預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)保護(hù)高壓電源免生相位故障

     用于電表及大功率電器等應(yīng)用，設(shè)計(jì)旨在采用3相電源工作的電源必須能夠承受相位之間的錯(cuò)誤連接，這樣的錯(cuò)誤 連接可能導(dǎo)致極高電壓施加在輸入端。延續(xù)之前第一部分介 紹整體可能的開(kāi)關(guān)電源(SMPS)之概念，第二部分詳細(xì)介紹 這新的預(yù)穩(wěn)壓器的工作原理和優(yōu)勢(shì)，第三部分則將集中于介 紹整體成本優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用限制。

1 簡(jiǎn)介
為簡(jiǎn)化整體成本研究；我們將重點(diǎn)放在概念之間的差 異上，避免考慮計(jì)算兩者任何相似的部分或功能。我們將使 用共源共柵(Cascode)方案完成比較，共源共柵方案被認(rèn)為 是用于這類高壓電源的傳統(tǒng)方案(最先進(jìn)的)。

2 兩種方案的比較
我們從主電源開(kāi)始，整體輸入保險(xiǎn)絲、EMI濾波器和二 極管整流均不作考慮，因?yàn)檫@之于兩種方案是相似的。
對(duì)于共源共柵方案，兩個(gè)大電容應(yīng)該與正確的電壓平 衡串聯(lián)，突波限流器添加小的電路使能正確控制添加的功率 MOS。對(duì)預(yù)穩(wěn)壓器方案而言，我們不需那些，但需要更標(biāo) 準(zhǔn)的控制元件。

圖1  即將進(jìn)行比較的共源共柵(Cascode)和預(yù)穩(wěn)壓器方案
對(duì)于反激式開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，如果兩種方案都可使用
相同的全整合開(kāi)關(guān)，由于電源電壓降低，預(yù)穩(wěn)壓器方案將可 減小變壓器尺寸及減小次級(jí)二極管反向電壓，支援更低的肖 特基電壓(約省0.04美元的成本)。
因?yàn)閷?duì)共源共柵和預(yù)穩(wěn)壓器，功率MOS和整合開(kāi)關(guān)都 是相似的， 我們將不考慮成本比較。 總輸出電容、 Vcc 電 源、次級(jí)輸出穩(wěn)壓皆不會(huì)考慮，因?yàn)槠溆趦煞N方案是相類似 的。

3 詳細(xì)的材料單和功能成本
如果整個(gè)電路不太依賴于傳輸功率，大電容與應(yīng)用特 別是所要求的性能的持續(xù)時(shí)間有緊密聯(lián)系。為此，我們考慮 在總成本比較中，將大電容的成本影響放在第二步，可根據(jù) 應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間的規(guī)格進(jìn)行微調(diào)。
新的預(yù)穩(wěn)壓器方案盡管有更多數(shù)量的元件，以上的材 料單成本比較已顯示其較原來(lái)的共源共柵方案節(jié)省0.05美元 成本無(wú)大電容。

4 持續(xù)時(shí)間規(guī)格對(duì)大電容的影響
之前的文章(第二部分)已說(shuō)明，持續(xù)時(shí)間將要求超大電 容，能量?jī)?chǔ)存，避免在主電源關(guān)斷后輸 出電壓下降太快。
簡(jiǎn)單的等式「? C * (V02 - VF2) = (P-Out / Eff.) * t」允許為任何應(yīng)用定義適 當(dāng)?shù)碾娙葜?。如果?duì)預(yù)穩(wěn)壓器，V0始終 等于200 V，對(duì)共源共柵方案，關(guān)斷前該 值與主電源有直接聯(lián)系。盡管它高于230V；我們應(yīng)考慮最低/最壞的可能的情況對(duì)應(yīng)于180 V ac / 250
V。對(duì)共源共柵方案，這更高的電壓V0 (250 V / 200 V)允許 更小的大電容C(假設(shè)兩種方案的? C * V02相同，共源共柵 中減小的電容會(huì)引起更大紋波)。

