新的200伏预调节器可以简化容错电源的设计

讨论了容错电源的几种设计方法，包括一种新的预调节器拓扑，它可以简化电路设计和元件选择。

反相故障

如果交流电源和电流表之间存在错误连接故障，或者使用三相电源的空调或电磁炉等大功率负载的两相之间存在错误连接，则电源输入端子很可能具有非常高的电压。为了在这些类型的故障条件下生存，主交流DC电源必须能够承受传统交流主电源的两倍均方根电源电压。

对于在美国工作的系统(额定交流主电源电压为110伏交流电)，具有通用交流主电源输入的常规开关电源(SMPS)可以满足这一要求。但在欧洲或亚洲，开关电源必须能承受460V(整流后高于600VDC)。这可以通过在输入端串联两个大电容来修改标准开关电源的输入来实现。对于用额定电压为1000V或更高的MOSFET构建的经典反激式转换器，或者用共射共基放大器连接两个MOSFET的改进反激式架构，这可能满足要求。

市场上没有合适的额定电压高于450伏的大电容，所以需要串联两个电容来支持600伏或更高的电压。由于电容器是串联的，所以它们的值是两倍，因此在维护时间内存储的总能量保持不变。为了避免两个电容器之间的不平衡电压分布，每个电容器应并联电阻。这增加了I2R损耗，从而降低了功率效率。此外，需要一个额外的瞬态电压抑制器(TVS)来保护电容器免受短路故障。

图1示出了用于向传统回扫转换器供电的改进的大电容电路。虽然这种方法不需要额外的开关模块，但必须使用额定电压为1000伏或更高的MOSFET来支持变压器输入端的更高故障电压和反激电压。宽输入电压范围的开关电源设计也需要相应的宽频率动态范围或MOSFET导通时间(T on)变化，以在更宽的范围内保持电压稳定。此外，更高的MOSFETdV/dt还会增加开关损耗，从而降低能效并增加电磁干扰(EMI)的风险。

图1:反激式转换器中的串联大电容电路和单个1000伏场效应晶体管

图2:高压输入开关电源，共源共栅配置，内置2个场效应晶体管和开关稳压器

另一种方法是用两个具有公共源极和公共栅极配置的金属氧化物半导体场效应晶体管代替单个金属氧化物半导体场效应晶体管，如图2所示。普通700V开关稳压器结合600V功率MOSFET可以承受反激电压和整流输入电压之和。如电路所示，60VMOSFET的栅极需要额外的TVS。与标准反激架构一样，开关电源的设计应针对较宽的输入电压范围，具有相应较大的开关频率漂移或ton动态范围，以保证输出电压的电压稳定。复杂电磁干扰信号的开关损耗和风险是相似的。

另一种方法是通过精心设计实现一个方案，使用800伏功率金属氧化物半导体场效应晶体管或集成开关调节器的经典拓扑结构。然而，必须注意最小化变压器的反射电压，以保持最大晶体管电压低于800伏，即使在故障条件下电源电压最高(约620伏)。这要求变压器具有小匝数比(Np/Ns)和低初级电感。当输入电压高，输出功率低时，MOSFET的导通时间ton必须极短，而次级二极管的导通时间较长。

有几个因素会限制这种方案的性能、损害其可靠性并增加其成本。非常短的导通时间t on可能导致不稳定的电压稳定，迫使开关电源在非突发模式下以低频工作。此外，虽然10%的电压裕量通常被认为对于抗雪崩功率MOSFET是足够的，但是对于非抗雪崩器件，应该考虑20%的裕量，以避免启动阶段的瞬态事件和任何问题。对于次级侧二极管，需要高反向电压能力，这通常需要具有高成本、大体积

变压器漏电感产生的峰值电压应保持在低于800伏限值的极低标准。这需要使用大型缓冲电路，这会增加功耗，从而影响整体能效。

新型预电压调节器的设计

一个新的替代方案是在开关电源的输入端插入一个电压调节器，如图3所示。不需要串联大电容及其相关电路，可以采用传统反激变换器设计，避免使用特殊的高压元件。

图3:预稳压器简化了转换器设计，可以使用更小、成本更低的元件

电压调节器可以被设计成防止开关电源的输入电压超过由输入整流器产生的380伏直流的传统最大电压。这使得能够使用单个标准450伏大电容和700伏集成开关调节器，而无需

有电压及设计问题。而且，通过进一步降低稳压输出电压以将开关电源输入电压保持在200VDC（140VACx2）的最低电压，还能获得更大的优势。预稳压器用作LDO，提供200VDC稳压电压，但它的开关特性避免了功率耗散过多、大散热片及可靠性问题。能够使用250V大电容，缩小尺寸并降低成本。开关电源缓冲器能用于控制及驱动预稳压器MOSFET。

为了达到最高能效，开关预稳压器与主电源同步，从而通过稳压器MOSFET，以最小的电压降为大电容提供能量。这可以将能效提升至约90%。此设计使用半波而非全波交流主电源整流，可以避免导通时间过短并降低开关损耗。这种预稳压器设计还提供在启动相位期间限制浪涌电流的电路。

系统中有了预稳压器，开关电源的设计也简化了。由于输入电压范围大幅减小，就不要求支持大的频率及导通时间ton变化范围。此外，使用较小的250V大电容，能够优化维持时间，而对总体尺寸及成本的影响极小，因为250V电容比450V电容更小、更经济。不仅如此，大电容较低的供电电压使缓冲器电路电容能够减小，而缓冲器阻抗可以相应增加。

减小的供电电压也提供更高的灵活性，可以设计带有更高反射电压能力的变压器，不仅可以降低缓冲器尺寸及能耗从而提升能效，还使次级二极管能够拥有更低的反向电压能力及相应更低的正向压降Vf。降低供电电压的更深层次优势是优化开关损耗及电磁干扰（EMI）。总体而言，预稳压器能够提升开关电源能效，显著减小尺寸并降低成本。

其它几个方面也值得一提。其一，标准交流主电源滤波器不要求修改，因为电流不会超过标准反激转换器最小供电电压提供的电流。此外，也可以省去用于限制浪涌电流的NTC器件，因为预稳压器的限流器现在可以提供此功能。开关电源也不要求半波或全桥整流器，因为整流在预稳压器之前已经完成了。

结论

这种200V预稳压器就像超高能效的LDO，帮助简化支持超高输入电压的电源设计。它非常适合用于必须承受因中性线开路或两相之间错误连接导致的高输入电压的单相电源。

使用预稳压器帮助简化大电容选择，同时减小电容尺寸并减少电容数量。单个低压大电容拥有长维持时间，比要求两个大电容及平衡电阻的经典途径还节省空间及成本。250V大电容（而非450V大电容）配合使用技术更优化的电容，为高环境温度工作条件提供更长的使用寿命。

更深层次的优势是能使用单个700V集成开关稳压器来替代高压MOSFET及分立控制器，或是采用共源共栅连接的MOSFET与高压开关稳压器。此外，可以简化变压器设计及使用更小的次级端二极管。对于电表等应用而言这一点尤为关键，因为这类应用要求在严苛工作环境下提供超过10年的连续服务。

责任编辑：gt