【導(dǎo)讀】用于故障容受型高壓電源的新型預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計是很多新手和老手都不能精通的設(shè)計。本文討論幾種設(shè)計故障容受型電源的方法，其中包括新的預(yù)穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可簡化電路設(shè)計及元件選擇。希望能幫助到工程師朋友們。
討論幾種設(shè)計故障容受型電源的方法，其中包括新的預(yù)穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可簡化電路設(shè)計及元件選擇。
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)。這可以通過修改標準開關(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：反激轉(zhuǎn)換器中的串聯(lián)大電容電路及單顆1，000VMOSFET
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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MOSFETdV/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。
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，60VMOSFET的柵極要求額外的TVS。與標準反激架構(gòu)一樣，開關(guān)電源的設(shè)計應(yīng)當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)典拓撲結(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。
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
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為足夠，但非抗雪崩型器件應(yīng)當考慮有20%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)當保持在低于800V極限值的極低標準。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。
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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準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，標準交流主電源濾波器不要求修改，因為電流不會超過標準反激轉(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MOSFET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)用要求在嚴苛工作環(huán)境下提供超過10年的連續(xù)服務(wù)。
