VICOR电源第二代DC-DC转换器配件模块-滤波/自动调节整流模块FARM

VICOR电源设计指南和应用手册-全型、小型和微型系列DC—DC转换器及配件模块

VICOR电源——广州源博科技有限公司

VICOR滤波/自动调节整流模块FARM

VICOR滤波／自动调节整流模块(FARM)；是配套VICOR DC—DC转换器的交流前端模块。以FARM及VICOR DC—DC转换器为核心元件，可以组成高性能的电源系统，并能满足广泛的应用要求以及达到各项安全标准。除了瞬变、浪涌抑制和EMI滤波外，滤波和自动调节整流模块(FARM)内还包含功率开关和控制电路，令模块可以自动调节整流、限制涌流及提供过压保护等功能。FARM可监察供电情况，启动或关断下端的DC—DC转换器。组成有秩序的电源接通或关断顺序。利用FARM组成完整的交流前端，用户只需加入保持电容和少量分立元件。

功能说明

启动时的情况当输入电源接通时，限制浪涌电流的正温度系数(PTC)热敏电阻的旁路开关打开，倍压整流连接片(strap)在开启状态。此外，转换器模块被使能(EN)线线关断，母线正常信号(BOK)在高电平。

电源接通顺序

1．1输入电源接通后；接在输出直流母线上的电容器开始充电，热敏电阻限制充电电流，充电时间常数由保持电容的容量和热敏电阻的冷态电阻决定。当电容两端电压达到输入交流电源电压的峰值时，电容电压与时间的关系曲线的斜率(dv／dt)接近于零。当电容两端电压曲线的斜率接近于零时，如果直流母线的电压低于200 V，倍压整流电路工作，因此直流母线电压将按指数规律升高到交流输入峰值电压的两倍。

2．1如果直流母线的电压高于200 V，倍压整流电路就不工作。

3．1电容两端电压曲线的斜率接近于零时，如果直流母线电压高于235 V，浪涌限流热敏电阻被旁路；如果直流母线电压低于235 V，浪涌限流热敏电阻不被开关旁路。

4．1热敏电阻旁路开关闭合后，经过～150 ms，转换器模块被使能开始工作。

5．1再经过～150 ms，母线正常信号(BOK)变为低电平，转换器模块输出电压可维持在规格上标明的范围内。

电源关断顺序

当输入电源被关断或失效，由于直流母线电压下降，将发生下述过程：

1．2当直流母线电压低于205 V时(典型)，母线正常信号变为高电平。

2．2当直流母线电压低于190 V时，转换器模块将关 断。转换器模块关断后，如果重新接通输人电源，将重复电源接通顺序。如果交流电源发生瞬时中断，并且在直流母线电压下降到关断门限值以前，交流电源恢复供电，不会重复电源接通顺序。换言之，电源就能过度瞬时中断。在整个输入电压范围内，FARM模块可使直流输出母线电压保持在250 V到370 V之间。该输出电压范围可与vicor电源全型、小型、微型300 V输入DC—DC转换器，和vicor电源Vl一26x系列及Vl一。]6x系列DC—DC转换器模块的输入电压范围相配。FARM可根据交流输入电压自动转换为桥式整流或倍压整流，从而可以有效地防止开关电源因接入不适当的电源电压而损坏。输入电压在90 Vac一132 Vac之间时，FARMlXXX额定功率为500 W，输入电压在180Vac一264 Vac之间时，FARMlXXX额定功率为750 W。输入交流电压在90 Vac一132 Vac之间时，FARM2xxx额定输出功率为750 W，输入交流电压在1 80 Vac一264Vac之间时，FARM2xxx额定功率为1，000 W，只要最大功率不超过上述数值，这两种交流前端模块都可任意与一个或多个DC—DC转换器模块组成开关电源系统。

连接片(ST)引脚 在实际应用中，FARM模块除了应连接输入和输出引脚外，为了实现自动适应输入电压范围的变化还必须把ST引脚连接保持电容(C1，C2，参看图8—3)的中结点。金属氧化物压敏电阻器V1和V2提供电容保护。电源关断时，保持电容可通过泄放电阻R1和R2放电，(参看图8—3)。假如保持电容距离FAf=：M输出引脚超过75 mm时，建议使用电容C7和C8。

使能(EN)引脚 (图8—4)使能(EN)引脚必须接到所有vicor电源DC—DC转换器模块的PC引脚或GATE lN引脚，以便刚接通电源时，FARM能暂时关断DC—DC转换器模块，否则保持电容正通过限流热敏电阻充电时，vicor电源转换器模块就可能开始工作，因而无法使母线电压达到热敏电阻旁路门限电压，结果是转换器将无法正常起动。使能(EN)引脚输出(内部N一渠道MOSFElT的漏极)电压，在模块内部通过1 50 kQ电阻升到15 V。为了消除转换器模块之间可能产生的控制干扰，每只转换器模块的PC或GATE IN引脚都必须串人一只信号二极管，并且该二极管应当尽量靠近PC引脚。电源接通且浪涌电流消失后，使能(EN)引脚与负输出引脚之间的电压会上升到1 5 V，从而使各转换器模块开始工作。如果直流母线电压超过400 V，使能(EN)引脚电压也可关断DC—DC模块，从而实现转换器模块输入过压保护。发生输入过压保护时，内部热敏电阻旁路开关打开，且与输入电压串联，从而降低母线电压到一个安全的水平，压敏电阻同时又限制了输入之电流。因发生故障或负载电流过大使直流母线电压低于1 80 V时，热敏电阻旁路开关也将打开作限流保护。

