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积体电路为高可靠性电源强化保护和安全高效
 

【作者: Steve Munns】2018年03月01日 星期四

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在理想的世界里,高可靠性系统应该设计为能够避免单点失效,有办法在保持运行 (但也许是在降低的性能水准上) 的情况下隔离故障。高可靠性系统还应该能够抑制故障,避免故障传播给下游或上游的电子元件。


内建冗馀是一种解决方案,这可以采用并联电路以主动分担负载,或者在故障发生之前以备用模式等待。在每一种内建冗馀方式中,实现故障检测和管理都需要额外的电路开销,而这提高了总复杂性和成本。有些系统还建立了不同的并联电路,以增加多样性,避免产生相同故障机制这种风险,某些飞行控制系统就是这麽操作的。


提高系统复杂性为电源性能造成了更大的负担,因此高转换效率和良好的热量管理变得至关重要了,因为接面温度每上升 10。C,则IC 寿命大约会减少一半。正如我们将看到的,现在新功能丰富的电源 IC 和专用电源管理功能已经增强了对 IC 本身及其周围系统的保护。


电源稳压器的安全功能

电压稳压器的电流限制已越来越准确,形式也越来越复杂,以避免过大的输出电流损坏元件本身或下游元件。内部保护电路也相当常见,包括电池反向保护、电流限制、热量限制和电流反向保护。


LTC7801 DC/DC 开关控制器就是一个改善了制程和安全功能的产品实例。该元件可安全的承受高达 150V 的输入电压,并提供一种保护功能,以在输入电压上升至高於可程式设计工作范围时,禁止切换。这种功能简化了输入电源暂态保护电路,减少了元件数,并且也缩减了解决方案尺寸。运用针对电压过冲提供保护的过压比较器,也可以达到很好的保护输出,同时返折电流限制器在过电流和短路故障情况下则可控制功耗。



图1 :  LTC7801 高压降压 DC/DC 控制器
图1 : LTC7801 高压降压 DC/DC 控制器

宽广针脚间隔可避免相邻高压和低压引脚之间产生危险的电弧,透过提供此封装选择,也增强了物理封装方面的安全性。击穿电压随着气压降低而下降,因此非正常气压的飞机应用可以选择 LTC3895,该元件提供与 LTC7801 相同的功能和性能,但是提供具 0.68mm 双倍接脚间隔的封装选择。另外,还可采用一些具有符合所谓 FMEA (失效模式和影响分析) 标准之pinout配置的产品,例如容错型 LT3007 线性稳压器,在此类pinout配置中,如果相邻的接脚短接在一起或某个接脚被浮置,则输出将会维持在、或低於调节电压。


控制多个输入电源

含有一个主电源和一个冗馀备份电源,同时也许还有一个外部辅助电源的电源系统需要一种仲裁系统,以确定哪个电源有优先权并监视这些电源的状态。此外,还必须保护系统,防止在电源切换时发生交叉传导和反向??送。诸如 LTC4417 等单晶片 IC提供一种解决方案,即针对每个输入验证用户定义的电源门槛,依此自动选择电源。


另一种方法是由两个同时运行的输入电源分担负载,从而透过减轻每个电源的负担提高可靠性,如果每个电源都经过适当调整,能够支援满负载需求,那麽这种方法同时还能在一个电源发生故障时提供保护。过去,可能一直采用简单但效率低的二极体 「合路」 电路,但这种电路要求每个电源都配备有源控制以平衡负载。图 2 显示,现在怎样才能用单晶片解决方案来实现这种控制。LTC4370 是一款均流控制器,具备反向隔离,防止一个电源发生故障导致整个电源系统当机。



图2 :  LTC4370 双冗馀电源均分
图2 : LTC4370 双冗馀电源均分

暂态和电路保护

军用和航空电子产品必须符合暂态保护规范,例如:MIL-STD-1275 (车辆) 和 MIL-STD-704 / DO-16 (飞机)。不过,人们希??任何高可靠性系统都针对电压涌浪、尖峰和涟波提供保护,有些产品专门提供此保护功能,例如 LT4364。


