Convertidor CC/CC, el cargador de condensador toma entradas de 4,75 V a 400 V

Introducción

Las fuentes de alimentación de alto voltaje y los cargadores de condensadores se encuentran fácilmente en una serie de aplicaciones, incluidos los flashes fotográficos profesionales, los sistemas de control de seguridad, los sistemas de radar pulsado, los sistemas de comunicación por satélite y los detonadores explosivos. El LT3751 hace posible que un diseñador cumpla con los exigentes requisitos de estas aplicaciones, que incluyen alta confiabilidad, costo relativamente bajo, operación segura, espacio mínimo en la placa y alto rendimiento.

El LT3751 es un controlador flyback de propósito general que se puede usar como regulador de voltaje o como cargador de condensadores. El LT3751 funciona en modo límite, entre el modo de conducción continua y el modo de conducción discontinua. La operación en modo límite permite un transformador relativamente pequeño y una huella de PCB reducida en general. El modo de límite también reduce los grandes problemas de estabilidad de la señal que podrían surgir del uso de técnicas de modo de voltaje o PWM. La regulación se logra con una nueva técnica de modulación superpuesta dual que utiliza modulación de corriente primaria máxima y modulación de ciclo de trabajo, lo que reduce drásticamente el ruido audible del transformador.

El LT3751 presenta muchas funciones de seguridad y confiabilidad, incluidos dos juegos de bloqueos por bajo voltaje (UVLO), dos juegos de bloqueos por sobrevoltaje (OVLO), funcionamiento sin carga, bloqueo por sobretemperatura (OTLO), abrazaderas Zener internas en todos los pines de alto voltaje y una abrazadera de voltaje de controlador de puerta interna seleccionable de 5,6 V o 10,5 V (no se necesitan componentes externos). El LT3751 también agrega un circuito de protección de arranque/cortocircuito para proteger contra el daño del transformador o FET externo. Cuando se usa como regulador, el bucle de retroalimentación del LT3751 se compensa internamente para garantizar la estabilidad. El LT3751 está disponible en dos paquetes, ya sea un QFN con almohadilla expuesta de 20 pines o un TSSOP con almohadilla expuesta de 20 conductores.

Hay cuatro preocupaciones principales al usar un controlador de puerta: capacidad de manejo de corriente de salida, voltaje de salida pico, consumo de energía y retraso de propagación. El LT3751 está equipado con un controlador principal push-pull de 1,5 A, suficiente para controlar puertas de +80 nC. También se integra en el LT3751 un controlador auxiliar PMOS pull-up de 0.5A auxiliar y se usa en paralelo con el controlador principal para V_CC voltajes de 8V e inferiores. Este controlador PMOS permite la operación de riel a riel. Por encima de 8 V, el controlador PMOS debe desactivarse vinculando su drenaje a V_CC.

La mayoría de los FET discretos tienen una V_SG límite de 20V. Conducir el FET a más de 20 V podría provocar un cortocircuito en el óxido de la puerta interna, lo que provocaría un daño permanente. Para aliviar este problema, el LT3751 tiene una abrazadera de controlador de compuerta interna seleccionable de 5,6 V o 10,5 V. No se necesitan componentes externos, ni siquiera un condensador. Simplemente ate el pin CLAMP a tierra para una operación de 10.5V o ate a V_CC para operación de 5.6V. La figura 1 muestra el controlador de compuerta que se sujeta a 10,5 V con una V_CC voltaje de 24V.

La abrazadera interna no solo protege el FET de daños, sino que también reduce la cantidad de energía inyectada en la puerta. Esto aumenta la eficiencia general y reduce el consumo de energía en el circuito del controlador de puerta. El sobreimpulso del controlador de compuerta es mínimo, como se ve en la Figura 1. Colocar el FET externo más cerca del pin LT3751 HVGATE reduce el sobreimpulso.

El LT3751 se puede configurar como un cargador de capacitor independiente completamente aislado usando un nuevo comparador diferencial de modo de conducción discontinua (DCM), que se usa para detectar la condición de modo límite, y un nuevo voltaje de salida diferencial (V_AFUERA) comparador. La operación diferencial del comparador DCM y V_AFUERA El comparador permite que el LT3751 funcione con precisión desde suministros de entrada de alto voltaje de más de 400 V. Asimismo, el comparador DCM del LT3751 y V_AFUERA El comparador puede funcionar con suministros de entrada de hasta 4,75 V. Esto se adapta a una gama inigualable de fuentes de alimentación.