表1  共源共柵和預(yù)穩(wěn)壓器方案(無(wú)大電容、功率MOS和高壓開(kāi)關(guān))之間的材料單和成本比較
盡管對(duì)電表應(yīng)用峰值功率可高達(dá)10瓦，持續(xù)時(shí)間一般 為低得多的功率級(jí)別而定義(在4瓦和2瓦之間)。以下表2按 照大電容用于共源共柵和預(yù)穩(wěn)壓器方案提供了給定功率所持 續(xù)的時(shí)間。表2方便選擇，并比較了兩種方案的持續(xù)時(shí)間。
對(duì)共源共柵的「大型大電容」，我們不得不考慮兩倍
33 μF的電容，因?yàn)?00 V類型不是總有68 μF，并且68 μF 對(duì)于電表應(yīng)用尺寸過(guò)大(高度>25 mm)。即使應(yīng)用不要求嚴(yán)格 的持續(xù)時(shí)間規(guī)格，減小太多大電容值可能至關(guān)重要：那些電 容的均方根(rms)電流應(yīng)該夠大以避免工業(yè)應(yīng)用的可靠性問(wèn) 題，此等預(yù)期使用時(shí)間可超過(guò)10年。

5 大電容和應(yīng)用總成本的影響
在定義支援持續(xù)時(shí)間規(guī)格的必要大電容后，我們可考 慮對(duì)總應(yīng)用的影響，并比較共源共柵方案和預(yù)穩(wěn)壓器方案的總成本。
盡管功率水平有限，所有大電容是105℃類型的，以在 有限的(或甚至沒(méi)有)冷卻的困難條件下提高環(huán)境溫度避免任 何可靠性問(wèn)題，并支援預(yù)期超過(guò)10年的使用時(shí)間。
即使使用更小的大電容，預(yù)穩(wěn)壓器方案可大幅節(jié)約成 本近0.50美元。這相當(dāng)于功率MOS和高壓開(kāi)關(guān)的成本，這樣 使用它們就幾乎是免費(fèi)的。相較于開(kāi)關(guān)電源總成本，這0.50 美元的差異節(jié)約超過(guò)15%的成本。
對(duì)大多電表應(yīng)用，即使主電源關(guān)斷，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也應(yīng)該 在給定時(shí)間完成：這要求長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和相應(yīng)的大電容。在 這種情況下，兩種方案成本的差異將增加，使用更大的大電 容時(shí)，預(yù)穩(wěn)壓器方案將節(jié)約成本1美元，即如表4所示的超過(guò)
20%的開(kāi)關(guān)電源的總成本，提供延長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。

6 電容延長(zhǎng)的使用時(shí)間對(duì)應(yīng)用總成本的影響
對(duì)高可靠性/延長(zhǎng)使用時(shí)間的產(chǎn)品如工業(yè)或電表應(yīng)用，
105℃ 2000小時(shí)的電解電容器可能不足以保證10年以上使 用時(shí)間（應(yīng)用可能必須在未經(jīng)任何冷卻的高環(huán)境溫度下工 作）。
對(duì)整體應(yīng)用的預(yù)期使用時(shí)間，電解電容是最關(guān)鍵的元 件/技術(shù)，我們可能需要考慮使用更好的類型，即使成本增 加。提升105℃標(biāo)準(zhǔn)的2000小時(shí)類型到5000小時(shí)類型，可在 相同條件下增加一倍預(yù)期使用時(shí)間。下表5比較了2千小時(shí)和
5千小時(shí)兩種類型，集中于大值/持續(xù)時(shí)間(差異將隨更大的 大電容進(jìn)一步增加)。
當(dāng)使用105℃ 5000小時(shí)的類型時(shí)，看到兩種方案的差異 進(jìn)一步增加是很有趣的，但更有趣的是比較任一應(yīng)用的影 響。對(duì)共源共柵方案，為延長(zhǎng)使用時(shí)間，我們的確會(huì)大大增 加0.32美元的成本，對(duì)使用250 V電容的預(yù)穩(wěn)壓器方案僅需增 加0.06美元。這表明，在降低成本上，預(yù)穩(wěn)壓器幾乎不用增 加成本而延長(zhǎng)使用時(shí)間/提高可靠性，而這修改對(duì)傳統(tǒng)的共 源共柵方案將是很昂貴的。

