预稳压器设计保护高压电源免生相位故障

     用于电表及大功率电器等应用，设计旨在采用3相电源工作的电源必须能够承受相位之间的错误连接，这样的错误 连接可能导致极高电压施加在输入端。延续之前第一部分介 绍整体可能的开关电源(SMPS)之概念，第二部分详细介绍 这新的预稳压器的工作原理和优势，第三部分则将集中于介 绍整体成本优势和应用限制。

1 简介
为简化整体成本研究；我们将重点放在概念之间的差 异上，避免考虑计算两者任何相似的部分或功能。我们将使 用共源共栅(Cascode)方案完成比较，共源共栅方案被认为 是用于这类高压电源的传统方案(最先进的)。

2 两种方案的比较
我们从主电源开始，整体输入保险丝、EMI滤波器和二 极管整流均不作考虑，因为这之于两种方案是相似的。
对于共源共栅方案，两个大电容应该与正确的电压平 衡串联，突波限流器添加小的电路使能正确控制添加的功率 MOS。对预稳压器方案而言，我们不需那些，但需要更标 准的控制元件。

图1  即将进行比较的共源共栅(Cascode)和预稳压器方案
对于反激式开关电源(SMPS)，如果两种方案都可使用
相同的全整合开关，由于电源电压降低，预稳压器方案将可 减小变压器尺寸及减小次级二极管反向电压，支援更低的肖 特基电压(约省0.04美元的成本)。
因为对共源共栅和预稳压器，功率MOS和整合开关都 是相似的， 我们将不考虑成本比较。 总输出电容、 Vcc 电 源、次级输出稳压皆不会考虑，因为其于两种方案是相类似 的。

3 详细的材料单和功能成本
如果整个电路不太依赖于传输功率，大电容与应用特 别是所要求的性能的持续时间有紧密联系。为此，我们考虑 在总成本比较中，将大电容的成本影响放在第二步，可根据 应用的持续时间的规格进行微调。
新的预稳压器方案尽管有更多数量的元件，以上的材 料单成本比较已显示其较原来的共源共栅方案节省0.05美元 成本无大电容。

4 持续时间规格对大电容的影响
之前的文章(第二部分)已说明，持续时间将要求超大电 容，能量储存，避免在主电源关断后输 出电压下降太快。
简单的等式「½ C * (V02 - VF2) = (P-Out / Eff.) * t」允许为任何应用定义适 当的电容值。如果对预稳压器，V0始终 等于200 V，对共源共栅方案，关断前该 值与主电源有直接联系。尽管它高于230V；我们应考虑最低/最坏的可能的情况对应于180 V ac / 250
V。对共源共栅方案，这更高的电压V0 (250 V / 200 V)允许 更小的大电容C(假设两种方案的½ C * V02相同，共源共栅 中减小的电容会引起更大纹波)。

表1  共源共栅和预稳压器方案(无大电容、功率MOS和高压开关)之间的材料单和成本比较
尽管对电表应用峰值功率可高达10瓦，持续时间一般 为低得多的功率级别而定义(在4瓦和2瓦之间)。以下表2按 照大电容用于共源共栅和预稳压器方案提供了给定功率所持 续的时间。表2方便选择，并比较了两种方案的持续时间。
对共源共栅的「大型大电容」，我们不得不考虑两倍
33 μF的电容，因为400 V类型不是总有68 μF，并且68 μF 对于电表应用尺寸过大(高度>25 mm)。即使应用不要求严格 的持续时间规格，减小太多大电容值可能至关重要：那些电 容的均方根(rms)电流应该够大以避免工业应用的可靠性问 题，此等预期使用时间可超过10年。

5 大电容和应用总成本的影响
在定义支援持续时间规格的必要大电容后，我们可考 虑对总应用的影响，并比较共源共栅方案和预稳压器方案的总成本。
尽管功率水平有限，所有大电容是105℃类型的，以在 有限的(或甚至没有)冷却的困难条件下提高环境温度避免任 何可靠性问题，并支援预期超过10年的使用时间。
即使使用更小的大电容，预稳压器方案可大幅节约成 本近0.50美元。这相当于功率MOS和高压开关的成本，这样 使用它们就几乎是免费的。相较于开关电源总成本，这0.50 美元的差异节约超过15%的成本。
对大多电表应用，即使主电源关断，数据转换也应该 在给定时间完成：这要求长的持续时间和相应的大电容。在 这种情况下，两种方案成本的差异将增加，使用更大的大电 容时，预稳压器方案将节约成本1美元，即如表4所示的超过
20%的开关电源的总成本，提供延长的持续时间。

