數百伏的直流(DC)電源並非如人們所想像的較不常見。也許首先進入腦海的一種應用是電動車(EV),這種車的鋰離子電池組電壓範圍高達400V。不過一些不那麼為人所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),這些戰鬥機主要由270V DC電源供電,以實現更快速、精準的性能。大型太陽能陣列可輸出600V或更高的電壓,而對工業馬達驅動器的交流(AC)電壓整流,可產生範圍為170V至680V的DC電壓。

多年來,人們一直在進行研發工作,將資料中心的配電從AC變為高壓DC (380V或±190V),從而減少電源轉換步驟、設備佔用空間和運作成本,同時方便與太陽能等可再生能源整合。以較高電壓配電降低電流值,進而降低電阻性損耗(I2‧R),這個特點可用來減輕電纜重量。所有這些高壓電源都需要開關和軟啟動以給負載供電。就能量監視和最佳化而言,以數位化方式監視在高壓匯流排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,並針對危險的高壓對低壓電子元件提供保護。

控制突波電流和監視電源的方法

設計高壓電源時,一個重要的目標是安全地控制進入電容性負載的啟動突波電流,例如典型橋式整流器後面跟隨的DC匯流排電容。一種降低突波電流的簡單方法,是使用負溫度係數 (NTC)熱敏電阻,也稱為突波電流限制器(ICL,圖1a)。在電源或負載導通之前,這些熱敏電阻在室溫時具有很大的電阻(例如幾歐姆);大電阻限制了導通時的突波電流。隨著電流流過,熱敏電阻器溫度升高,其電阻也隨之減小一至兩個量級(減小到1/10至1/100,變為低於1歐姆)。這些熱敏電阻器的價格在每個0.13美元至7美元之間,視電流和電阻額定值的不同而異。

儘管簡單易用,但問題是,快速電源週期(接通-斷開-接通)也許導致在第二次加電時無法限制突波電流,因為熱敏電阻可能沒有充足的時間冷卻至大電阻狀態。NTC熱敏電阻有很寬的容限(±25%),而且因為突波電流通過電阻下降率與穩態電流相聯繫,所以突波電流不能靈活地調節至任意的低值。ICL在吸塵器、螢光燈和開關模式電源中都有應用,在這些應用中降低了橋式整流器DC匯流排電容器的突波電流。

為了克服NTC熱敏電阻器在快速重啟時沒有突波電流限制的缺點,可使用與該電阻並聯的短接繼電器。這個繼電器稱為階躍啟動繼電器(圖1b)。在導通時,並聯中繼器開路,突波電流由電阻限制。一個計時器也同時啟動,當計時器到期時,繼電器短接電阻。負載電流現在流經繼電器。在快速重啟時,階躍啟動繼電器能夠提供突波限制。這種方法需要增加一個短接繼電器和一個控制繼電器接通的計時器。由於複雜性提高,解決方案的成本也提高到了20美元至30美元範圍。

其他突波電流控制方法包括過零可控矽、主動功率因數控制電路和具阻尼的電感性輸入濾波。這類方法大多數是複雜、笨重、昂貴,且僅適用於AC輸入。

一種用於隔離式電流監測的方法,是跨電流感測電阻兩端使用一個隔離放大器以及一個差分至單端轉換放大器為ADC饋電。另一種方法,是使用一個隔離式增量累加(ΔΣ)調變器和一個外部數位濾波器。

正如所見,控制、保護和監視高壓DC電源需要將很多元件拼湊在一起,並讓這些元件安全和無縫地運作。這不是微不足道的任務。這類分離式解決方案尺寸大、元件密集、價格昂貴而且缺乏安全認證。人們需要一種整合和經過認證的解決方案,以將設計階段和認證工作從多個月縮短到幾週時間。

20171226_ADI_TA31P1 圖1:突波控制限制器。(a)負溫度係數(NTC)熱敏電阻器;(b)階躍啟動繼電器

用於高壓電源控制和遙測的整合方案

LTM9100微型模組(μModule)是一款精巧型一體化晶片解決方案,用於控制、保護和監視高達1,000V的DC高壓電源(圖2a)。5kVRMS的隔離勢壘將邏輯和數位介面與驅動外部N通道MOSFET或IGBT開關的開關控制器隔離開。這種隔離是需要的,因其可控制電路保護、操作人員安全和斷開接地通路。負載是軟啟動的(圖2b),針對超載用電流限制斷路器為電源提供保護。透過I2C/SMBus介面存取兩個電壓輸入和以隔離式10位元ADC測量的負載電流值,從而實現對高壓匯流排的功率、能量和熱量的監視。

20171226_ADI_TA31P2 圖2:(a)具遙測功能的LTM9100 Anyside高壓隔離式開關控制器(b) LTM9100軟啟動、270V 負載和200mA受控突波電流

該元件採用ADI的隔離器μModule技術以穿越一個隔離勢壘轉換訊號和功率。訊號被編碼為脈衝並採用在μModule襯底中形成的無芯變壓器橫跨隔離邊界進行傳輸,造就了極其堅固的雙向通訊方案。可在共模瞬變達50kV/μs的情況下保證不間斷的通訊。由一個包括變壓器在內的全面整合DC/DC轉換器為隔離側供電,因而免除了增設外部元件的需要。為了保證隔離勢壘的堅固性,每個控制器在生產時經過測試,隔離性能達到6kVRMS。此外,它將由UL 1577標準給予認可,從而可為最終設備製造商節省數月的認證時間。高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封裝整合了若干元件和技術以提供一種具成本效益的先進解決方案,可最大限度地縮減電路板空間並提升電性能和熱性能。

20171226_ADI_TA31P3 圖3:隔離器μModule技術內部結構

由於其隔離性,LTM9100很容易針對高壓側、低壓側(地回路)和浮置應用(圖4)進行配置。此外,它不僅可在熱插拔板卡中,而且可在AC變壓器、電機驅動器和電感性負載中控制突波電流。可調欠壓和過壓鎖住門檻確保僅當輸入電源位於有效範圍內時負載才運行。

20171226_ADI_TA31P4 圖 4:用於高壓側或低壓側開關應用的LTM9100

結論

傳統上,高壓DC電源用在工業環境中,但是其他電子系統也在向著更高電壓發展,以降低配電成本並提高其效率,尤其是在大量耗費功率的系統中。這類電源需要一種簡單的方法來控制突波電流、保護電源自身並監視電源的使用。文中介紹的μModule提供這種簡單、精小的解決方案,因提供經過認證的解決方案而勝過分離式和基於繼電器的電路,該元件並節省了電路板面積和數月設計階段和認證工作。所需的全部功能(包括數位遙測和隔離式電源在內)都整合在一個精小、表面黏著的扁平BGA封裝中。