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| 基于LT3751的高壓電容充電系統設計 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2016/6/20 14:09:00 |
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設計電壓高達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(脈寬調制)控制器的分立方案 需包含光電耦合器及監視、狀態(tài)指示和保護功能。這種方案通常要求許多電路，設計復雜性很高。對于高壓電容充電器而言，必須避免在接通期間由于容性負載表現 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換器僅在輸入電壓在安全工作范圍之內時(shí)接通，以保證其長(cháng)期可靠性。
如果無(wú)需物理傳感器直接測量高電壓就能確定高壓輸出電容是否已經(jīng)充滿(mǎn)，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，某些應用的用戶(hù)也可能希望可以自己選擇合適的門(mén)驅動(dòng)電壓。專(zhuān)業(yè)高壓閃光燈系統、保安控制系統、脈沖雷達、汽車(chē)安全氣 囊、緊急搜救燈、安全/庫存控制系統和雷管等都要求在電容兩端施加高電壓�？煽啃�、成本、安全、尺寸和性能是高壓電源設計者必須面對的重大設計挑戰。
凌力爾特公司最近推出的LT3751極大地簡(jiǎn)化了這個(gè)設計任務(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變壓器初級或次級輸出電壓的能力、可接受更高的輸出電 壓并具有更強的編程能力和保護性能。LT3751可驅動(dòng)外部N溝道MOSFET，并可在不到1秒的時(shí)間內把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輸出電壓檢測模式。對于要求噪聲更低和輸出調節更精確的應用，可使用從輸出電壓上接出的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )來(lái)調節輸出，完全適于滿(mǎn)足高壓電源的要求。其輸出電壓可通過(guò)設置變壓器匝比和兩個(gè)外部電阻方便地進(jìn)行調整。
另外，LT3751帶有通過(guò)串聯(lián)電阻供電的內部60V并聯(lián)穩壓器，并可在從4.75V到高達400V的輸入電壓范圍內工作。這為終端用戶(hù)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降低了轉換損耗、減小了變壓器尺寸并可通過(guò)設置使該器件電流緩升以免在為容性負載供電時(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)可能出現的大信號穩定性問(wèn)題，并可提供高達88%的轉換效率和快速的瞬態(tài)響應。輸出電壓調節采用交疊使用峰值初級電流調制和占空比調制的方式來(lái)實(shí)現。
圖1給出了LT3751通過(guò)變壓器的初級繞組檢測輸出電壓的工作方式。這種檢測初級側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 引腳檢測并可通過(guò)選擇R8、R9和變壓器匝比進(jìn)行設定。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公司的現貨產(chǎn)品，器件號為75031040。
 圖1：LT3751的工作方式。
DCM 比較器的差分工作模式使LT3751可準確地在高達400V或更高的輸入電壓下工作。此外，對于低至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(hù)可適應非常寬的電源范圍。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范圍內調節。
其中N是變壓器的匝比，VDIODES 是D1和D2兩端的電壓降。
一旦達到已設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(kāi)/關(guān)之間切換， 充電周期重復進(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(méi)有空氣流動(dòng)的情況下，如果要把變壓器(使 用Wurth公司的現貨變壓器器件75031049)的表面溫度限制在高于周?chē)h(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)，如果處置不當就可能產(chǎn)生極大的破壞。用LT3751設計任何應用時(shí)，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(xiàn)的高壓節點(diǎn)之間需要充足的空間，以滿(mǎn)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(hù)在輸入電壓處于安全工作范圍之外時(shí)防止電源接通。當輸入電壓在用戶(hù)可設定的安全工作范圍之外時(shí)，FAULT引腳變有效。此 外，LT3751還有過(guò)熱閉鎖保護功能，并在無(wú)負載時(shí)進(jìn)入突發(fā)模式工作。LT3751在穩壓配置中有內部補償的反饋環(huán)路，簡(jiǎn)化了穩定性補償。它還有一個(gè)片 上DONE引腳，當達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節模式下啟動(dòng)該器件。一個(gè) 106mV差分電流檢測門(mén)限能準確地限制峰值開(kāi)關(guān)電流，并允許使用低功率初級側電流檢測電阻。
作者：Bruce Haug，
產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
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