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| 基于LT3751的高壓電容充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2016/6/20 14:09:00 |
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設(shè)計(jì)電壓高達(dá)1,000伏的高壓電容充電器或電源絕非輕易之事。采用通用反激式PWM(脈寬調(diào)制)控制器的分立方案 需包含光電耦合器及監(jiān)視、狀態(tài)指示和保護(hù)功能。這種方案通常要求許多電路，設(shè)計(jì)復(fù)雜性很高。對(duì)于高壓電容充電器而言，必須避免在接通期間由于容性負(fù)載表現(xiàn) 為短路而形成輸入過(guò)流折返情況。另外還必須采取措施保證這種轉(zhuǎn)換器僅在輸入電壓在安全工作范圍之內(nèi)時(shí)接通，以保證其長(zhǎng)期可靠性。
如果無(wú)需物理傳感器直接測(cè)量高電壓就能確定高壓輸出電容是否已經(jīng)充滿，不僅會(huì)為我們帶來(lái)很多便利，還 能省去一個(gè)跨越隔離電路的器件。另外，某些應(yīng)用的用戶也可能希望可以自己選擇合適的門驅(qū)動(dòng)電壓。專業(yè)高壓閃光燈系統(tǒng)、保安控制系統(tǒng)、脈沖雷達(dá)、汽車安全氣 囊、緊急搜救燈、安全/庫(kù)存控制系統(tǒng)和雷管等都要求在電容兩端施加高電壓。可靠性、成本、安全、尺寸和性能是高壓電源設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的重大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
凌力爾特公司最近推出的LT3751極大地簡(jiǎn)化了這個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。LT3751是全功能反激式控制器，可迅速把大型電 容器充到1,000伏的高壓。它是以前推出的LT3750的第二代改進(jìn)型產(chǎn)品，所增加的功能包括感測(cè)變壓器初級(jí)或次級(jí)輸出電壓的能力、可接受更高的輸出電 壓并具有更強(qiáng)的編程能力和保護(hù)性能。LT3751可驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET，并可在不到1秒的時(shí)間內(nèi)把1,000μF電容充到500V。
另外，該器件無(wú)需使用光電耦合器即可被配置為初級(jí)輸出電壓檢測(cè)模式。對(duì)于要求噪聲更低和輸出調(diào)節(jié)更精確的應(yīng)用，可使用從輸出電壓上接出的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)輸出，完全適于滿足高壓電源的要求。其輸出電壓可通過(guò)設(shè)置變壓器匝比和兩個(gè)外部電阻方便地進(jìn)行調(diào)整。
另外，LT3751帶有通過(guò)串聯(lián)電阻供電的內(nèi)部60V并聯(lián)穩(wěn)壓器，并可在從4.75V到高達(dá)400V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。這為終端用戶提供了極寬的輸入電源范圍，是迄今為止唯一一款在單一封中實(shí)現(xiàn)該性能的裝器件。其VCC 輸入可接受5～24V的電壓。
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降低了轉(zhuǎn)換損耗、減小了變壓器尺寸并可通過(guò)設(shè)置使該器件電流緩升以免在為容性負(fù)載供電時(shí)進(jìn)入限流狀態(tài)。
臨界模式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在一定程度上解決了使用電壓模式或PWM技術(shù)可能出現(xiàn)的大信號(hào)穩(wěn)定性問題，并可提供高達(dá)88%的轉(zhuǎn)換效率和快速的瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓調(diào)節(jié)采用交疊使用峰值初級(jí)電流調(diào)制和占空比調(diào)制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖1給出了LT3751通過(guò)變壓器的初級(jí)繞組檢測(cè)輸出電壓的工作方式。這種檢測(cè)初級(jí)側(cè)輸出電壓的方法保持了單器件 (即功率變壓器)隔離且電路非常簡(jiǎn)單。輸出電壓可由RVOUT 引腳檢測(cè)并可通過(guò)選擇R8、R9和變壓器匝比進(jìn)行設(shè)定。該隔離型電路利用片上差分DCM比較器以12V到24V的輸入電壓把電容充電到450V。變壓器 (T1)為Wurth Electronics公司的現(xiàn)貨產(chǎn)品，器件號(hào)為75031040。
 圖1：LT3751的工作方式。
DCM 比較器的差分工作模式使LT3751可準(zhǔn)確地在高達(dá)400V或更高的輸入電壓下工作。此外，對(duì)于低至4.75V的較低輸入電壓，也需要利用VOUT比較器 和DCM比較器并需使用邏輯電平的外部MOSFET。這樣的配置使用戶可適應(yīng)非常寬的電源范圍。在作為電容充電器使用時(shí)，LT3751只需5個(gè)外部電阻就 可以工作。輸出電壓跳變點(diǎn)(VOUT)可按下述公式在50V到450V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
其中N是變壓器的匝比，VDIODES 是D1和D2兩端的電壓降。
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。通過(guò)把CHARGE引腳在開/關(guān)之間切換， 充電周期重復(fù)進(jìn)行。輸出電容的最大充電/放電速率受到變壓器溫度變化和外部MOSFET功耗的限制。圖1中，在沒有空氣流動(dòng)的情況下，如果要把變壓器(使 用Wurth公司的現(xiàn)貨變壓器器件75031049)的表面溫度限制在高于周圍環(huán)境的40°C，要求平均輸出功率小于等于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)使用更大的變壓器和提供強(qiáng)制風(fēng)冷可提高可用的輸出功率。
安全和可靠性
為高壓大型電容器充電時(shí)，如果處置不當(dāng)就可能產(chǎn)生極大的破壞。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ＴO(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VTRAMS和VCCc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安全工作范圍之外時(shí)防止電源接通。當(dāng)輸入電壓在用戶可設(shè)定的安全工作范圍之外時(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)門限能準(zhǔn)確地限制峰值開關(guān)電流，并允許使用低功率初級(jí)側(cè)電流檢測(cè)電阻。
作者：Bruce Haug，
產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理
凌力爾特公司 |
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