此外,还有多种电路保护功能可用,包括 LTC4368 这类产品。LTC4368 是一款 100V 双向电路断路器,针对电源电压过高、过低,甚至为负,以及针对正向和反向过流故障提供保护。



图3 : 提供保护功能的 LTC4368 双向电路断路器
图3 : 提供保护功能的 LTC4368 双向电路断路器

从这些例子中,我们可以观察到,具日益复杂的保护和安全功能的新产品是如何简化应用电路设计,并减小了解决方案的尺寸。


数位电源系统管理

类比电源调节具备自身的优势,透过基於 I2C 的PMBus 介面进行数位控制以支援电源系统远端系统管理也具有自身的优势,新型产品正在结合这两种优势。遥测和诊断资料可用来监视负载情况、读取晶片温度,并以非常高的准确度进行微调和裕度控制,从而最大限度提高系统稳定性、效率和可靠性。


数位电源管理的一个引人关切问题,是软体的复杂性,然而,LTC3815 执行一种简化的 PMBus “Lite” 命令集,没有晶片内非挥发性记忆体或微控制器,它在简化设计的同时,并且也提供了数位控制和监视的好处。


正如之前所提及的,良好的热量控制对於可靠性是非常重要的,LTC3815 提供两级过热门槛和两级回应。当内部晶片温度超过150。C时,过热状态被标记到 PMBus上,ALERT接脚拉低以向PMBus主元件发出警报。如果温度继续上升并超过170。C,那麽 LTC3815 就会关断所有电路,包括输出调节电路,直到过热状态清除为止。


这类能够报告其状态的系统为改变维护方式提供了机会,即从基於时间的维护安排转变到基於状态的维护,并有可能在系统故障形成之前,凸显性能下降的问题。


隔离式系?

高可靠性电源系统通常包括一个隔离势垒,以保护电源汇流排免於遭受下游线路可更换单元故障的损坏。另外,不断增加的感测器和执行器数目也在推动着对於较小、局部隔离式电源和资料介面的需求,旨在减少源自接地??路和共模干扰的杂讯感应问题。现在已经有了完整的电流隔离型 BGA 模组解决方案,以简化设计和提高可靠性。LTM9100 隔离型开关控制器为一款一体化解决方案,以用於控制、保护和监视高达1000VDC的高电压电源。一个 5kVRMS电气隔离势垒隔离了数位介面和开关控制器,从而可驱动一个外部N通道 MOSFET或IGBT开关。透过I2C/SMBus介面可对负载电流、汇流排电压及温度进行隔离式数位测量,从而实现高电压汇流排的功率和能耗监视。



图4 : 具遥测功能的 LTM9100 隔离式开关控制器
图4 : 具遥测功能的 LTM9100 隔离式开关控制器

零组件选择

本文大部分内容特别用来探讨简化高可靠性电源设计的新功能,或者针对故障或粗暴使用情况保护元件的产品功能。然而,至关重要的是,请不要忽视零组件品质的重要性,以针对预期环境条件选择正确组件级别的重要性。例如 ADI 的军用塑胶封装等级元件提供了经过 100% 测试和有保证的性能 (在 儃55。C至 +125。C 温度范围内),从而免除了对预期存在非常严酷条件的应用电路中的元件进行昂贵的二次筛分或特性分析之需。


结论

凭藉用户可编程特性、更加精细复杂的晶片内保护机理和缩减了整体解决方案接脚占位的更高整合度,已使高可靠性电源的设计得以简化。数位电源系统管理提供了方法以远端监视和控制电源系统以及进一步改善效率和可靠性。最後,选择一家信誉良好供应商的正确元件等级,也将可降低发生品质和可靠性问题的可能性。


(本文作者Steve Munns为ADI军用-航空行销经理)


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