预稳压器设计保护高压电源免生相位故障
发表时间: 2024-07-21 13:08:08 作者: 变压器
用于电表及大功率电器等应用,设计旨在采用3相电源工作的电源一定要能承受相位之间的错误连接,这样的错误 连接可能导致极高电压施加在输入端。延续之前第一部分介 绍整体可能的开关电源(SMPS)之概念,第二部分详细的介绍 这新的
为简化整体成本研究;我们将重点放在概念之间的差 异上,避免考虑计算两者任何相似的部分或功能。我们将使 用共源共栅(Cascode)方案完成比较,共源共栅方案被认为 是用于这类高压电源的传统方案(最先进的)。
我们从主电源开始,整体输入保险丝、EMI滤波器和二 极管整流均不作考虑,因为这之于两种方案是相似的。
对于共源共栅方案,两个大电容应该与正确的电压平 衡串联,突波限流器添加小的电路使能正确控制添加的功率 MOS。对预稳压器方案而言,我们不需那些,但需要更标 准的控制元件。
相同的全整合开关,由于电源电压降低,预稳压器方案将可 减小变压器尺寸及减小次级二极管反向电压,支援更低的肖 特基电压(约省0.04美元的成本)。
因为对共源共栅和预稳压器,功率MOS和整合开关都 是相似的, 我们将不考虑成本比较。 总输出电容、 Vcc 电 源、次级输出稳压皆不会考虑,因为其于两种方案是相类似 的。
如果整个电路不太依赖于传输功率,大电容与应用特 别是所要求的性能的维持的时间有紧密联系。为此,我们考虑 在总成本比较中,将大电容的成本影响放在第二步,可根据 应用的维持的时间的规格进行微调。
新的预稳压器方案尽管有更多数量的元件,以上的材 料单成本比较已显示其较原来的共源共栅方案节省0.05美元 成本无大电容。
之前的文章(第二部分)已说明,维持的时间将要求超大电 容,能量储存,避免在主电源关断后输 出电压下降太快。
简单的等式「½ C * (V02 - VF2) = (P-Out / Eff.) * t」允许为任何应用定义适 当的电容值。如果对预稳压器,V0始终 等于200 V,对共源共栅方案,关断前该 值与主电源有直接联系。尽管它高于230V;我们应考虑最低/最坏的可能的情况对应于180 V ac / 250
V。对共源共栅方案,这更高的电压V0 (250 V / 200 V)允许 更小的大电容C(假设两种方案的½ C * V02相同,共源共栅 中减小的电容会引起更大纹波)。
表1 共源共栅和预稳压器方案(无大电容、功率MOS和高压开关)之间的材料单和成本比较
尽管对电表应用峰值功率可高达10瓦,维持的时间一般 为低得多的功率级别而定义(在4瓦和2瓦之间)。以下表2按 照大电容用于共源共栅和预稳压器方案提供了给定功率所持 续的时间。表2方便选择,并比较了两种方案的维持的时间。
33 μF的电容,因为400 V类型不是总有68 μF,并且68 μF 对于电表应用尺寸过大(高度25 mm)。即使应用不要求严格 的维持的时间规格,减小太多大电容值可能至关重要:那些电 容的均方根(rms)电流应该够大以避免工业应用的可靠性问 题,此等预期使用时间可超过10年。
在定义支援持续时间规格的必要大电容后,我们可考 虑对总应用的影响,并比较共源共栅方案和预稳压器方案的总成本。
尽管功率水平有限,所有大电容是105℃类型的,以在 有限的(或甚至没有)冷却的困难条件下提高环境和温度避免任 何可靠性问题,并支援预期超过10年的使用时间。
即使使用更小的大电容,预稳压器方案可大幅节约成 本近0.50美元。这相当于功率MOS和高压开关的成本,这样 使用它们就几乎是免费的。相较于开关电源总成本,这0.50 美元的差异节约超过15%的成本。