7 預(yù)穩(wěn)壓器和應(yīng)用限制
對(duì)共源共柵方案沒(méi)有電源配置的限制。使用標(biāo)準(zhǔn)的橋 (半波或全波)二極管整流，后轉(zhuǎn)換器將由儲(chǔ)存在電容里的峰 值電壓供電，并通過(guò)二極管裝滿每一周期。對(duì)預(yù)穩(wěn)壓器，表現(xiàn)是不同的。因?yàn)樵摲桨缚刂戚斎腚娫春洼敵龃箅娙葜g的壓差，輸入電源的紋波應(yīng)在整個(gè)周期

表2  輸入大電容在特定輸出功率對(duì)持續(xù)時(shí)間的影響

表3  輸入大電容對(duì)總成本的影響

表4  輸入大電容對(duì)提供超長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的總成本的影響

表5  輸入大電容延長(zhǎng)的使用時(shí)間對(duì)整體應(yīng)用成本的影響

表6 達(dá)3相供電的所有可能和相應(yīng)的預(yù)穩(wěn)壓器方案的限制

(以主電源頻率)的一段時(shí)間足夠大，低于輸出電源(在大電 容上)以支援下一轉(zhuǎn)換周期。如果這總是半波整流單相供電 的情況，對(duì)3相供電和/或全波整流以低得多的輸入電源紋波 更為關(guān)鍵。
解決這問(wèn)題的替代方案是提供更高的電源電壓：提高穩(wěn)壓輸出至350 V允許輸入電源(更多相電源或全波整流)有「 更大的最小值」 。 使 用單個(gè)400 V大電容將減小共源共柵方案和 預(yù)穩(wěn)壓器方案的成本差異。大電壓將隨主 電源而變化直到鉗位，限制后反激式轉(zhuǎn)換 器電源到350 V，即使發(fā)生故障(類似于標(biāo) 準(zhǔn)寬范圍應(yīng)用)。這修改可使用齊納二極管 ZD3和ZD4(參閱第二部分的預(yù)穩(wěn)壓器原理 圖)容易地完成，提升參考電壓至所需值。 下面的表6列出了從單相到3相供電、 有或無(wú)中性連接、半波或全波整流的所有可能。
推薦的預(yù)穩(wěn)壓器方案是以半波整流的 單相供電，可表現(xiàn)出很好的性能，輸入電 源總是在最少的時(shí)間段低于輸出電源以重 設(shè)控制電流。半波整流對(duì)保持250 V電容的 功率水平不是問(wèn)題。

8 總結(jié)
200V預(yù)穩(wěn)壓器不可用于任何類型的應(yīng) 用：功率應(yīng)該有限制，3相供電難以掌控， 全波整流可能要求提升輸出電壓至350 V。 然而，當(dāng)為低于15瓦的半波整流設(shè)計(jì) 時(shí)，該方案支援任何錯(cuò)誤的電源(如兩相供 電)，反激式轉(zhuǎn)換器的電源可降至200 V。該方案提供更容易 的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，很好的性能，在整個(gè)功率范圍提供比 共源共柵更高的能效(約5%)，和很好的安全性(含短路大電 容)。該方案特別適用于電表應(yīng)用及白家電或工業(yè)應(yīng)用的輔助電源。
由于單個(gè)和較小的大電容電壓，預(yù)穩(wěn)壓器方案大幅節(jié) 約成本(較標(biāo)準(zhǔn)的共源共柵節(jié)約15%~20%)，根據(jù)所要求的持 續(xù)時(shí)間和相應(yīng)的大電容值和尺寸節(jié)約成本0.4美元~1美元。
目前這預(yù)穩(wěn)壓器為分立應(yīng)用；盡管安森美半導(dǎo)體有這 應(yīng)用的許可證，公司提供此知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)供購(gòu)買PWM控制器
/穩(wěn)壓器/MOSFET的客戶免費(fèi)使用。這方案通過(guò)節(jié)省系統(tǒng)級(jí) 成本，還進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)總成本，而且安森美半導(dǎo)體的元件 是「免費(fèi)的」，所以安森美半導(dǎo)體認(rèn)為這是一種雙贏。我們 目前正考慮將這預(yù)穩(wěn)壓器整合在一個(gè)集成電路(IC)中，但是
否這樣做將取決于市場(chǎng)對(duì)分立方案是否接受。