6 电容延长的使用时间对应用总成本的影响
对高可靠性/延长使用时间的产品如工业或电表应用，
105℃ 2000小时的电解电容器可能不足以保证10年以上使 用时间（应用可能必须在未经任何冷却的高环境温度下工 作）。
对整体应用的预期使用时间，电解电容是最关键的元 件/技术，我们可能需要考虑使用更好的类型，即使成本增 加。提升105℃标准的2000小时类型到5000小时类型，可在 相同条件下增加一倍预期使用时间。下表5比较了2千小时和
5千小时两种类型，集中于大值/持续时间(差异将随更大的 大电容进一步增加)。
当使用105℃ 5000小时的类型时，看到两种方案的差异 进一步增加是很有趣的，但更有趣的是比较任一应用的影 响。对共源共栅方案，为延长使用时间，我们的确会大大增 加0.32美元的成本，对使用250 V电容的预稳压器方案仅需增 加0.06美元。这表明，在降低成本上，预稳压器几乎不用增 加成本而延长使用时间/提高可靠性，而这修改对传统的共 源共栅方案将是很昂贵的。

7 预稳压器和应用限制
对共源共栅方案没有电源配置的限制。使用标准的桥 (半波或全波)二极管整流，后转换器将由储存在电容里的峰 值电压供电，并通过二极管装满每一周期。对预稳压器，表现是不同的。因为该方案控制输入电源和输出大电容之间的压差，输入电源的纹波应在整个周期

表2  输入大电容在特定输出功率对持续时间的影响

表3  输入大电容对总成本的影响

表4  输入大电容对提供超长持续时间的总成本的影响

表5  输入大电容延长的使用时间对整体应用成本的影响

表6 达3相供电的所有可能和相应的预稳压器方案的限制

(以主电源频率)的一段时间足够大，低于输出电源(在大电 容上)以支援下一转换周期。如果这总是半波整流单相供电 的情况，对3相供电和/或全波整流以低得多的输入电源纹波 更为关键。
解决这问题的替代方案是提供更高的电源电压：提高稳压输出至350 V允许输入电源(更多相电源或全波整流)有「 更大的最小值」 。 使 用单个400 V大电容将减小共源共栅方案和 预稳压器方案的成本差异。大电压将随主 电源而变化直到钳位，限制后反激式转换 器电源到350 V，即使发生故障(类似于标 准宽范围应用)。这修改可使用齐纳二极管 ZD3和ZD4(参阅第二部分的预稳压器原理 图)容易地完成，提升参考电压至所需值。 下面的表6列出了从单相到3相供电、 有或无中性连接、半波或全波整流的所有可能。
推荐的预稳压器方案是以半波整流的 单相供电，可表现出很好的性能，输入电 源总是在最少的时间段低于输出电源以重 设控制电流。半波整流对保持250 V电容的 功率水平不是问题。

8 总结
200V预稳压器不可用于任何类型的应 用：功率应该有限制，3相供电难以掌控， 全波整流可能要求提升输出电压至350 V。 然而，当为低于15瓦的半波整流设计 时，该方案支援任何错误的电源(如两相供 电)，反激式转换器的电源可降至200 V。该方案提供更容易 的反激式转换器设计，很好的性能，在整个功率范围提供比 共源共栅更高的能效(约5%)，和很好的安全性(含短路大电 容)。该方案特别适用于电表应用及白家电或工业应用的辅助电源。
由于单个和较小的大电容电压，预稳压器方案大幅节 约成本(较标准的共源共栅节约15%~20%)，根据所要求的持 续时间和相应的大电容值和尺寸节约成本0.4美元~1美元。
目前这预稳压器为分立应用；尽管安森美半导体有这 应用的许可证，公司提供此知识产权(IP)供购买PWM控制器
/稳压器/MOSFET的客户免费使用。这方案通过节省系统级 成本，还进一步节省系统总成本，而且安森美半导体的元件 是「免费的」，所以安森美半导体认为这是一种双赢。我们 目前正考虑将这预稳压器整合在一个集成电路(IC)中，但是
否这样做将取决于市场对分立方案是否接受。