对大多电表应用,即使主电源关断,数据转换也应该 在给定时间完成:这要求长的持续时间和相应的大电容。在 这种情况下,两种方案成本的差异将增加,使用更大的大电 容时,预稳压器方案将节省本金1美元,即如表4所示的超过
105℃ 2000小时的电解电容器可能不足以保证10年以上使 用时间(应用可能必须在未经任何冷却的高环境温度下工 作)。
对整体应用的预期使用时间,电解电容是最关键的元 件/技术,我们可能需要考虑使用更好的类型,即使成本增 加。提升105℃标准的2000小时类型到5000小时类型,可在 相同条件下增加一倍预期使用时间。下表5比较了2千小时和
5千小时两种类型,集中于大值/维持的时间(差异将随更大的 大电容进一步增加)。
当使用105℃ 5000小时的类型时,看到两种方案的差异 进一步增加是很有趣的,但更有趣的是比较任一应用的影 响。对共源共栅方案,为延长使用时间,我们的确会大大增 加0.32美元的成本,对使用250 V电容的预稳压器方案仅需增 加0.06美元。这表明,在降低成本上,预稳压器几乎不用增 加成本而延长使用时间/提高可靠性,而这修改对传统的共 源共栅方案将是很昂贵的。
对共源共栅方案没有电源配置的限制。使用标准的桥 (半波或全波)二极管整流,后转换器将由储存在电容里的峰 值电压供电,并通过二极管装满每一周期。对预稳压器,表现是不同的。因为该方案控制输入电源和输出大电容之间的压差,输入电源的纹波应在整个周期
(以主电源频率)的一段时间足够大,低于输出电源(在大电 容上)以支援下一转换周期。如果这总是半波整流单相供电 的情况,对3相供电和/或全波整流以低得多的输入电源纹波 更为关键。
解决这问题的替代方案是提供更高的电源电压:提高稳压输出至350 V允许输入电源(更多相电源或全波整流)有「 更大的最小值」 。 使 用单个400 V大电容将减小共源共栅方案和 预稳压器方案的成本差异。大电压将随主 电源而变化直到钳位,限制后反激式转换 器电源到350 V,即使发生故障(类似于标 准宽范围应用)。这修改可使用齐纳二极管 ZD3和ZD4(参阅第二部分的预稳压器原理 图)容易地完成,提升参考电压至所需值。 下面的表6列出了从单相到3相供电、 有或无中性连接、半波或全波整流的所有可能。
推荐的预稳压器方案是以半波整流的 单相供电,可表现出很好的性能,输入电 源总是在最少的时间段低于输出电源以重 设控制电流。半波整流对保持250 V电容的 功率水平不是问题。
200V预稳压器不可用于任何类型的应 用:功率应该有限制,3相供电难以掌控, 全波整流可能要求提升输出电压至350 V。 然而,当为低于15瓦的半波整流设计 时,该方案支援任何错误的电源(如两相供 电),反激式转换器的电源可降至200 V。该方案提供更容易 的反激式转换器设计,很好的性能,在整个功率范围提供比 共源共栅更高的能效(约5%),和很好的安全性(含短路大电 容)。该方案特别适用于电表应用及白家电或工业应用的辅助电源。
由于单个和较小的大电容电压,预稳压器方案大幅节 约成本(较标准的共源共栅节约15%~20%),根据所要求的持 续时间和相应的大电容值和尺寸节省本金0.4美元~1美元。
目前这预稳压器为分立应用;尽管安森美半导体有这 应用的许可证,企业来提供此知识产权(IP)供购买PWM控制器
/稳压器/MOSFET的客户免费使用。这方案通过节省系统级 成本,还进一步节省系统总成本,而且安森美半导体的元件 是「免费的」,所以安森美半导体认为这是一种双赢。我们 目前正考虑将这预稳压器整合在一个集成电路(IC)中,但是
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