數百伏的 DC 電源并非如人們想象的那樣不常見(jiàn)。也許首先進(jìn)入腦海的一種應用是電動(dòng)型汽車(chē)，在這種汽車(chē)中，鋰離子電池組的電壓范圍高達 400V。不過(guò)一些不那么為人熟知的高壓應用出現在現代戰機中，例如 F-22 猛禽 (F-22 Raptor) 和 F-35 閃電 II (F-35 Lighting II)，這些戰斗機主要由 270V DC 電源供電，以實(shí)現更快速、精準的性能。大型太陽(yáng)能陣列可以輸出 600V 或更高的電壓，而對工業(yè)電機驅動(dòng)器中的 AC 電壓整流，可產(chǎn)生范圍為 170V 至 680V 的 DC 電壓。

 

很多年來(lái)，人們一直在開(kāi)展研發(fā)工作，以將數據中心的配電從 AC 變?yōu)楦邏?DC (380V 或 ±190V)，從而減少電源轉換步驟、設備占用空間和運行成本，同時(shí)方便與太陽(yáng)能等可再生能源整合。以較高電壓配電降低了電流值，從而降低了電阻性損耗 (I2 • R)，這個(gè)特點(diǎn)可用來(lái)減輕電纜重量。所有這些高壓電源都需要開(kāi)關(guān)和軟啟動(dòng)以給負載供電。就能量監視和優(yōu)化而言，以數字化方式監視在高壓總線(xiàn)上的電壓和電流是必不可少的。任何控制這些電源的電路都必須是電氣隔離的，以保證操作人員的安全，并針對危險的高壓對低壓電子組件提供保護。

 

控制浪涌電流和監視電源的方法

 

設計高壓電源時(shí)，一個(gè)重要的目標是安全地控制進(jìn)入電容性負載的啟動(dòng)浪涌電流，例如典型橋式整流器后面跟隨的 DC 總線(xiàn)電容器。一種降低浪涌電流的簡(jiǎn)單方法是，使用負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻器，也稱(chēng)為浪涌電流限制器 (ICL，圖 1a)。在電源或負載接通之前，這些熱敏電阻器在室溫時(shí)有很大的電阻 (例如幾歐姆)；大電阻限制了接通時(shí)的浪涌電流。隨著(zhù)電流流過(guò)，熱敏電阻器溫度升高，其電阻也隨之減小一至兩個(gè)量級 (減小到 1/10 至 1/100，變?yōu)榈陀?1 歐姆)。這些熱敏電阻器的價(jià)格在每個(gè) 0.13 美元至 7 美元之間，視電流和電阻額定值的不同而不同。盡管簡(jiǎn)單易用，但問(wèn)題是，快速電源周期 (接通 - 斷開(kāi) - 接通) 也許導致在第二次加電時(shí)無(wú)法限制浪涌電流，因為熱敏電阻器可能沒(méi)有充足的時(shí)間冷卻至大電阻狀態(tài)。NTC 熱敏電阻器有很寬的容限 (±25%)，而且因為浪涌電流通過(guò)電阻下降率與穩態(tài)電流相聯(lián)系，所以浪涌電流不能靈活地調節至任意低的值。ICL 在吸塵器、熒光燈和開(kāi)關(guān)模式電源中都有應用，在這些應用中降低了橋式整流器 DC 總線(xiàn)電容器的浪涌電流。

 

為了克服 NTC 熱敏電阻器在快速重啟時(shí)沒(méi)有浪涌電流限制這個(gè)缺點(diǎn)，使用了一個(gè)與該電阻器并聯(lián)的短接繼電器。這個(gè)繼電器稱(chēng)為階躍啟動(dòng)繼電器 (圖 1b)。在接通時(shí)，并聯(lián)中繼器開(kāi)路，浪涌電流由電阻器限制。一個(gè)定時(shí)器也同時(shí)啟動(dòng)，當定時(shí)器到期時(shí)，繼電器短接電阻器。負載電流現在流經(jīng)繼電器。在快速重啟時(shí)，階躍啟動(dòng)繼電器能夠提供浪涌限制。這種方法需要增加一個(gè)短接繼電器和一個(gè)控制繼電器接通的定時(shí)器。由于復雜性提高，解決方案的成本也提高到了 20 美元至 30 美元范圍。

 

其他浪涌電流控制方法包括過(guò)零可控硅、有源功率因數控制電路和具阻尼的電感性輸入濾波。這類(lèi)方法大多數是復雜、笨重、昂貴，且僅適用于 AC 輸入。

 

