有線路波動(dòng)保護(hù)和耐用的內(nèi)部功率的電源開關(guān)

電能已深入人類日常生活的方方面面。 很難想象沒有冰箱、空調(diào)、電視機(jī)的生活會(huì)是怎樣的景象。 但是，如果電源波動(dòng)或發(fā)生故障，即使有先進(jìn)的技術(shù)，電氣設(shè)備也將毫無用處。 更關(guān)鍵的問題是設(shè)備因交流輸入線路的波動(dòng)而導(dǎo)致?lián)p壞。 造成線路電壓波動(dòng)的幾個(gè)原因?yàn)椋?需求增加導(dǎo)致電網(wǎng)過載、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不當(dāng)、或雷電沖擊。 無論何種情況，當(dāng)線路電壓因波動(dòng)而升高時(shí)，都會(huì)使電氣設(shè)備面臨電源系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。 在這種情況下，將交流線路輸入轉(zhuǎn)換為相稱的直流電壓的電源板通常最先受損。 本文論述的是反激式AC-DC轉(zhuǎn)換器的保護(hù)方案，該方案在預(yù)防家用電器系統(tǒng)的線路過壓時(shí)必不可少。

耐雪崩的電源開關(guān)

針對輸入線路波動(dòng)或過壓，可行的解決方案之一是采用耐雪崩的電源開關(guān)。 大多數(shù)集成式電源開關(guān)在內(nèi)部都采用MOSFET作為電源開關(guān)。 當(dāng)電源開關(guān)上具有超出其額定電壓的高電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生雪崩擊穿，典型的現(xiàn)代功率MOSFET對該情況具有一定的耐受性。 然而，該耐受水平會(huì)因設(shè)備技術(shù)或芯片設(shè)計(jì)而存在很大差異。 圖1舉例說明了這種差異。 兩款設(shè)備具有非常相似的導(dǎo)通電阻規(guī)格。 但在非箝位感應(yīng)開關(guān)(UIS)測試中，F(xiàn)SL系列的故障電流水平要高出10倍以上。 這表示FSL系列在設(shè)備損壞前能承受高得多的電流或電能應(yīng)力。 本例中為424mJ與3.67mJ。 FSL系列內(nèi)置的功率MOSFET采用垂直DMOS結(jié)構(gòu)，而競爭型設(shè)備采用橫向DMOS結(jié)構(gòu)。 通常，飛兆半導(dǎo)體FPS?電源開關(guān)產(chǎn)品所采用的垂直DMOS結(jié)構(gòu)，更適合高壓、高功率MOSFET。 橫向DMOS結(jié)構(gòu)能使MOSFET更好地集成在邏輯電路中，但它不如垂直DMOS結(jié)構(gòu)那樣能耐受高水平的電能應(yīng)力。 實(shí)際上，非箝位開關(guān)條件并不常見，因?yàn)榇蟛糠址醇な睫D(zhuǎn)換器都集成了緩沖電路，電源開關(guān)關(guān)閉時(shí)可箝位高壓尖峰。 然而，緩沖電路無法始終將尖峰電壓維持在電源開關(guān)最大額定值以下。 在輸出短路或輸入線路過壓等異常情況下，電源開關(guān)可能遭擊穿。 在這種情況下，更佳的雪崩耐受度有助于保持反激式轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。

帶輸入過壓保護(hù)的FPS電源開關(guān)（FSL MRIN系列）

如果線路因波動(dòng)而導(dǎo)致過壓，則內(nèi)部功率MOSFET會(huì)在處于漏源極范圍內(nèi)的多種電壓條件下關(guān)閉并可能導(dǎo)致雪崩擊穿。 即使電源開關(guān)的內(nèi)部MOSFET能夠在瞬態(tài)或異常條件下耐受一定程度的電能應(yīng)力，也應(yīng)當(dāng)將其作為避免故障的最后一道防線，這是因?yàn)?，如果?yīng)力超過器件耐受范圍，則器件將遭到永久損壞。 因此，當(dāng)線路電壓水平過高時(shí)，最好將內(nèi)部功率MOSFET的開關(guān)動(dòng)作關(guān)斷。 此時(shí)，針對輸入線路過壓提供集成式保護(hù)功能的電源開關(guān)對于反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員而言便具有極大的優(yōu)勢。 FSL117MRIN是一款全新的綠色模式電源開關(guān)，其內(nèi)部MOSFET的額定雪崩耐受度為700V，并集成了輸入線路過壓保護(hù)(LOVP)功能。 該線路過壓保護(hù)功能提供針對線路輸入電壓突然上升的額外保護(hù)，并確保反激式轉(zhuǎn)化器的安全運(yùn)行。 圖2表示的是線路過壓保護(hù)功能的原理圖。 控制器內(nèi)部的電壓檢測電路負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控線路輸入電壓。 當(dāng)線路輸入電壓超過預(yù)設(shè)水平——VIN引腳上的電壓超過1.95V——控制器便會(huì)發(fā)出故障信號并關(guān)閉PWM輸出。 反激式轉(zhuǎn)換器會(huì)在VIN引腳電壓低至1.89V時(shí)停止工作。 為防止誤觸發(fā)線路過壓保護(hù)，該功能僅在線路過壓持續(xù)超過20us后才會(huì)觸發(fā)。 線路過壓保護(hù)功能的另一個(gè)重要特性是自動(dòng)恢復(fù)。 即使在故障條件下，控制器也可持續(xù)監(jiān)控線路輸入電壓，并在過壓條件消失時(shí)開啟PWM輸出。 FSL117MRIN專為滿足客戶需求而設(shè)計(jì)，因?yàn)榧矣秒娖鲬?yīng)用通常要求自動(dòng)恢復(fù)模式不閉鎖。 有了線路過壓保護(hù)功能，內(nèi)部功率MOSFET便能得到有效保護(hù)，免受潛在的雪崩擊穿威脅。 它還可保證線路輸入電壓波動(dòng)下反激式轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。
圖3表示的是商用空調(diào)中輸入過壓保護(hù)功能的運(yùn)作情況。 該空調(diào)系統(tǒng)的工作電壓為320VAC的交流線路輸入電壓，并且線路電壓會(huì)突然增加到336VAC。 此時(shí)，線路過壓保護(hù)功能會(huì)得到激活，F(xiàn)PS電源開關(guān)（FSL MRIN系列）會(huì)停止運(yùn)行。 當(dāng)線路輸入電壓返回至正常水平時(shí)，保護(hù)功能會(huì)清零，F(xiàn)PS電源開關(guān)（FSL MRIN系列）會(huì)再次執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作。

結(jié)論

飛兆半導(dǎo)體發(fā)布了集成了輸入線路過壓保護(hù)(LOVP)功能的全新FPS電源開關(guān)系列產(chǎn)品。 它提供了針對線路波動(dòng)的額外保護(hù)以及FPS電源開關(guān)（FSL MRIN系列）耐用的內(nèi)部功率MOSFET。 當(dāng)電網(wǎng)非常不穩(wěn)定時(shí)，它為器件提供了重要的保護(hù)功能。

圖1 內(nèi)部MOSFET的UIS特性

圖2?輸入過壓保護(hù)

圖3?空調(diào)輸入過壓保護(hù)和恢復(fù)功能的工作波形