開關(guān)電源設(shè)計：高壓電容器充電變簡單了

設(shè)計一個高達(dá)kV的高壓電容器充電器或電源不是一件小事。采用通用反激式 PWM 控制器的分立式解決方案需要光耦合器，還要具備監(jiān)視、狀態(tài)指示和保護(hù)功能，這就要很多電路，增加了設(shè)計復(fù)雜性。尤為重要的是要避免輸入過流，這種情況在發(fā)生在接通時會被誤認(rèn)為是短路的容性負(fù)載所引發(fā)。還必需確保該類型的轉(zhuǎn)換器只有輸入電壓在安全工作范圍之內(nèi)時才接通，從而保持長期可靠性。

專業(yè)高壓閃光燈系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、脈沖雷達(dá)、汽車安全氣囊發(fā)射、應(yīng)急頻閃燈、安全/存貨控制系統(tǒng)和雷管等都需要在一個電容器的兩端產(chǎn)生一個高電壓。怎樣設(shè)計一個可靠性、成本、安全性、尺寸和性能都優(yōu)秀的高壓電源就是設(shè)計師必需應(yīng)對的主要障礙。不過，凌力爾特公司最近推出的 LT3751 極大地簡化了這一問題。

LT3751是全功能反激式控制器，用來對大型電容器迅速充電到1000V，是之前推出的LT3750的第二代版本。其增加的功能包括從變壓器的主或副端檢測輸出電壓，接受更高的輸入電壓，同時具有更高的可編程性和更多保護(hù)功能。LT3751驅(qū)動一個外部N溝道MOSFET，可以在不到1s的時間內(nèi)將一個1000μF的電容充到500V。此外，它還可以為主端輸出電壓檢測而配置，無須光耦合器。對于更低噪聲和更嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)應(yīng)用而言，一個為輸出電壓分壓的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)可以用來調(diào)節(jié)輸出，從而使該器件非常適合滿足高壓電源的要求。同時，可調(diào)變壓器匝數(shù)比和兩個外部電阻使輸出電壓調(diào)整大為簡化。此外，LT3751還有一個通過串聯(lián)電阻供電的內(nèi)部60V并聯(lián)穩(wěn)壓器，可以在 4.75～400V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。這允許最終用戶接受一個極寬的輸入電源范圍，其VCC輸入接受范圍為5～24V。

LT3751工作于臨界模式，這種模式介于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)之間。臨界模式控制最大限度地減少了轉(zhuǎn)換損耗和變壓器尺寸，在為一個容性負(fù)載供電時非常容易實現(xiàn)電流平穩(wěn)上升而不會進(jìn)入限流狀態(tài)。臨界模式的另一個優(yōu)勢是，它解決了使用電壓模式或PWM方法時可能出現(xiàn)的大信號穩(wěn)定性問題，可以提供88%的效率以及快速瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓調(diào)節(jié)由同時采用峰值主端電流調(diào)制和占空比調(diào)制的雙路重疊調(diào)制來實現(xiàn)。

圖1 具主端輸出電壓檢測的LT3751應(yīng)用電路

圖1電路顯示了LT3751的運(yùn)作方式。其輸出電壓通過變壓器的主端繞組檢測。這種主端輸出電壓檢測僅利用一個部件便保持了隔離作用，而且結(jié)構(gòu)簡單。輸出電壓在RVOUT引腳上被檢測，并通過R8、R9和變壓器匝數(shù)比的選擇來調(diào)節(jié)。這一隔離電路運(yùn)用片上差分 DCM比較器，以12～24V輸入電壓將一個電容器充至450V。

DCM比較器的差分工作模式允許LT3751準(zhǔn)確地用400V甚至更高的電壓工作。此外，需要VOUT比較器和DCM比較器實現(xiàn)4.75V的低輸入電壓，同時使用一個邏輯電平外置MOSFET。這允許用戶接受一個極寬的電源范圍。讓LT3751作為一個電容器充電器工作僅需要5個外置電阻。輸出電壓跳變點（VOUT）可以用下述公式在50～450V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

R9=0.98N/(VOUT+VDIODES)×R8

其中，N是變壓器的匝數(shù)比，VDIODES是D1和D2的壓降。

一旦達(dá)到已設(shè)定的輸出電壓跳變點，LT3751就停止給輸出電容器充電。充電周期通過切換CHARGE引腳來控制。輸出電容器的最高充電/放電速率受變壓器中溫度變化和外部 MOSFET功耗的限制。圖1中，在沒有空氣流動的情況下限制變壓器表面溫度高于環(huán)境溫度40℃需要平均輸出功率低于或等于40W。

