有线路波动保护和耐用的内部功率的电源开关

电能已深入人类日常生活的方方面面。 很难想象没有冰箱、空调、电视机的生活会是怎样的景象。 但是，如果电源波动或发生故障，即使有先进的技术，电气设备也将毫无用处。 更关键的问题是设备因交流输入线路的波动而导致损坏。 造成线路电压波动的几个原因为： 需求增加导致电网过载、基础设施建设不当、或雷电冲击。 无论何种情况，当线路电压因波动而升高时，都会使电气设备面临电源系统故障的风险。 在这种情况下，将交流线路输入转换为相称的直流电压的电源板通常最先受损。 本文论述的是反激式AC-DC转换器的保护方案，该方案在预防家用电器系统的线路过压时必不可少。

耐雪崩的电源开关

针对输入线路波动或过压，可行的解决方案之一是采用耐雪崩的电源开关。 大多数集成式电源开关在内部都采用MOSFET作为电源开关。 当电源开关上具有超出其额定电压的高电压时会产生雪崩击穿，典型的现代功率MOSFET对该情况具有一定的耐受性。 然而，该耐受水平会因设备技术或芯片设计而存在很大差异。 图1举例说明了这种差异。 两款设备具有非常相似的导通电阻规格。 但在非箝位感应开关(UIS)测试中，FSL系列的故障电流水平要高出10倍以上。 这表示FSL系列在设备损坏前能承受高得多的电流或电能应力。 本例中为424mJ与3.67mJ。 FSL系列内置的功率MOSFET采用垂直DMOS结构，而竞争型设备采用横向DMOS结构。 通常，飞兆半导体FPS™电源开关产品所采用的垂直DMOS结构，更适合高压、高功率MOSFET。 横向DMOS结构能使MOSFET更好地集成在逻辑电路中，但它不如垂直DMOS结构那样能耐受高水平的电能应力。 实际上，非箝位开关条件并不常见，因为大部分反激式转换器都集成了缓冲电路，电源开关关闭时可箝位高压尖峰。 然而，缓冲电路无法始终将尖峰电压维持在电源开关最大额定值以下。 在输出短路或输入线路过压等异常情况下，电源开关可能遭击穿。 在这种情况下，更佳的雪崩耐受度有助于保持反激式转换器的稳定性。

带输入过压保护的FPS电源开关（FSL MRIN系列）

如果线路因波动而导致过压，则内部功率MOSFET会在处于漏源极范围内的多种电压条件下关闭并可能导致雪崩击穿。 即使电源开关的内部MOSFET能够在瞬态或异常条件下耐受一定程度的电能应力，也应当将其作为避免故障的最后一道防线，这是因为，如果应力超过器件耐受范围，则器件将遭到永久损坏。 因此，当线路电压水平过高时，最好将内部功率MOSFET的开关动作关断。 此时，针对输入线路过压提供集成式保护功能的电源开关对于反激式转换器设计人员而言便具有极大的优势。 FSL117MRIN是一款全新的绿色模式电源开关，其内部MOSFET的额定雪崩耐受度为700V，并集成了输入线路过压保护(LOVP)功能。 该线路过压保护功能提供针对线路输入电压突然上升的额外保护，并确保反激式转化器的安全运行。 图2表示的是线路过压保护功能的原理图。 控制器内部的电压检测电路负责实时监控线路输入电压。 当线路输入电压超过预设水平——VIN引脚上的电压超过1.95V——控制器便会发出故障信号并关闭PWM输出。 反激式转换器会在VIN引脚电压低至1.89V时停止工作。 为防止误触发线路过压保护，该功能仅在线路过压持续超过20us后才会触发。 线路过压保护功能的另一个重要特性是自动恢复。 即使在故障条件下，控制器也可持续监控线路输入电压，并在过压条件消失时开启PWM输出。 FSL117MRIN专为满足客户需求而设计，因为家用电器应用通常要求自动恢复模式不闭锁。 有了线路过压保护功能，内部功率MOSFET便能得到有效保护，免受潜在的雪崩击穿威胁。 它还可保证线路输入电压波动下反激式转换器的稳定性。
图3表示的是商用空调中输入过压保护功能的运作情况。 该空调系统的工作电压为320VAC的交流线路输入电压，并且线路电压会突然增加到336VAC。 此时，线路过压保护功能会得到激活，FPS电源开关（FSL MRIN系列）会停止运行。 当线路输入电压返回至正常水平时，保护功能会清零，FPS电源开关（FSL MRIN系列）会再次执行开关动作。

结论

飞兆半导体发布了集成了输入线路过压保护(LOVP)功能的全新FPS电源开关系列产品。 它提供了针对线路波动的额外保护以及FPS电源开关（FSL MRIN系列）耐用的内部功率MOSFET。 当电网非常不稳定时，它为器件提供了重要的保护功能。

图1 内部MOSFET的UIS特性

图2 输入过压保护

图3 空调输入过压保护和恢复功能的工作波形