【導讀】用于故障容受型高壓電源的新型預穩壓器設計是很多新手和老手都不能精通的設計。本文討論幾種設計故障容受型電源的方法，其中包括新的預穩壓器拓撲結構，該結構可簡化電路設計及元件選擇。希望能幫助到工程師朋友們。
討論幾種設計故障容受型電源的方法，其中包括新的預穩壓器拓撲結構，該結構可簡化電路設計及元件選擇。
對抗相位故障
如果交流電源到電表之間出現錯誤連接故障，或是像空調或電磁爐等采用三相電源工作的大功率負載在兩個相位之間的連接錯誤，電源輸入端很有可能出現極高電壓。為了在這些類型故障條件下生存，主AC-DC電源就必須能夠承受約為常規交流主電源均方根(RMS)供電電壓兩倍的電壓。
對于在美國(額定交流主電源電壓為110VAC)工作的系統而言，通用交流主電源輸入的常規開關電源(SMPS)能符合此要求。但是，在歐洲或亞洲，開關電源必須能夠承受460V電壓(整流后高于600VDC)。這可以通過修改標準開關電源輸入來實現，方法是在輸入端串聯兩個大電容。對于采用1，000V或更高額定電壓MOSFET構建的經典反激轉換器，或是使用共源共柵(cascode)連接的兩顆MOSFET的修改型反激架構而言，這可能就滿足需求了。
市場上沒有適合的額定電壓高于450V的大電容，因此，就要求串聯2顆電容來支持600V或更高電壓。由于電容串聯連接，它們的值就會翻倍，使得維持時間的存儲的總能量保持相同。為了避免兩個電容之間出現不均衡的電壓分配，應當為各個電容并聯電阻。這就增加了I2R損耗，因此降低電源能效。而且，還要求額外的瞬態電壓抑制器(TVS)，用于保護電容免受短路故障影響。
圖1：反激轉換器中的串聯大電容電路及單顆1，000VMOSFET
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圖1顯示了為傳統反激轉換器供電修改的大電容電路。雖然此方法不要求額外的開關模塊，但必須使用額定電壓達1，000V或更高的MOSFET，用于支持輸入端更高的故障電壓，以及變壓器反激電壓。針對寬輸入電壓范圍設計開關電源也要求相應的寬頻率動態范圍或MOSFET導通時間(ton)變化，以在更寬范圍內維持穩壓。此外，更高的MOSFETdV/dt也會增加開關損耗，導致能效降低，并增加電磁干擾(EMI)的風險。
另一種方法是單顆MOSFET可以采用共源共柵配置的2顆MOSFET來替代，如圖2所示。普通的700V開關穩壓器結合600V功率MOSFET，足以承受反激電壓與整流輸入電壓之和。如電路所示，60VMOSFET的柵極要求額外的TVS。與標準反激架構一樣，開關電源的設計應當針對寬輸入電壓范圍，并帶有相應的大開關頻率漂移或ton動態范圍，以確保輸出電壓的穩壓。開關損耗及復雜EMI信號的風險也相似。
又一種方法，是通過審慎的設計，使用帶800V功率MOSFET或集成開關穩壓器的經典拓撲結構來實現一種方案。然而，必須注意將變壓器反射電壓降至最小，從而將最大晶體管電壓保持在低于800V，即使電源電壓在故障條件下處于最高時(約620V)。這要求變壓器具有小匝數比(Np/Ns)及低初級電感。當輸入電壓高、輸出功率低時MOSFET導通時間ton必須極短，而次級端二極管擁有長導電時間。
圖2：MOSFET與開關穩壓器采用共源共柵配置的高壓輸入開關電源
有幾項因素會限制這類方案的性能、損及可靠性并增加成本。極短的導通時間ton可能滋生不穩定的穩壓，迫使開關電源在非突發模式下降至低頻工作。此外，雖然對于抗雪崩型功率MOSFET而言，10%的電壓余量通常被認為足夠，但非抗雪崩型器件應當考慮有20%的余量，以避免瞬態事件及啟動相位期間出現任何問題。至于次級側二極管，要求高反向電壓能力，這通常需要高成本、大體積及大正向壓降Vf(通常會降低能效)的二極管。
