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白皮书作者:David Berry,首席应用工程师

如何设计稳定可靠的快速启动电源

Start/Stop engine button image

在设计快速启动的隔离式电源系统时,我们会遇到一些特殊的挑战;这是因为这种电源应用于需要快速启动的场景,而且每次都需要以毫秒级的速度启动。

隔离稳压电源的设计,越来越注重电源性能,特别是电源适应负载迅速变化的能力(负载调整率)。但如果电源输入电压持续存在,设计时就会忽略一些重要指标,例如电源可靠的快速启动能力(小于10ms)。

但有些应用场景中,输入电压还没有建立,而系统必须在输入上电后几毫秒内启动。这种应用通常需要隔离以保证输入输出地是分开的,或者需要建立负电压以保证输入电压有尖峰时的系统安全。

例如,越来越多的汽车在等红灯或者静止不动时,使用引擎启停技术来节省燃油和电池能量。这种应用中,车辆空转时消耗大量能量的电气系统可能会被关闭。当然,这些系统也需要再次快速、可靠地启动。这就是快速启动系统的用武之地。

设计可靠的快速启动电源系统

要想在隔离电源系统中实现可靠快速启动,有三个关键因素:

  1. 输入 dV/dt 不应超过电源自身器件的额定值;
  2. 输入电容不会导致电源的输入源的内部器件超过其额定值;
  3. 输出电容值应确保电源既不会过流保护,也不会震荡。

应使用适当的输入滤波器以实现对输入 dV/dt 的控制。许多 DC-DC 转换器的输入部分都有一个 LC 滤波器。但如果这个 LC 滤波器遭遇阶跃电压,也就是将直流电压直接加至电源系统,该 LC 滤波器就可能产生足以损坏电源内部电路的振铃电压。最大输入 dV/dt 的常见规范是 10V/ms;闭合过快的机械开关或场效应晶体管 (FET) 很容易造成超过 10V/μs 的上升时间的情况。设计人员应选择一款支持限流的输入滤波器,将 DC-DC 转换器的输入保持在其输入 dV/dt 限值内。

应仔细设计输入电容,以确保: 第一,DC-DC 转换器具有低的源阻抗;第二,在输入或负载快速变化时电源能保持稳定;第三,输入源也在其最大额定值范围内。图 1 是电源系统框图,图 2 是典型输入滤波器的内部框图。输入电容一方面需要缓慢充电以避免超过 dV/dt 的最大值,另一方面又不能太慢,因为电源系统启动时间要小于10ms。刚上电时,图 2 中的 Q1 为关断状态,当输入电压超过电源欠压点时,图 2 中的电荷泵/控制模块开始开通 Q1,滤波器的输出电压开始升高;这样一方面控制电压上升速度 dV/dt 不超电源输入限值,同时也控制输入电流的幅值。

Power system block diagram

图 1: 电源系统框图

Internal workings of a typical input filter diagram

图 2: 典型输入滤波器的内部原理

电容:电源快速启动过程中的一个重要因素

为了满足小于 10ms 的启动时间,系统的输入滤波器应尽快为其输出电容充电,因此设计人员应该尽量选择最小值的电容器。在针对快速启动进行设计时,建议在滤波器的输出端使用固定比例的非稳压隔离电源,因为第一这种电源基本上(甚至完全)不需要输入电容,第二它们属于开环电源,没有反馈调节,因此也不会出现环路不稳的情况。

如果在滤波器的输出端使用这样一款固定比例非稳压电源,那么只要滤波器输出的上升时间可控,则该电源的输出就可控制。这种隔离电源的输出与输入为固定比例,这将使图 1 所示的后级稳压电源保持在其输入 dV/dt 限值内。不过出于电源阻抗要求和稳定性考虑,后级稳压电源的确需要输入电容,因此在确定滤波器的输出电容时,这需要纳入考虑范围内。隔离固定比例电源的输出电容应折算到输入侧,应视为输入滤波器输出电容的一部分。

