高壓電容器充電變簡(jiǎn)單了

設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)復(fù)雜性。尤為重要的是要避免輸入過(guò)流，這種情況在發(fā)生在接通時(shí)會(huì)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(shí)才接通，從而保持長(zhǎng)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(gè)電容器的兩端產(chǎn)生一個(gè)高電壓。怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)師必需應(yīng)對(duì)的主要障礙。不過(guò)，凌力爾特公司最近推出的 LT3751 極大地簡(jiǎn)化了這一問(wèn)題。

LT3751是全功能反激式控制器，用來(lái)對(duì)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(cè)輸出電壓，接受更高的輸入電壓，同時(shí)具有更高的可編程性和更多保護(hù)功能。LT3751驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部N溝道MOSFET，可以在不到1s的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)1000μF的電容充到500V。此外，它還可以為主端輸出電壓檢測(cè)而配置，無(wú)須光耦合器。對(duì)于更低噪聲和更嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)應(yīng)用而言，一個(gè)為輸出電壓分壓的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)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(shí)，可調(diào)變壓器匝數(shù)比和兩個(gè)外部電阻使輸出電壓調(diào)整大為簡(jiǎn)化。此外，LT3751還有一個(gè)通過(guò)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(gè)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(gè)容性負(fù)載供電時(shí)非常容易實(shí)現(xiàn)電流平穩(wěn)上升而不會(huì)進(jìn)入限流狀態(tài)。臨界模式的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它解決了使用電壓模式或PWM方法時(shí)可能出現(xiàn)的大信號(hào)穩(wěn)定性問(wèn)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 具主端輸出電壓檢測(cè)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(guò)變壓器的主端繞組檢測(cè)。這種主端輸出電壓檢測(cè)僅利用一個(gè)部件便保持了隔離作用，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。輸出電壓在RVOUT引腳上被檢測(cè)，并通過(guò)R8、R9和變壓器匝數(shù)比的選擇來(lái)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(gè)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(shí)現(xiàn)4.75V的低輸入電壓，同時(shí)使用一個(gè)邏輯電平外置MOSFET。這允許用戶接受一個(gè)極寬的電源范圍。讓LT3751作為一個(gè)電容器充電器工作僅需要5個(gè)外置電阻。輸出電壓跳變點(diǎn)（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(diǎn)，LT3751就停止給輸出電容器充電。充電周期通過(guò)切換CHARGE引腳來(lái)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(méi)有空氣流動(dòng)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(guò)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(duì)于輸出電壓高于450V的情況而言，必須用一個(gè)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(gè)在不到100ms時(shí)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

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LT3751的另一個(gè)有用功能是在非隔離應(yīng)用中將一個(gè)低壓電源變換成一個(gè)高壓電源。這是通過(guò)在輸出電壓到FB引腳和地之間設(shè)置一個(gè)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使得LT3751作為一個(gè)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(guò)運(yùn)用一個(gè)光耦合器來(lái)閉合反饋環(huán)路，這個(gè)電路可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)具直接輸出電壓檢測(cè)的隔離反激式電路。圖3顯示了LT3751作為一個(gè)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(shí)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(cè)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(huì)產(chǎn)生破壞性極大的能量。用LT3751設(shè)計(jì)任何應(yīng)用時(shí)，遵守恰當(dāng)?shù)陌踩胧┯绕渲匾?。設(shè)計(jì)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(diǎn)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(guò)壓閉鎖(OVLO)。這允許用戶在輸入電壓處于不安全工作范圍時(shí)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(shí)，F(xiàn)AULT引腳變有效。此外，LT3751還有過(guò)熱閉鎖保護(hù)功能，并在無(wú)負(fù)載時(shí)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(jiǎn)化了穩(wěn)定性補(bǔ)償。它還有一個(gè)片上DONE引腳，當(dāng)達(dá)到輸出電容器充電電壓時(shí)，DONE引腳有效。此外，CHARGE引腳啟動(dòng)一個(gè)新的充電周期或在電壓調(diào)節(jié)模式下啟動(dòng)該器件。一個(gè)106mV差分電流檢測(cè)門(mén)限能準(zhǔn)確地限制峰值開(kāi)關(guān)電流，并允許使用低功率主端電流檢測(cè)電阻。

柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部鉗位
使用柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)有4個(gè)主要的因素：輸出電流驅(qū)動(dòng)能力、峰值輸出電壓、功耗以及傳輸延遲。LT3751配備有一個(gè)1.5A的推挽主驅(qū)動(dòng)器，足夠?yàn)?0nC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(gè)20V的柵極至源極限壓。驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(gè)問(wèn)題，LT3751有一個(gè)內(nèi)部可選5.6V或10.5V柵極驅(qū)動(dòng)器鉗位。無(wú)須外部組件，甚至無(wú)須電容器。只需簡(jiǎn)單地將CLAMP引腳連接到地就能實(shí)現(xiàn)10.5V工作，或?qū)⑵溥B接到VCC就能實(shí)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(dòng)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(gè)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(cè)。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(lái)保護(hù)外部M1 MOSFET，以免超過(guò)最大脈沖額定值。在通常情況下，該MOSFET漏極節(jié)點(diǎn)上存在的總等效電容必需要放電。由于這個(gè)節(jié)點(diǎn)最初可能被充電至超過(guò)400V，那么當(dāng)FET首次接通時(shí)就會(huì)出現(xiàn)極大的電流尖峰，這可能永久性地?fù)p壞該FET。此時(shí)，可插入R14以設(shè)置最大電流尖峰：
ISPIKE=0.7/(R13+R14)=3.6A  (3)