La figura 2 muestra un cargador de capacitor de alto voltaje alimentado desde un suministro de entrada que varía de 10 V a 24 V. Solo se necesitan cinco resistencias para operar el LT3751 como un cargador de condensadores. El punto de disparo del voltaje de salida se puede ajustar continuamente de 50 V a 450 V ajustando R9 dado por:

El LT3751 deja de cargar el capacitor de salida una vez que el punto de disparo de voltaje de salida programado (V_{FUERA (VIAJE)}) es alcanzado. El ciclo de carga se repite alternando el pin CHARGE. La tasa máxima de carga/descarga en el capacitor de salida está limitada por el aumento de temperatura en el transformador. Limitar la temperatura de la superficie del transformador en la Figura 2 a 65°C sin flujo de aire requiere que la potencia de salida promedio sea ≤40W dada por:

donde V_{FUERA (VIAJE)} es el voltaje de disparo de salida, V_ONDA es el voltaje de ondulación en el nodo de salida y la frecuencia es la frecuencia de carga/descarga. Se utilizan dos técnicas para aumentar la potencia de salida disponible: aumentar el flujo de aire a través del transformador o aumentar el tamaño del propio transformador. La Figura 3 muestra la forma de onda de carga y la corriente de entrada promedio para un capacitor de salida de 100 µF cargado a 400 V en menos de 100 ms (R₉ = 976Ω).

Para voltajes de salida superiores a 450 V, el transformador de la Figura 2 debe reemplazarse por uno que tenga una inductancia primaria más alta y una relación de vueltas más alta. Consulte la hoja de datos del LT3751 para conocer los procedimientos de diseño de transformadores adecuados.

El LT3751 también se puede utilizar para convertir un suministro de bajo voltaje a un voltaje mucho más alto. La colocación de un divisor de resistencia desde el nodo de salida hasta el pin FB y la tierra hace que el LT3751 funcione como un regulador de voltaje. La figura 4 muestra una fuente de alimentación regulada de 400 V que funciona con un rango de suministro de entrada de 10 V a 24 V.

El LT3751 utiliza un esquema de control de regulación que reduce drásticamente el ruido audible en el transformador y los condensadores cerámicos a granel de entrada y salida. Esto se logra mediante el uso de un reloj interno de 26 kHz para sincronizar los ciclos del interruptor del devanado primario. Dentro del período de reloj, el LT3751 modula tanto la corriente primaria máxima como el número de ciclos de conmutación. Las figuras 5a y 5b muestran formas de onda de carga pesada y carga ligera, respectivamente, mientras que la figura 5c muestra la eficiencia en la mayor parte del rango operativo para la aplicación de la figura 4.

El reloj fuerza al menos un ciclo de conmutación cada período, lo que sobrecargaría el capacitor de salida durante una condición sin carga. El LT3751 maneja condiciones sin carga y protege contra la sobrecarga del nodo de salida. La Figura 6 muestra la protección del LT3751 durante una condición sin carga.

Se pueden agregar resistencias a RV_AFUERA y RBG para agregar una segunda capa de protección, o se pueden omitir para reducir el recuento de componentes vinculando RV_AFUERA y RBG a tierra. El nivel de viaje para la V_AFUERA el comparador normalmente se establece un 20% más alto que el voltaje de regulación nominal. Si el divisor de la resistencia fallara, la V_AFUERA el comparador deshabilitaría la conmutación cuando la salida subiera al 20% por encima del valor nominal.

Tenga en cuenta que el pin FB del LT3751 también se puede utilizar para un cargador de condensadores. El LT3751 funciona como un cargador de condensadores hasta que el pin FB alcanza 1,225 V, después de lo cual el LT3751 funciona como un regulador de voltaje. Esto mantiene el capacitor lleno hasta que la aplicación necesite usar su energía. El divisor de la resistencia de salida forma una vía de fuga desde el capacitor de salida a tierra. Cuando el voltaje de salida cae, el circuito de retroalimentación del LT3751 mantendrá el capacitor lleno con pequeñas ráfagas de carga de baja corriente, como se muestra en la Figura 6.

Como se mencionó anteriormente, el diferencial LT3751 DCM y V_AFUERA los comparadores permiten que la pieza funcione con precisión a partir de voltajes de suministro de entrada muy altos. Un cargador de capacitor fuera de línea, que se muestra en la Figura 7, puede operar con voltajes de entrada de CC de 100 V a 400 V. El transformador proporciona aislamiento galvánico desde el suministro de entrada hasta el nodo de salida, no se requiere magnetismo adicional.