电容的折算方法为隔离电源输出/输入电压比的平方再乘以隔离电源输出电容。如果输出/输入电压比是 1/2,隔离电源输出电容是 47μF,那折算至滤波器的电容就是 1/2 的平方再乘以 47μF,等于11.75μF。在这种应用中,固定比例隔离电源的性能非常关键。隔离电源内部功率电感需电感值极小。小电感值有助于电流迅速从输入流向输出,并保持固定的输入输出电压比。比如部分固定比例隔离电源的内部功率电感只有几 nH 的电感值。

输入滤波器还可防止电源系统的输入源超过其最大额定值,这对于整体系统可靠性而言非常重要。滤波器可以把容性器件从高 dV/dt 情景中隔离出来,如热插拔、机械开关或场效应晶体管开关闭合等。电源系统输入源的最大电流值,受输入源功率、连接器以及连接电源的走线限制。随着时间的推移,上述组件的性能可能会衰退,成为潜在的故障点,甚至在电流高于额定值时直接出现故障。在要求启动时间低于 10 毫秒的电源系统中,电源的输入电压必须迅速升高,因为该输入电压的上升时间,也是启动时间的一部分,但给电容快速充电将导致较高的浪涌电流。滤波器可帮助减少这个浪涌电流,许多滤波器的额定浪涌电流值以(安培)/(输出电容 μF )为单位。因此对于 0.007A/μF 的额定值,如果滤波器输出电容为 47μF,浪涌电流即为 0.007A*47μF = 0.329A。

如果电源输出电容过大造成输出限流,也会在需要快速启动的应用中造成延迟。过流可能导致电源关闭并重启,也可能会造成输出电压下降,这两种情况都会显著延长整个启动时间。在许多应用中,电源输出端既有自身的输出电容,又有负载电容,这些电容在启动时都由电源充电。若把这一点纳入考虑范围内的话,最好尽量使用最小的输出电容。为输出电容充电的输出电流可通过以下公式计算:I = C * dV/dt,其中 I 是电源输出电流,C 是输出电容,dV/dt 是电源输出电压的上升速度。如果负载在上升时间处于工作状态,电源需提供的电流 I 就会进一步增加。无论何种情况,电流都不应该超过电源的输出电流最大值。如果电流确实超过限值,那么可能需要并联一个电源来增加输出电流额定值。

电源的输出电容可降低输出纹波,同时使其在运行过程中保持稳定。电源的开关频率越高,所需的电容值就越小;比如 500 kHz 至 1MHz 的高开关频率,将允许我们使用低电感和电容值的同时,还能保证输出纹波低至 30mV。

在设计图 1 所示启动时间小于 10ms 的电源系统时,有几个组件必须被唤醒并保持在其功率、电压及电流额定范围内。上电后,滤波器控制器必须唤醒并开始控制滤波器的输出电压,同时让电流保持在其最大值以下,并让后级非隔离电源保持在其最大输入 dV/dt 范围内。当后级电源达到其欠压开启电压时,其电源内部控制器必须唤醒并有效控制其输出电压,为输出电容充电,有时还要同时为负载供电。

上述这些时间加在一起,总时间必须小于 10ms。图 3 是使用一个 Vicor VTM 和两个后级  VicorPI33xx 非隔离电源组成的、启动时间不足 10ms 的电源系统的启动波形。该系统配备一个隔离固定比例电源和两个非隔离电源。隔离电源有助于系统在输入和输出之间提供独立的接地。两个非隔离电源分别接 25W 和 33W 的负载,而从上电开始算起的启动时间测定为 4ms 左右。该系统极具扩展性,只需以并联方式添加电源组件或使用更高功率的电源组件即可。此外,以并联方式添加组件还可实现冗余工作。

Power system configured for a start-up time of less than 10ms diagram

图 3: 为不足 10ms 的启动时间配置的电源系统

结论

设计快速启动电源时,会遇到一些独特的挑战;比如对电容的设计和配置,是就完美实现这样一个电源系统的重要环节。如今越来越多的应用需要频繁快速启动,使用传统电源无法实现,因为其高输入和输出电容容值会带来风险,比如瞬态电压和电流尖峰,我们在设计时需要仔细斟酌。

在使用正确电源组件的情况下,我们可以设计出可靠的启动时间小于 10ms 的隔离式电源系统。效率高、体积小的电源组件最适合各种便携、空中或地面应用。Vicor 的响应速度快、高效、小巧的电源组件可帮助我们设计出可靠的快速启动电源。

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