PAVE =1/2COUT·freq·(2VOUT·VRIPPLE-V2RIPPLE)≤40W

其中，VOUT是輸出跳變電壓，VRIPPLE是輸出紋波電壓，freq是充電/放電頻率。通過讓變壓器體積加大和提供強(qiáng)制空氣冷卻，可以提高最大可用輸出功率。對于輸出電壓高于450V的情況而言，必須用一個有更高匝數(shù)比和更高主端電感的變壓器取代圖1中的變壓器。圖2顯示一個在不到100ms時間內(nèi)充電到400V的100μF輸出電容器的充電波形和平均輸入電流。

圖2 圖1電路的充電波形

LT3751的另一個有用功能是在非隔離應(yīng)用中將一個低壓電源變換成一個高壓電源。這是通過在輸出電壓到FB引腳和地之間設(shè)置一個電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。這使得LT3751作為一個穩(wěn)壓器工作。該方法允許更精細(xì)的輸出電壓調(diào)節(jié)和更低的輸出紋波電壓。通過運(yùn)用一個光耦合器來閉合反饋環(huán)路，這個電路可以轉(zhuǎn)換成一個具直接輸出電壓檢測的隔離反激式電路。圖3顯示了LT3751作為一個非隔離轉(zhuǎn)換器的情形以及有關(guān)的效率/調(diào)節(jié)曲線。效率在滿負(fù)載時增加到88%，而且在5～100mA之間保持0.25%的負(fù)載調(diào)節(jié)。

圖3 副端輸出檢測的典型應(yīng)用電路和效率曲線

安全和可靠性功能

充電到高壓的大型電容器如果處置不當(dāng)可能會產(chǎn)生破壞性極大的能量。用LT3751設(shè)計任何應(yīng)用時，遵守恰當(dāng)?shù)陌踩胧┯绕渲匾?。設(shè)計師必須建立給輸出電容器安全放電的放電電路。此外，相鄰走線的高壓節(jié)點之間需要充足的空間，以滿足印刷電路板電壓擊穿要求。

LT3751具有安全性和可靠性功能，包括兩套面向VTRANS和VCC輸入的欠壓閉鎖(UVLO)和過壓閉鎖(OVLO)。這允許用戶在輸入電壓處于不安全工作范圍時防止電源接通。當(dāng)輸入電壓不在用戶可設(shè)定的安全工作范圍內(nèi)時，F(xiàn)AULT引腳變有效。此外，LT3751還有過熱閉鎖保護(hù)功能，并在無負(fù)載時進(jìn)入突發(fā)模式工作。LT3751在穩(wěn)壓配置中有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆答伃h(huán)路，簡化了穩(wěn)定性補(bǔ)償。它還有一個片上DONE引腳，當(dāng)達(dá)到輸出電容器充電電壓時，DONE引腳有效。此外，CHARGE引腳啟動一個新的充電周期或在電壓調(diào)節(jié)模式下啟動該器件。一個106mV差分電流檢測門限能準(zhǔn)確地限制峰值開關(guān)電流，并允許使用低功率主端電流檢測電阻。

柵極驅(qū)動器和內(nèi)部鉗位

使用柵極驅(qū)動器時有4個主要的因素：輸出電流驅(qū)動能力、峰值輸出電壓、功耗以及傳輸延遲。LT3751配備有一個1.5A的推挽主驅(qū)動器，足夠為80nC柵極供電。

圖4 100～400V輸入、500V輸出的電容器充電器

大多數(shù)分立MOSFET都有一個20V的柵極至源極限壓。驅(qū)動一個高于20V的MOSFET可能引起內(nèi)部柵極氧化層短路，從而造成永久性損壞。為了解決這個問題，LT3751有一個內(nèi)部可選5.6V或10.5V柵極驅(qū)動器鉗位。無須外部組件，甚至無須電容器。只需簡單地將CLAMP引腳連接到地就能實現(xiàn)10.5V工作，或?qū)⑵溥B接到VCC就能實現(xiàn)5.6V運(yùn)作。內(nèi)部鉗位不僅保護(hù)外部MOSFET免受損壞，而且還減少了注入柵極的能量。這提高了總體效率，并降低了柵極驅(qū)動器電路的功耗。

高輸入電源電壓，隔離的電容器充電器

正如前面提到的那樣，差分DCM和VOUT比較器允許該器件從高輸入電壓準(zhǔn)確工作。圖4顯示了一個全波橋式整流離線電容器充電器。變壓器提供主到副端隔離，輸出電壓在主端變壓器繞組上檢測。高于80V的輸入電壓需要在DCM和VOUT比較器上使用電阻分壓器。圖4所示電路工作在100～400V的DC輸入電壓下。

注意，增加R14、R15和Q1來保護(hù)外部M1 MOSFET，以免超過最大脈沖額定值。在通常情況下，該MOSFET漏極節(jié)點上存在的總等效電容必需要放電。由于這個節(jié)點最初可能被充電至超過400V，那么當(dāng)FET首次接通時就會出現(xiàn)極大的電流尖峰，這可能永久性地?fù)p壞該FET。此時，可插入R14以設(shè)置最大電流尖峰：

ISPIKE=0.7/(R13+R14)=3.6A (3)