DC/DC转换器,电容充电器输入4.75V至400V

高压电源和电容充电器很容易在许多应用中找到,包括专业的闪光灯,安全控制系统,脉冲雷达系统,卫星通信系统和爆炸雷管。该LT3751它使设计师能够满足这些应用,包括高可靠性,成本相对较低,操作安全,最小的电路板空间和高性能的苛刻要求。
LT3751是一款通用型反激式控制器,可用作稳压器或电容器充电器。LT3751工作在边界模式,连续导通模式和非连续导通模式之间。边界模式操作允许相对较小的变压器和整体减少的PCB占用面积。边界模式还可以降低使用电压模式或PWM技术可能产生的大信号稳定性问题。使用峰值初级电流调制和占空比调制的新双重重叠调制技术实现调节,大大降低了可听变压器噪声。
LT3751具有许多安全和可靠性功能,包括两组欠压锁定(UVLO),两组过压锁定(OVLO),空载操作,过温锁定(OTLO),所有高压引脚上的内部齐纳钳位,以及可选的5.6V或10.5V内部栅极驱动器电压钳位(无需外部元件)。LT3751还增加了一个启动/短路保护电路,以防止变压器或外部FET损坏。当用作稳压器时,LT3751的反馈环路在内部进行补偿以确保稳定性。LT3751提供两种封装,20引脚裸露焊盘QFN或20引脚裸露焊盘TSSOP。
带内部钳位的新型栅极驱动器不需要外部元件
使用栅极驱动器时有四个主要问题:输出电流驱动能力,峰值输出电压,功耗和传播延迟。LT3751配备1.5A推挽式主驱动器,足以驱动+ 80nC门。LT3751还集成了一个辅助的0.5A PMOS上拉驱动器,与主驱动器并联使用,用于8V及以下的V CC电压。该PMOS驱动器允许轨到轨操作。高于8V时,必须通过将其漏极连接到V CC来禁用PMOS驱动器。
大多数分立FET的V GS限值为20V。驱动FET高于20V可能会导致内部栅极氧化物短路,从而造成永久性损坏。为缓解此问题,LT3751具有内部可选的5.6V或10.5V栅极驱动器钳位。无需外部元件,甚至不需要电容器。只需将CLAMP引脚接地即可进行10.5V操作,或者连接到V CC以进行5.6V操作。图1显示了栅极驱动器在10.5V时钳位,V CC电压为24V。
 
 
 
图1
图1.典型应用中的栅极驱动器波形。
内部钳位不仅可以保护FET免受损坏,还可以减少注入栅极的能量。这提高了整体效率并降低了栅极驱动器电路中的功耗。栅极驱动器过冲非常小,如图1所示。将外部FET放置在靠近LT3751 HVGATE引脚的位置可以减少过冲。
高压隔离电容充电器,10V至24V输入
LT3751可配置为完全隔离的独立电容充电器,采用新的差分非连续导通模式(DCM)比较器(用于检测边界模式条件)和新的差分输出电压(V OUT)比较器。DCM比较器和V OUT比较器的差分工作使LT3751能够在高于400V的高压输入电源下精确工作。同样,LT3751的DCM比较器和V OUT比较器可以使用低至4.75V的输入电源。这适用于无与伦比的电源范围。
图2显示了一个高压电容充电器,由10V至24V的输入电源驱动。LT3751只需五个电阻即可作为电容充电器。通过调节R9给出的输出电压跳变点可以从50V连续调节到450V:
公式1
 
 
 
图2
图2. 10V至24V输入的隔离式高压电容充电器。
一旦达到编程的输出电压跳变点(V OUT(TRIP)),LT3751就会停止对输出电容充电。通过切换CHARGE引脚重复充电周期。输出电容器的最大充电/放电速率受变压器温升的限制。将图2中的变压器表面温度限制在65°C且无气流时,平均输出功率≤40W,由下式给出:
公式2
其中V OUT(TRIP)是输出跳变电压,V RIPPLE是输出节点上的纹波电压,频率是充电/放电频率。两种技术用于增加可用输出功率:增加变压器上的气流,或增加变压器本身的尺寸。图3显示了100μF输出电容的充电波形和平均输入电流,充电电压为400V,小于100ms(R 9 =976Ω)。
 
 
 
图3
图3.隔离式高压电容器充电器充电波形。
对于高于450V的输出电压,图2中的变压器必须更换为具有较高初级电感和较高匝数比的变压器。有关正确的变压器设计步骤,请参考LT3751数据手册。
10V至24V输入的高压稳压电源
LT3751还可用于将低压电源转换为更高的电压。在输出节点与FB引脚和地之间放置一个电阻分压器会使LT3751作为稳压器工作。图4显示了一个400V稳压电源,工作电压范围为10V至24V。
 
 
 
图4
图4. 10V至24V输入,400V稳压电源。
LT3751采用调节控制方案,可大幅降低变压器和输入输出陶瓷大容量电容器的可听噪声。这是通过使用内部26kHz时钟来同步初级绕组开关周期来实现的。在时钟周期内,LT3751可调制峰值初级电流和开关周期数。图5a和5b分别显示了重载和轻载波形,而图5c显示了图4中应用的大部分工作范围的效率。
 