注意：FARM模块的输入和输出并不隔离，FARM模块的-Out引脚和下游的DO-DO转换器的-In引脚都在高电平。如需要以控制DC-DC转换器的PC或GATE lN引脚(参考-In)来提供外在接通，关断功能，就要采用一个光耦隔离器或隔离继电器。

围8—3一离线式开关电源配置VICOR母线正常信号IBOK)引脚(图8—5)BOK引脚可提供电源中止提前警告信号，该引脚电压也是以负输出引脚为基准。

注意：FARM模块的输入和输出不隔离。如果母线正常信号用于转换器模块的次级(输出端)，必须通过光电隔离器监控。用示波器测试时，必须采用交流电源隔离变压器。为了不损坏模块，示波器的探头地线决不能同时连接输入和输出端。

滤波器(图8—6)内置的输入滤波电路包括共模电感，接在电源线与地线之间的Y一电容和接在两条电源线之问的X一电容，在100 kHz到30 MHz频带内，该滤波电路具有足够的共模和差模插入损耗。

保持电容 保持电容的容量决定于输出母线电压的纹波、电源中断保持时间和过渡时间。(图8—7)在许多实际应用中，·都要求输入电源出现规定时间内的瞬时中断时，电源设备必须维持输出电压，也就是说，转换器模块必须维持不问断输出电压。同样，在许多应用系统中，为了有时问按顺序关断转换器模块，还要求通知电源即将中断。

电容充电电压为V时，电容器中贮存的能量为：

    ￡=1／2(CV2)

式中：E=贮存的能量

    C=电容器的容量

    V=电容器两端的电压

输入电源中断后，转换器模块所需的能量是由电容器放电提供的。该能量(功率时间的乘积)可由下式表示：

    ￡=PAt=C(V1。一V2。)／2    (2)

式中：P=转换器的功率

    △t=电容器放电间隔

    V1=△l起点电容器的电压

    V2=△t终点电容器的电压

将(2)式重新整理后，可得出所需的电容：

    C=2PAt／(V1。一V2。)    (3)

电源失效预警时间(△t)是指电源中断预警母线正常信号(BOK)到转换器模块关断之间的时间，如图8—7所示。母线正常信号(BOK)和使能门限值分别为205 V和1 90 V。将这些数值代入公式(3)中，可简化电源失效预警时间、功率和母线电容之间的关系：

C=2P&t：／(2052—1902)

C=2PAt／(5,925)

应当注意，如图8—3所示，保持电容由C1和C2串联组成，每只电容的容量应为计算值的两倍，但是每只电容所需的额定电压可减少到200 V。直流母线上允许的纹波电压(或纹波电流在电容器两端产生的纹波电压)，也可影响保持电容所需的电容量。还应当考虑给定转换器的纹波抑制比和最终的输出纹波电压要求。例如，转换器输出电压为15 V，额定输入电压为300 V时，纹波抑制比将为56 dB，即输入纹波电压10 V峰一峰值将产生输出纹波电压15 mV峰一峰值。(图8—1 1)公式(3)仍然适合于计算保持电容所需的容量，在这种情况下，V1和V2分别为纹波电压峰值和谷值处的母线电压瞬时值(图8—7)。在经整流的市电电压的两个峰值之间的时间间隔△t内，保持电容必须保持规定的母线电压，△t可由下式给出：

    △t=(丌一e)／2兀f    (4)

    式中：f=交流市电的频率

    e=整流器的导通角

    (图8—7)

近似的导通角可由下式给出：

    e=COS一(V2／V1)    (5)

选择保持电容时，还应当考虑额定纹波电流，保持电容器的额定电流值必须大于最大工作纹波电流。近似的工作纹波电流(rms)由下式给出：

    I rms=2P／、Jac

式中：P=总输出功率

    Vac=市电电压

保持时间、过渡时间和要求的纹波电压与母线电容容量的关系。

在该实例中，DC—DC转换器模块在负载端的输出电压为12 V，输出功率为320 Wc，假设转换器的效率为85％，FARM模块的输出功率应为375 Wc，在90—264 Vac输入电压范围内，所需的保持时间为9 ms。决定电源失效预警时的电容容量给定电源失效预警时间和输出功率时，可根据图8—8决定保持电容的容量，可以看出，母线电容的总容量至少应为820 LJF，由于两只电容串联，所以每只电容的容量至少应为1，640 uF。

注意：预警时间与输入电压无关。保持电容值计算器可图8—6一内置的滤波电路决定过渡时间如图8—9所示，过渡时间是市电电压和输出功率的函数。从图8—9可以看出，额定市电电压为90 Vac时，过渡时间为68 ms，应当说明，过渡时间为市电电压的函数。

决定保持电容两端的纹波电压如图8—10所示，纹波电压是输出功率和母线电容的函数。可以看出，保持电容两端的纹波电压为12 V峰一峰值。

决定DC-DC转换器输出端的纹波电压图8—1 1用于决定DC—DC转换器的纹波抑制比。可以看出，输出电压为12 V时，纹波抑制比约为60 dB。因为母线电压上的纹波为12 Vac且转换器的纹波抑制比为60 dB，因此因输入电源(初级1 20 Hz)纹波而产生的转换器输出纹波应为1 2 mV峰一峰值。母线正常信号(BOK)隔离供电状态指示器

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