利用LT3751设计高压电容充电器

利用LT3751设计高压电容充电器

设计电压高达1,000伏的高压电容充电器或电源绝非轻易之事。采用通用反激式PWM(脉宽调制)控制器的分立方案需包含光电耦合器及监视、状态指示和保护功能。这种方案通常要求许多电路，设计复杂性很高。对于高压电容充电器而言，必须避免在接通期间由于容性负载表现为短路而形成输入过流折返情况。另外还必须采取措施保证这种转换器仅在输入电压在安全工作范围之内时接通，以保证其长期可靠性。

如果无需物理传感器直接测量高电压就能确定高压输出电容是否已经充满，不仅会为我们带来很多便利，还能省去一个跨越隔离电路的器件。另外，某些应用的用户也可能希望可以自己选择合适的门驱动电压。专业高压闪光灯系统、保安控制系统、脉冲雷达、汽车安全气囊、紧急搜救灯、安全/库存控制系统和雷管等都要求在电容两端施加高电压。可靠性、成本、安全、尺寸和性能是高压电源设计者必须面对的重大设计挑战。

凌力尔特公司最近推出的LT3751极大地简化了这个设计任务。LT3751是全功能反激式控制器，可迅速把大型电容器充到1,000伏的高压。它是以前推出的LT3750的第二代改进型产品，所增加的功能包括感测变压器初级或次级输出电压的能力、可接受更高的输出电压并具有更强的编程能力和保护性能。LT3751可驱动外部N沟道MOSFET，并可在不到1秒的时间内把1,000μF电容充到500V。

另外，该器件无需使用光电耦合器即可被配置为初级输出电压检测模式。对于要求噪声更低和输出调节更精确的应用，可使用从输出电压上接出的电阻分压器网络来调节输出，完全适于满足高压电源的要求。其输出电压可通过设置变压器匝比和两个外部电阻方便地进行调整。

另外，LT3751带有通过串联电阻供电的内部60V并联稳压器，并可在从4.75V到高达400V的输入电压范围内工作。这为终端用户提供了极宽的输入电源范围，是迄今为止唯一一款在单一封中实现该性能的装器件。其VCC 输入可接受5～24V的电压。

LT3751工作于临界模式，这种模式介于连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)之间。临界模式控制最大限度地降低了转换损耗、减小了变压器尺寸并可通过设置使该器件电流缓升以免在为容性负载供电时进入限流状态。

临界模式的另一个优点是在一定程度上解决了使用电压模式或PWM技术可能出现的大信号稳定性问题，并可提供高达88%的转换效率和快速的瞬态响应。输出电压调节采用交叠使用峰值初级电流调制和占空比调制的方式来实现。

图1给出了LT3751通过变压器的初级绕组检测输出电压的工作方式。这种检测初级侧输出电压的方法保持了单器件(即功率变压器)隔离且电路非常简单。输出电压可由RVOUT 引脚检测并可通过选择R8、R9和变压器匝比进行设定。该隔离型电路利用片上差分DCM比较器以12V到24V的输入电压把电容充电到450V。变压器(T1)为Wurth Electronics公司的现货产品，器件号为75031040。

图1：LT3751的工作方式。

DCM比较器的差分工作模式使LT3751可准确地在高达400V或更高的输入电压下工作。此外，对于低至4.75V的较低输入电压，也需要利用VOUT比较器和DCM比较器并需使用逻辑电平的外部MOSFET。这样的配置使用户可适应非常宽的电源范围。在作为电容充电器使用时，LT3751只需5个外部电阻就可以工作。输出电压跳变点(VOUT)可按下述公式在50V到450V范围内调节。

其中N是变压器的匝比，VDIODES 是D1和D2两端的电压降。

一旦达到已设定的输出电压跳变点，LT3751就停止给输出电容器充电。通过把CHARGE引脚在开/关之间切换，充电周期重复进行。输出电容的最大充电/放电速率受到变压器温度变化和外部MOSFET功耗的限制。图1中，在没有空气流动的情况下，如果要把变压器(使用Wurth公司的现货变压器器件75031049)的表面温度限制在高于周围环境的40°C，要求平均输出功率小于等于40W。

其中，VOut是输出跳变电压，VRIPPLE是输出纹波电压，freq是充电/放电频率。通过使用更大的变压器和提供强制风冷可提高可用的输出功率。

安全和可靠性

为高压大型电容器充电时，如果处置不当就可能产生极大的破坏。用LT3751设计任何应用时，遵守恰当的安全措施尤其重要。设计师必须建立给输出电容器安全放电的放电电路。此外，相邻走线的高压节点之间需要充足的空间，以满足印刷电路板电压击穿要求。

LT3751具有安全性和可靠性功能，包括两套面向VTRAMS和VCCc输入的欠压闭锁(UVLO)和过压闭锁(OVLO)。这允许用户在输入电压处于安全工作范围之外时防止电源接通。当输入电压在用户可设定的安全工作范围之外时，FAULT引脚变有效。此外，LT3751还有过热闭锁保护功能，并在无负载时进入突发模式工作。LT3751在稳压配置中有内部补偿的反馈环路，简化了稳定性补偿。它还有一个片上DONE引脚，当达到输出电容器充电电压时，DONE引脚有效。此外，CHARGE引脚启动一个新的充电周期或在电压调节模式下启动该器件。一个106mV差分电流检测门限能准确地限制峰值开关电流，并允许使用低功率初级侧电流检测电阻。