高壓電容器充電如何變簡單

　　設計一個高達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，還要具備監視、狀態指示和保護功能，這就要很多電路，增加了設計復雜性。尤為重要的是要避免輸入過流，這種情況在發生在接通時會被誤認為是短路的容性負載所引發。還必需確保該類型的轉換器只有輸入電壓在安全工作范圍之內時才接通，從而保持長期可靠性。

　　專業高壓閃光燈系統、安全控制系統、脈沖雷達、汽車安全氣囊發射、應急頻閃燈、安全/存貨控制系統和雷管等都需要在一個電容器的兩端產生一個高電壓。怎樣設計一個可靠性、成本、安全性、尺寸和性能都優秀的高壓電源就是設計師必需應對的主要障礙。不過，凌力爾特公司最近推出的 LT3751 極大地簡化了這一問題。

　　LT3751是全功能反激式控制器，用來對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輸出電壓，接受更高的輸入電壓，同時具有更高的可編程性和更多保護功能。LT3751驅動一個外部N溝道MOSFET，可以在不到1s的時間內將一個1000μF的電容充到500V。此外，它還可以為主端輸出電壓檢測而配置，無須光耦合器。對于更低噪聲和更嚴格的輸出調節應用而言，一個為輸出電壓分壓的電阻分壓器網絡可以用來調節輸出，從而使該器件非常適合滿足高壓電源的要求。同時，可調變壓器匝數比和兩個外部電阻使輸出電壓調整大為簡化。此外，LT3751還有一個通過串聯電阻供電的內部60V并聯穩壓器，可以在??? 4.75～400V的輸入電壓范圍內工作。這允許最終用戶接受一個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，這種模式介于連續導通模式(CCM)和不連續導通模式(DCM)之間。臨界模式控制最大限度地減少了轉換損耗和變壓器尺寸，在為一個容性負載供電時非常容易實現電流平穩上升而不會進入限流狀態。臨界模式的另一個優勢是，它解決了使用電壓模式或PWM方法時可能出現的大信號穩定性問題，可以提供88%的效率以及快速瞬態響應。輸出電壓調節由同時采用峰值主端電流調制和占空比調制的雙路重疊調制來實現。

　　圖1電路顯示了LT3751的運作方式。其輸出電壓通過變壓器的主端繞組檢測。這種主端輸出電壓檢測僅利用一個部件便保持了隔離作用，而且結構簡單。輸出電壓在RVOUT引腳上被檢測，并通過R8、R9和變壓器匝數比的選擇來調節。這一隔離電路運用片上差分 DCM比較器，以12～24V輸入電壓將一個電容器充至450V。

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　　　　　　圖1 具主端輸出電壓檢測的LT3751應用電路

　　DCM比較器的差分工作模式允許LT3751準確地用400V甚至更高的電壓工作。此外，需要VOUT比較器和DCM比較器實現4.75V的低輸入電壓，同時使用一個邏輯電平外置MOSFET。這允許用戶接受一個極寬的電源范圍。讓LT3751作為一個電容器充電器工作僅需要5個外置電阻。輸出電壓跳變點（VOUT）可以用下述公式在50～450V范圍內調節。

　　R9=0.98N/(VOUT+VDIODES)×R8

　　其中，N是變壓器的匝數比，VDIODES是D1和D2的壓降。

　　一旦達到已設定的輸出電壓跳變點，LT3751就停止給輸出電容器充電。充電周期通過切換CHARGE引腳來控制。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，在沒有空氣流動的情況下限制變壓器表面溫度高于環境溫度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。通過讓變壓器體積加大和提供強制空氣冷卻，可以提高最大可用輸出功率。對于輸出電壓高于450V的情況而言，必須用一個有更高匝數比和更高主端電感的變壓器取代圖1中的變壓器。圖2顯示一個在不到100ms時間內充電到400V的100μF輸出電容器的充電波形和平均輸入電流。

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　　　　　　　　圖2? 圖1電路的充電波形

　　LT3751的另一個有用功能是在非隔離應用中將一個低壓電源變換成一個高壓電源。這是通過在輸出電壓到FB引腳和地之間設置一個電阻分壓器網絡來實現的。這使得LT3751作為一個穩壓器工作。該方法允許更精細的輸出電壓調節和更低的輸出紋波電壓。通過運用一個光耦合器來閉合反饋環路，這個電路可以轉換成一個具直接輸出電壓檢測的隔離反激式電路。圖3顯示了LT3751作為一個非隔離轉換器的情形以及有關的效率/調節曲線。效率在滿負載時增加到88%，而且在5～100mA之間保持0.25%的負載調節。

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　　　　　　圖3 副端輸出檢測的典型應用電路和效率曲線

　　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可能會產生破壞性極大的能量。用LT3751設計任何應用時，遵守恰當的安全措施尤其重要。設計師必須建立給輸出電容器安全放電的放電電路。此外，相鄰走線的高壓節點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)和過壓閉鎖(OVLO)。這允許用戶在輸入電壓處于不安全工作范圍時防止電源接通。當輸入電壓不在用戶可設定的安全工作范圍內時，FAULT引腳變有效。此外，LT3751還有過熱閉鎖保護功能，并在無負載時進入突發模式工作。LT3751在穩壓配置中有內部補償的反饋環路，簡化了穩定性補償。它還有一個片上DONE引腳，當達到輸出電容器充電電壓時，DONE引腳有效。此外，CHARGE引腳啟動一個新的充電周期或在電壓調節模式下啟動該器件。一個106mV差分電流檢測門限能準確地限制峰值開關電流，并允許使用低功率主端電流檢測電阻。

　　柵極驅動器和內部鉗位

　　使用柵極驅動器時有4個主要的因素：輸出電流驅動能力、峰值輸出電壓、功耗以及傳輸延遲。LT3751配備有一個1.5A的推挽主驅動器，足夠為80nC柵極供電。

　　大多數分立MOSFET都有一個20V的柵極至源極限壓。驅動一個高于20V的MOSFET可能引起內部柵極氧化層短路，從而造成永久性損壞。為了解決這個問題，LT3751有一個內部可選5.6V或10.5V柵極驅動器鉗位。無須外部組件，甚至無須電容器。只需簡單地將CLAMP引腳連接到地就能實現10.5V工作，或將其連接到VCC就能實現5.6V運作。內部鉗位不僅保護外部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，并降低了柵極驅動器電路的功耗。

　　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確工作。圖4顯示了一個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。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。

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　　　　　　圖4 100～400V輸入、500V輸出的電容器充電器

　　注意，增加R14、R15和Q1來保護外部M1 MOSFET，以免超過最大脈沖額定值。在通常情況下，該MOSFET漏極節點上存在的總等效電容必需要放電。由于這個節點最初可能被充電至超過400V，那么當FET首次接通時就會出現極大的電流尖峰，這可能永久性地損壞該FET。此時，可插入R14以設置最大電流尖峰：

　　ISPIKE=0.7/(R13+R14)=3.6A