切换及监视高达1,000V的高压DC电源

数百伏的直流(DC)电源并非如人们所想像的较不常见。也许首先进入脑海的一种应用是电动车(EV)，这种车的锂离子电池组电压範围高达400V。不过一些不那么为人所熟知的高压应用出现在现代战机中，例如F-22勐禽(F-22 Raptor)和F-35闪电II (F-35 Lighting II)，这些战斗机主要由270V DC电源供电，以实现更快速、精準的性能。大型太阳能阵列可输出600V或更高的电压，而对工业马达驱动器的交流(AC)电压整流，可产生範围为170V至680V的DC电压。

多年来，人们一直在进行研发工作，将资料中心的配电从AC变为高压DC (380V或±190V)，从而减少电源转换步骤、设备佔用空间和运作成本，同时方便与太阳能等可再生能源整合。以较高电压配电降低电流值，进而降低电阻性损耗(I2‧R)，这个特点可用来减轻电缆重量。所有这些高压电源都需要开关和软启动以给负载供电。就能量监视和最佳化而言，以数位化方式监视在高压匯流排上的电压和电流是必不可少的。任何控制这些电源的电路都必须是电气隔离的，以保证操作人员的安全，并针对危险的高压对低压电子元件提供保护。

控制突波电流和监视电源的方法

设计高压电源时，一个重要的目标是安全地控制进入电容性负载的启动突波电流，例如典型桥式整流器后面跟随的DC匯流排电容。一种降低突波电流的简单方法，是使用负温度係数 (NTC)热敏电阻，也称为突波电流限制器(ICL，图1a)。在电源或负载导通之前，这些热敏电阻在室温时具有很大的电阻(例如几欧姆);大电阻限制了导通时的突波电流。随着电流流过，热敏电阻器温度升高，其电阻也随之减小一至两个量级(减小到1/10至1/100，变为低于1欧姆)。这些热敏电阻器的价格在每个0.13美元至7美元之间，视电流和电阻额定值的不同而异。

儘管简单易用，但问题是，快速电源週期(接通-断开-接通)也许导致在第二次加电时无法限制突波电流，因为热敏电阻可能没有充足的时间冷却至大电阻状态。NTC热敏电阻有很宽的容限(±25%)，而且因为突波电流通过电阻下降率与稳态电流相联繫，所以突波电流不能灵活地调节至任意的低值。ICL在吸尘器、萤光灯和开关模式电源中都有应用，在这些应用中降低了桥式整流器DC匯流排电容器的突波电流。

为了克服NTC热敏电阻器在快速重启时没有突波电流限制的缺点，可使用与该电阻并联的短接继电器。这个继电器称为阶跃启动继电器(图1b)。在导通时，并联中继器开路，突波电流由电阻限制。一个计时器也同时启动，当计时器到期时，继电器短接电阻。负载电流现在流经继电器。在快速重启时，阶跃启动继电器能够提供突波限制。这种方法需要增加一个短接继电器和一个控制继电器接通的计时器。由于复杂性提高，解决方案的成本也提高到了20美元至30美元範围。

其他突波电流控制方法包括过零可控硅、主动功率因数控制电路和具阻尼的电感性输入滤波。这类方法大多数是复杂、笨重、昂贵，且仅适用于AC输入。

一种用于隔离式电流监测的方法，是跨电流感测电阻两端使用一个隔离放大器以及一个差分至单端转换放大器为ADC馈电。另一种方法，是使用一个隔离式增量累加(ΔΣ)调变器和一个外部数位滤波器。

正如所见，控制、保护和监视高压DC电源需要将很多元件拼凑在一起，并让这些元件安全和无缝地运作。这不是微不足道的任务。这类分离式解决方案尺寸大、元件密集、价格昂贵而且缺乏安全认证。人们需要一种整合和经过认证的解决方案，以将设计阶段和认证工作从多个月缩短到几週时间。

图1：突波控制限制器。(a)负温度係数(NTC)热敏电阻器;(b)阶跃启动继电器

用于高压电源控制和遥测的整合方案

LTM9100微型模组(μModule)是一款精巧型一体化晶片解决方案，用于控制、保护和监视高达1,000V的DC高压电源(图2a)。5kVRMS的隔离势垒将逻辑和数位介面与驱动外部N通道MOSFET或IGBT开关的开关控制器隔离开。这种隔离是需要的，因其可控制电路保护、操作人员安全和断开接地通路。负载是软启动的(图2b)，针对超载用电流限制断路器为电源提供保护。透过I2C/SMBus介面存取两个电压输入和以隔离式10位元ADC测量的负载电流值，从而实现对高压匯流排的功率、能量和热量的监视。

图2：(a)具遥测功能的LTM9100 Anyside高压隔离式开关控制器(b) LTM9100软启动、270V 负载和200mA受控突波电流

该元件採用ADI的隔离器μModule技术以穿越一个隔离势垒转换讯号和功率。讯号被编码为脉衝并採用在μModule衬底中形成的无芯变压器横跨隔离边界进行传输，造就了极其坚固的双向通讯方案。可在共模瞬变达50kV/μs的情况下保证不间断的通讯。由一个包括变压器在内的全面整合DC/DC转换器为隔离侧供电，因而免除了增设外部元件的需要。为了保证隔离势垒的坚固性，每个控制器在生产时经过测试，隔离性能达到6kVRMS。此外，它将由UL 1577标準给予认可，从而可为最终设备製造商节省数月的认证时间。高穿通绝缘距离转化为隔离势垒两端上的±20kV高ESD防护等级。μModule封装整合了若干元件和技术以提供一种具成本效益的先进解决方案，可最大限度地缩减电路板空间并提升电性能和热性能。

图3：隔离器μModule技术内部结构

由于其隔离性，LTM9100很容易针对高压侧、低压侧(地回路)和浮置应用(图4)进行配置。此外，它不仅可在热插拔板卡中，而且可在AC变压器、电机驱动器和电感性负载中控制突波电流。可调欠压和过压锁住门槛确保仅当输入电源位于有效範围内时负载才运行。

图 4：用于高压侧或低压侧开关应用的LTM9100

结论

传统上，高压DC电源用在工业环境中，但是其他电子系统也在向着更高电压发展，以降低配电成本并提高其效率，尤其是在大量耗费功率的系统中。这类电源需要一种简单的方法来控制突波电流、保护电源自身并监视电源的使用。文中介绍的μModule提供这种简单、精小的解决方案，因提供经过认证的解决方案而胜过分离式和基于继电器的电路，该元件并节省了电路板面积和数月设计阶段和认证工作。所需的全部功能(包括数位遥测和隔离式电源在内)都整合在一个精小、表面黏着的扁平BGA封装中。