 
 
图5
图5.高压稳压器性能。
时钟在每个周期强制至少一个开关周期,这将在无负载条件下对输出电容器进行过充电。LT3751可处理空载条件并防止输出节点过度充电。图6显示了LT3751在空载条件下的保护。
 
 
 
图6
图6. LT3751在空载条件下保护输出。
可以将电阻器添加到RV OUT和RBG以添加第二层保护,或者可以省略它们以通过将RV OUT和RBG接地来减少元件数量。V OUT比较器的跳闸电平通常比标称调节电压高20%。如果电阻分压器发生故障,V OUT比较器将在输出爬升到标称值以上20%时禁用开关。
请注意,LT3751的FB引脚也可用于电容充电器。LT3751作为电容充电器工作,直到FB引脚达到1.225V,之后LT3751作为电压调节器工作。这样可以使电容器保持最佳状态,直到应用需要使用其能量。输出电阻分压器形成从输出电容到地的泄漏路径。当输出电压下降时,LT3751反馈电路将通过小的低电流突发电荷使电容器保持最高电压,如图6所示。
高输入电源电压,隔离电容充电器
如上所述,LT3751差分DCM和V OUT比较器允许器件在非常高的输入电源电压下精确工作。如图7所示,离线电容充电器可以在100V至400V的直流输入电压下工作。变压器提供从输入电源到输出节点的电流隔离 - 无需额外的磁性元件。
 
 
 
图7
图7. 100V至400V输入,500V输出,隔离电容充电器。
输入电压大于80V需要在DCM和V OUT比较器上使用电阻分压器(仅限充电器模式)。通过增加电流I Q至R 10和R 11来提高V OUT跳闸阈值的精度; 但是,R 6 / R 7的比例应与R 10 / R 11紧密匹配,公差接近0.1%。一个技巧是使用电阻阵列来产生所需的比率。与使用单独的0.1%表面贴装电阻相比,实现0.1%的比率精度并不困难并且可以降低总体成本。请注意,各个电阻的绝对值并不重要,只有R的比值6 / R 7和R 10 / R 11。DCM比较器不太重要,可以承受大于1%的电阻变化。
使用0.1%电阻分压器,100V至400VDC输入电容充电器在整个工作范围内的整体V OUT(TRIP)精度优于6%。图8显示了图7中电路的V OUT(TRIP)和充电时间的典型性能。
 
 
 
图8
图8.隔离电容充电器V OUT(TRIP)和相对于输入电压的充电时间。
高输入电源电压,非隔离电容充电器/稳压器
LT3751的FB引脚也可配置为从高输入电源电压为电容充电。只需将电阻分压器从输出节点连接到FB引脚即可。R VTRANS和R DCM引脚上的电阻分压器可以容纳5%的电阻,并且所有R V(OUT)和R BG引脚电阻都被移除。这降低了所需组件的数量和容差,减少了电路板空间和总体设计成本。通过输出电压电阻分压器,图9中的电路也是一个功能齐全的高效电压调节器,负载和线路调节率优于1%。图9中的电路的效率和线路调节分别在图10a和图10b中示出。
 
 
 
图9
图9. 100V至400V输入,400V输出,电容充电器和稳压器。
 
 
 
图10
图10.高压输入和输出稳压器性能。
或者,可以将一个电阻从V OUT连接到OVLO1引脚或OVLO2引脚。这模拟了V OUT比较器,一旦达到目标电压就停止充电。FB引脚接地。必须切换CHARGE引脚以启动另一个充电序列,因此LT3751仅作为电容充电器工作。图9中省略了电阻器R 12,电阻器R 11从V OUT直接连接到OVLO1或OVLO2。R 11使用以下等式计算:
公式3
注意,当达到目标输出电压V OUT(TRIP)时,OVLO1或OVLO2将使FAULT引脚指示故障。
具有隔离功能的高压输入/输出稳压器
使用从输出节点到FB引脚的电阻分压器可以进行调节,但不提供电流隔离。图11所示电路中的变压器增加了两个辅助绕组,用于驱动FB引脚,LT3751控制器和反馈电阻分压器上的光耦合器。辅助绕组提供所需的电流隔离边界,同时保持从输出节点到LT3751 FB引脚的隔离反馈路径。图12和图13显示了稳压器的性能。
 
 
 
图11
图11.完全隔离的高输出电压调节器。
完全隔离的高压输入/输出稳压器可提供超过90%的效率。负载调节非常好,如图13b所示,主要是由于光耦合器电路增加了增益。
 
 
 
图12
图12.开关波形。
 
 
 
图13
图13.完全隔离的高压稳压器性能。
结论
LT3751能够在4.75V至400V以上的任何输入电源电压下运行,并具有丰富的安全特性,是高压电容器充电器或高压稳压电源的理想选择。实际上,LT3751目前是唯一能够在极高输入电压下精确工作的边界模式电容充电器控制器。LT3751通过集成许多功能简化了设计,这些功能由于成本和电路板不动产而无法实现。虽然这里展示了几种设计,但LT3751包含的功能比我们在一篇文章中展示的要多得多。我们建议您查阅数据表或致电凌力尔特应用工程部门,以深入了解所有可用功能。

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