新型200V預(yù)穩(wěn)壓器可簡(jiǎn)化故障容受型電源的設(shè)計(jì)

討論幾種設(shè)計(jì)故障容受型電源的方法，其中包括新的預(yù)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及元件選擇。

對(duì)抗相位故障

如果交流電源到電表之間出現(xiàn)錯(cuò)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(gè)相位之間的連接錯(cuò)誤，電源輸入端很有可能出現(xiàn)極高電壓。為了在這些類(lèi)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(duì)于在美國(guó)（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(kāi)關(guān)電源（SMPS）能符合此要求。但是，在歐洲或亞洲，開(kāi)關(guān)電源必須能夠承受460V電壓（整流后高于600VDC）。這可以通過(guò)修改標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)電源輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法是在輸入端串聯(lián)兩個(gè)大電容。對(duì)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(chǎng)上沒(méi)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(lái)支持600V或更高電壓。由于電容串聯(lián)連接，它們的值就會(huì)翻倍，使得維持時(shí)間的存儲(chǔ)的總能量保持相同。為了避免兩個(gè)電容之間出現(xiàn)不均衡的電壓分配，應(yīng)當(dāng)為各個(gè)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(hù)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(kāi)關(guān)模塊，但必須使用額定電壓達(dá)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(duì)寬輸入電壓范圍設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源也要求相應(yīng)的寬頻率動(dòng)態(tài)范圍或MOSFET導(dǎo)通時(shí)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(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致能效降低，并增加電磁干擾（EMI）的風(fēng)險(xiǎn)。

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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用共源共柵配置的高壓輸入開(kāi)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(lái)替代，如圖2所示。普通的700V開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)針對(duì)寬輸入電壓范圍，并帶有相應(yīng)的大開(kāi)關(guān)頻率漂移或ton動(dòng)態(tài)范圍，以確保輸出電壓的穩(wěn)壓。開(kāi)關(guān)損耗及復(fù)雜EMI信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)也相似。

又一種方法，是通過(guò)審慎的設(shè)計(jì)，使用帶800V功率MOSFET或集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(shí)（約620V ）。這要求變壓器具有小匝數(shù)比（Np/ Ns）及低初級(jí)電感。當(dāng)輸入電壓高、輸出功率低時(shí)MOSFET導(dǎo)通時(shí)間ton必須極短，而次級(jí)端二極管擁有長(zhǎng)導(dǎo)電時(shí)間。

有幾項(xiàng)因素會(huì)限制這類(lèi)方案的性能、損及可靠性并增加成本。極短的導(dǎo)通時(shí)間ton可能滋生不穩(wěn)定的穩(wěn)壓，迫使開(kāi)關(guān)電源在非突發(fā)模式下降至低頻工作。此外，雖然對(duì)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(dòng)相位期間出現(xiàn)任何問(wèn)題。至于次級(jí)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(huì)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(huì)增加功率耗散，因而損及總能效。

新型預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

一種新的可選方案建議在開(kāi)關(guān)電源輸入端插入穩(wěn)壓器，如圖3所示。這就無(wú)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(jì)，以避免使用特殊高壓元器件。

圖3：預(yù)穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，能夠使用更小、更低成本的元器件

可以設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓器— 能夠防止開(kāi)關(guān)電源輸入電壓超過(guò)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)450V大電容及700V集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，而沒(méi)有電壓及設(shè)計(jì)問(wèn)題。而且，通過(guò)進(jìn)一步降低穩(wěn)壓輸出電壓以將開(kāi)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(shì)。預(yù)穩(wěn)壓器用作LDO，提供200VDC穩(wěn)壓電壓，但它的開(kāi)關(guān)特性避免了功率耗散過(guò)多、大散熱片及可靠性問(wèn)題。能夠使用250V大電容，縮小尺寸并降低成本。開(kāi)關(guān)電源緩沖器能用于控制及驅(qū)動(dòng)預(yù)穩(wěn)壓器MOSFET。

為了達(dá)到最高能效，開(kāi)關(guān)預(yù)穩(wěn)壓器與主電源同步，從而通過(guò)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(jì)使用半波而非全波交流主電源整流，可以避免導(dǎo)通時(shí)間過(guò)短并降低開(kāi)關(guān)損耗。這種預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)還提供在啟動(dòng)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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)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(shí)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(shí)間，而對(duì)總體尺寸及成本的影響極小，因?yàn)?50V電容比450V電容更小、更經(jīng)濟(jì)。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(jì)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(jí)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(shì)是優(yōu)化開(kāi)關(guān)損耗及電磁干擾（EMI）。總體而言，預(yù)穩(wěn)壓器能夠提升開(kāi)關(guān)電源能效，顯著減小尺寸并降低成本。

其它幾個(gè)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?yàn)殡娏鞑粫?huì)超過(guò)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?yàn)轭A(yù)穩(wěn)壓器的限流器現(xiàn)在可以提供此功能。開(kāi)關(guān)電源也不要求半波或全橋整流器，因?yàn)檎髟陬A(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(jiǎn)化支持超高輸入電壓的電源設(shè)計(jì)。它非常適合用于必須承受因中性線開(kāi)路或兩相之間錯(cuò)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(jiǎn)化大電容選擇，同時(shí)減小電容尺寸并減少電容數(shù)量。單個(gè)低壓大電容擁有長(zhǎng)維持時(shí)間，比要求兩個(gè)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(zhǎng)的使用壽命。

更深層次的優(yōu)勢(shì)是能使用單個(gè)700V集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。此外，可以簡(jiǎn)化變壓器設(shè)計(jì)及使用更小的次級(jí)端二極管。對(duì)于電表等應(yīng)用而言這一點(diǎn)尤為關(guān)鍵，因?yàn)檫@類(lèi)應(yīng)用要求在嚴(yán)苛工作環(huán)境下提供超過(guò)10年的連續(xù)服務(wù)。

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