Los voltajes de entrada superiores a 80 V requieren el uso de divisores de resistencia en el DCM y V_AFUERA comparadores (modo cargador solamente). La precisión de la V_AFUERA el umbral de disparo aumenta al aumentar la corriente I_q a través de R₁₀ y R₁₁; sin embargo, la relación de R₆/R₇ debe coincidir estrechamente con R₁₀/R₁₁ con tolerancias cercanas al 0,1%. Un truco consiste en utilizar conjuntos de resistencias para obtener la relación deseada. Lograr una precisión de relación del 0,1 % no es difícil y puede reducir el costo total en comparación con el uso de resistencias individuales de montaje en superficie del 0,1 %. Tenga en cuenta que el valor absoluto de las resistencias individuales no es crítico, solo la relación de R₆/R₇ y R₁₀/R₁₁. El comparador DCM es menos crítico y puede tolerar variaciones de resistencia superiores al 1%.

El cargador de condensador de entrada de 100 V a 400 V CC tiene un V total_{FUERA (VIAJE)} precisión superior al 6 % en todo el rango operativo utilizando divisores de resistencia del 0,1 %. La Figura 8 muestra un rendimiento típico para V_{FUERA (VIAJE)} y tiempo de carga para el circuito de la Figura 7.

El pin FB del LT3751 también se puede configurar para cargar un capacitor desde un alto voltaje de suministro de entrada. Simplemente ate un divisor de resistencia desde el nodo de salida al pin FB. Los divisores de resistencia en la R_{EXTRAORDINARIO} y R_MCD Los pines pueden tolerar resistencias del 5%, y todos los R_V(SALIDA) y R_BG Se eliminan las resistencias de pines. Esto reduce el número y la tolerancia de los componentes requeridos, lo que reduce el espacio físico de la placa y los costos generales de diseño. Con el divisor de resistencia de voltaje de salida, el circuito de la Figura 9 también es un regulador de voltaje de alta eficiencia completamente funcional con una regulación de carga y línea superior al 1%. La eficiencia y la regulación de línea para el circuito de la Figura 9 se muestran en la Figura 10a y la Figura 10b, respectivamente.

Alternativamente, se puede vincular una resistencia de V_AFUERA al pin OVLO1 o al pin OVLO2. Esto imita la V_AFUERA comparador, deteniendo la carga una vez que se alcanza el voltaje objetivo. El pin FB está conectado a tierra. El pin CHARGE debe alternarse para iniciar otra secuencia de carga, por lo tanto, el LT3751 funciona solo como un cargador de capacitor. Resistencia R₁₂ se omite de la Figura 9 y la resistencia R₁₁ está atado de V_AFUERA directamente a OVLO1 o OVLO2. R₁₁ se calcula usando la siguiente ecuación:

Tenga en cuenta que OVLO1 u OVLO2 harán que el CULPA pin para indicar una falla cuando el voltaje de salida objetivo, V_{FUERA (VIAJE)} es alcanzado.

El uso de un divisor de resistencia desde el nodo de salida hasta el pin FB permite la regulación pero no proporciona aislamiento galvánico. Se agregan dos devanados auxiliares al transformador en el circuito que se muestra en la Figura 11 para impulsar el pin FB, el controlador LT3751 y el optoacoplador en el divisor de la resistencia de retroalimentación. Los devanados auxiliares proporcionan el límite de aislamiento galvánico deseado mientras mantienen una ruta de retroalimentación aislada desde el nodo de salida hasta el pin LT3751 FB. Las Figuras 12 y 13 muestran el desempeño del regulador.

El regulador de entrada/salida de alto voltaje completamente aislado produce más del 90% de eficiencia. La regulación de la carga es excelente, como se muestra en la Figura 13b, debido principalmente a la ganancia adicional del circuito del optoacoplador.

La capacidad de funcionar con cualquier voltaje de suministro de entrada que va desde 4,75 V a más de 400 V y la gran cantidad de características de seguridad hacen que el LT3751 sea una excelente opción para cargadores de capacitores de alto voltaje o fuentes de alimentación reguladas de alto voltaje. De hecho, el LT3751 es, por ahora, el único controlador de carga de capacitores en modo límite que puede operar con precisión desde voltajes de entrada extremadamente altos. El LT3751 simplifica el diseño al integrar muchas funciones que, debido al costo y al espacio de la placa, de otro modo no serían posibles. Aunque aquí se muestran varios diseños, el LT3751 incluye muchas más funciones de las que podemos mostrar en un artículo. Recomendamos consultar la hoja de datos o llamar al departamento de ingeniería de aplicaciones de Linear Technology para obtener una cobertura más detallada de todas las funciones disponibles.