變壓器漏電感產生的峰值電壓應當保持在低于800V極限值的極低標準。這要求使用大的緩沖器電路，該電路會增加功率耗散，因而損及總能效。
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新型預穩壓器設計
一種新的可選方案建議在開關電源輸入端插入穩壓器，如圖3所示。這就無需串聯大電容及其相關的電路，且能使用傳統反激轉換器設計，以避免使用特殊高壓元器件。
圖3：預穩壓器簡化轉換器設計，能夠使用更小、更低成本的元器件
可以設計一個穩壓器-能夠防止開關電源輸入電壓超過由輸入整流器產生的380VDC常規最大電壓。這就能夠使用單個標準450V大電容及700V集成開關穩壓器，而沒有電壓及設計問題。而且，通過進一步降低穩壓輸出電壓以將開關電源輸入電壓保持在200VDC(140VACx2)的最低電壓，還能獲得更大的優勢。預穩壓器用作LDO，提供200VDC穩壓電壓，但它的開關特性避免了功率耗散過多、大散熱片及可靠性問題。能夠使用250V大電容，縮小尺寸并降低成本。開關電源緩沖器能用于控制及驅動預穩壓器MOSFET。
為了達到最高能效，開關預穩壓器與主電源同步，從而通過穩壓器MOSFET，以最小的電壓降為大電容提供能量。這可以將能效提升至約90%。此設計使用半波而非全波交流主電源整流，可以避免導通時間過短并降低開關損耗。這種預穩壓器設計還提供在啟動相位期間限制浪涌電流的電路。
系統中有了預穩壓器，開關電源的設計也簡化了。由于輸入電壓范圍大幅減小，就不要求支持大的頻率及導通時間ton變化范圍。此外，使用較小的250V大電容，能夠優化維持時間，而對總體尺寸及成本的影響極小，因為250V電容比450V電容更小、更經濟。不僅如此，大電容較低的供電電壓使緩沖器電路電容能夠減小，而緩沖器阻抗可以相應增加。
減小的供電電壓也提供更高的靈活性，可以設計帶有更高反射電壓能力的變壓器，不僅可以降低緩沖器尺寸及能耗從而提升能效，還使次級二極管能夠擁有更低的反向電壓能力及相應更低的正向壓降Vf。降低供電電壓的更深層次優勢是優化開關損耗及電磁干擾(EMI)。總體而言，預穩壓器能夠提升開關電源能效，顯著減小尺寸并降低成本。
其它幾個方面也值得一提。其一，標準交流主電源濾波器不要求修改，因為電流不會超過標準反激轉換器最小供電電壓提供的電流。此外，也可以省去用于限制浪涌電流的NTC器件，因為預穩壓器的限流器現在可以提供此功能。開關電源也不要求半波或全橋整流器，因為整流在預穩壓器之前已經完成了。
結論
這種200V預穩壓器就像超高能效的LDO，幫助簡化支持超高輸入電壓的電源設計。它非常適合用于必須承受因中性線開路或兩相之間錯誤連接導致的高輸入電壓的單相電源。
使用預穩壓器幫助簡化大電容選擇，同時減小電容尺寸并減少電容數量。單個低壓大電容擁有長維持時間，比要求兩個大電容及平衡電阻的經典途徑還節省空間及成本。250V大電容(而非450V大電容)配合使用技術更優化的電容，為高環境溫度工作條件提供更長的使用壽命。
更深層次的優勢是能使用單個700V集成開關穩壓器來替代高壓MOSFET及分立控制器，或是采用共源共柵連接的MOSFET與高壓開關穩壓器。此外，可以簡化變壓器設計及使用更小的次級端二極管。對于電表等應用而言這一點尤為關鍵，因為這類應用要求在嚴苛工作環境下提供超過10年的連續服務。
