成本。250V大電容(而非450V大電容)配合使用技術(shù)更優(yōu)化的電容，為高環(huán)境溫度工作條件提供更長的使用壽命。
更深層次的優(yōu)勢是能使用單個700V集成開關(guān)穩(wěn)壓器來替代高壓MOS FET及分立控制器，或是采用共源共柵連接的MOSFET與高壓開關(guān)穩(wěn)壓器。此外，可以簡化變壓器設(shè)計及使用更小的次級端二極管。對于電表等應(yīng)用而言這一點尤為關(guān)鍵，因為這類應(yīng)用要求在嚴(yán)苛工作環(huán)境下提供超過10年的連續(xù)服務(wù)。
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