一種用于隔離式電流監視的方法是，跨電流檢測電阻器兩端使用一個(gè)隔離放大器以及用一個(gè)差分至單端轉換放大器給 ADC 饋電。另一種方法是，使用一個(gè)隔離式增量累加 (ΔΣ) 調制器和一個(gè)外部數字濾波器。

 

正如已經(jīng)看到的那樣，控制、保護和監視高壓 DC 電源需要將很多組件拼湊到一起，并讓這些組件安全和無(wú)縫地運行。這不是微不足道的任務(wù)。這類(lèi)分立式解決方案尺寸大、組件密集、價(jià)格昂貴而且缺乏安全認證。人們需要一種集成式和經(jīng)過(guò)認證的解決方案，以將設計時(shí)間和認證工作從多個(gè)月縮短到幾周時(shí)間。

 

圖 1：浪涌控制限制器。(a) 負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻器；(b) 階躍啟動(dòng)繼電器

 

用于高壓電源控制和遙測的集成式解決方案

 

LTM9100µModule®(微型模塊) IC 是一款緊湊型一體化解決方案，用于控制、保護和監視高達 1000V 的 DC 高壓電源 (圖 2a)。5kVRMS的隔離勢壘將邏輯和數字接口與驅動(dòng)外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制器隔離開(kāi)。這種隔離是需要的，以控制電路保護、操作人員安全和斷開(kāi)接地通路。負載是軟啟動(dòng)的 (圖 2b)，針對過(guò)載用電流限制斷路器為電源提供保護。通過(guò) I2C/SMBus 接口訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)電壓輸入和用隔離式 10 位 ADC 測量的負載電流值，從而實(shí)現對高壓總線(xiàn)的功率、能量和熱量的監視。
 

 

 

 

圖 2：(a) 具遙測功能的 LTM9100 Anyside™ 高壓隔離式開(kāi)關(guān)控制器 (b) LTM9100 軟啟動(dòng)、270V 負載和 200mA 受控浪涌電流

 

LTM9100 運用凌力爾特的隔離器 μModule 技術(shù)以穿越一個(gè)隔離勢壘轉換信號和功率。信號被編碼為脈沖并采用在 μModule 襯底中形成的無(wú)芯變壓器橫跨隔離邊界進(jìn)行傳輸，從而造就了一種極其堅固的雙向通信方案?？稍诠材Ｋ沧冞_ 50kV/μs 的情況下保證不間斷的通信。由一個(gè)包括變壓器在內的全面集成 DC/DC 轉換器為隔離側供電，因而免除了增設外部組件的需要。為了保證隔離勢壘的堅固性，每個(gè) LTM9100 控制器在生產(chǎn)時(shí)經(jīng)過(guò)測試，隔離性能達到 6kVRMS。LTM9100 將由 UL 1577 標準給予認可，從而可為最終設備制造商節省數月的認證時(shí)間。高的穿通絕緣距離轉化為隔離勢壘兩端上的 ±20kV 高 ESD 防護等級。μModule 封裝整合了若干組件和技術(shù)以提供一種具成本效益的先進(jìn)解決方案，可最大限度地縮減電路板空間并改善電性能和熱性能。

 

圖 3：凌力爾特的隔離器 µModule 技術(shù)內部結構

 

由于其隔離性，LTM9100 很容易針對高壓側、低壓側 (地回路) 和浮置應用 (圖 4) 進(jìn)行配置。LTM9100 足夠通用，不僅可在熱插拔板卡中，而且可在 AC 變壓器、電機驅動(dòng)器和電感性負載中控制浪涌電流?？烧{欠壓和過(guò)壓閉鎖門(mén)限確保僅當輸入電源位于有效范圍內時(shí)負載才運行。22mm x 9mm x 5.16mm BGA 封裝在邏輯側和隔離側之間提供 14.6mm 爬電距離。
 

 

 

圖 4：用于高壓側或低壓側開(kāi)關(guān)應用的 LTM9100

 

結論

 

傳統上，高壓 DC 電源用在工業(yè)環(huán)境中，但是其他電子系統也在向著(zhù)更高電壓發(fā)展，以降低配電成本并提高其效率，尤其是在大量耗費功率的系統中。這類(lèi)電源需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)控制浪涌電流、保護電源自身并監視電源的使用。LTM9100 是同類(lèi)器件中的首款，提供這種簡(jiǎn)單、緊湊的解決方案，因提供經(jīng)過(guò)認證的解決方案而勝過(guò)分立式和基于繼電器的電路，該器件還節省了電路板面積和數月設計時(shí)間和認證工作。所需的全部功能 (包括數字遙測和隔離式電源在內) 都整合到了一個(gè)緊湊的、表面貼裝的扁平 BGA 封裝中。

 

 

推薦閱讀：