航空和國防應(yīng)用的電源保護

凌力爾特向國防工業(yè)供應(yīng)高性能模擬集成電路已經(jīng)近 30 年了，一直奉獻各種資源來支持該市場的專門需求。凌力爾特提供包括工業(yè)、汽車和軍用溫度范圍在內(nèi)的多種產(chǎn)品級別以及業(yè)界領(lǐng)先的質(zhì)量和 0.1 FIT 級的“同類最佳”可靠性。

引言
LRU (現(xiàn)場可更換單元) 是模塊化子系統(tǒng)，采用同樣的標準物理及電氣接口。LRU 廣泛用于軍用和民用航空領(lǐng)域，在這類應(yīng)用環(huán)境中，簡單的單元替換可簡化偏僻位置的維護工作。每個 LRU 都必須設(shè)計為符合嚴格的規(guī)范和標準要求，以確保兼容性并在嚴酷的環(huán)境中可靠工作。

本文將討論 LRU 電源接口，尤其要討論的是，在電壓尖峰、浪涌及紋波形式電源異常情況下，與防止下游 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器損壞有關(guān)的要求。

尖峰、浪涌和紋波
尖峰和浪涌的定義在不同的標準中略有差異。各國都制定了自己國家的政府軍用標準，同時飛機制造商則引用自己的規(guī)范，而 RTCA (航空無線電技術(shù)委員會) 制定了國際性的標準，以在前兩者之間建立起銜接的橋梁。表 1 羅列了其中三種主要的參考標準并匯總了其瞬態(tài)要求。

表 1：瞬態(tài)要求概要
瞬態(tài)要求的參考

* 每個尖峰的最大能量為 15mJ

因可用空間的限制，以上只是必須滿足的“籠統(tǒng)”條件；每種規(guī)范都包含有詳細的性能曲線示意圖和測試條件。MIL-STD-1275D標準的“僅發(fā)生器模式”的紋波規(guī)格給出的是最壞情況示例，正常工作模式規(guī)定為偏離穩(wěn)態(tài)條件±2V。其他的國家級規(guī)范還有很多，比如英國政府制定針對軍用車輛的 DEFSTAN 61-5 (第六部分)，該標準的要求與MIL-STD-1275D具有廣泛的相似性，不過其針對的是 12V 和 24V 系統(tǒng)。

系統(tǒng)必須設(shè)計為能承受所規(guī)定最壞情況下的條件而不被損壞，但通常情況下的目標是，開發(fā)一個在達到預(yù)先確定的安全停機點之前，能在規(guī)定的瞬態(tài)變化范圍內(nèi)持續(xù)工作的電路。在有些情況下，因為需要縮小組件的物理尺寸，所以在所允許的 LRU 機箱內(nèi)，不可能完全滿足規(guī)范要求，這就需要在客戶和供應(yīng)商同意的情況下修訂規(guī)范。

這種多樣性導(dǎo)致很難開發(fā)一個滿足所有需求的單一解決方案，而且項目不同，標準要求也有很多變化，需要調(diào)整以滿足工作環(huán)境對正在開發(fā) LRU 的要求。結(jié)果，設(shè)計師往往采用就事論事的方法，不同情況采用不同的保護電路。

挑戰(zhàn)
我們先來說說電壓尖峰，此類瞬變往往表現(xiàn)為持續(xù)數(shù)十 μs 的幾百伏電壓，源自雷擊或負載階躍的感性耦合。目前的對策是在 LRU 連接器組件中使用一個瞬態(tài)電壓抑制器，并結(jié)合一個 π 型濾波器與鐵氧體磁珠配置，這種解決方案有效且節(jié)省空間。

一個更具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域是，防止由負載突降引起的、典型值低于 100V、持續(xù)數(shù)十或數(shù)百毫秒的電壓浪涌的傳播。當一個負載電路斷接導(dǎo)致交流發(fā)電機兩端的電壓短時間內(nèi)迅速增大、從而采用相同電源的其他負載上的電壓也在短時間內(nèi)迅速增大時，就會發(fā)生浪涌電壓傳播。有一種解決方案是采用由一個串聯(lián)電感器和高值電解旁路電容器組成的無源網(wǎng)絡(luò)，再配之以一個瞬態(tài)電壓抑制器和熔絲。此類解決方案往往龐大笨重，而且仍然會傳導(dǎo)某些較高的電壓，因此要求下游組件必須耐受較高的輸入電壓。

在業(yè)內(nèi)，設(shè)計人員的做法是采用一個 MOSFET 傳輸元件來開發(fā)基于分立組件的有源解決方案，但這通常需要花費大量的測試時間用于優(yōu)化檢測、控制環(huán)路及傳輸晶體管電路。防止 MOSFET 傳輸元件發(fā)生過熱并使之處于其安全工作區(qū)之內(nèi)常常被引述為設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。有時，依然需要使用熔絲來保護 MOSFET 免遭短路故障情況的損壞。不用說，更換燒斷的熔絲對于民用航空而言可能會帶來不希望的后勤混亂，另外還有可能導(dǎo)致重要的軍用設(shè)備在至關(guān)緊要的操作中短暫癱瘓。一種解決電壓浪涌問題的方案是，采用 LT4356 浪涌抑制器 IC，該器件非常適用于完成抑制浪涌的任務(wù)，本文后面將更詳細地介紹其工作原理。

最后，LRU 輸入電源上的電壓紋波可能帶來進一步的設(shè)計挑戰(zhàn)，尤其是，針對發(fā)生器模式軍用車輛的 MIL-STD-1275D 規(guī)范相當嚴格 (參見表 1)。人們采用了各種不同的方法，包括允許保護電路將紋波傳遞至穩(wěn)壓級或者電壓紋波的幅度更加適中的地方，以及在保護電路自身的內(nèi)部對其進行濾波處理等。在后一種方法中，必須對保護電路實施優(yōu)化，以便有針對性地處理具有不同特性的大電壓瞬變與小幅度的緩變紋波。

趨勢
由于在成本、空間和重量方面承受著壓力，再加上人們越來越多地需要利用多個低電壓、大電流的電源軌來給復(fù)雜的 FPGA 及處理器供電，因而導(dǎo)致負載點 (POL) 電源架構(gòu)成為發(fā)展趨勢。

采用具有多個輸出的完全不同、大型、模塊化、螺栓安裝式隔離型穩(wěn)壓器在電路板級上提供最終電壓軌的做法正逐步讓位于分布式和高效率的 POL 開關(guān)穩(wěn)壓器，例如：凌力爾特公司的µModule® 系列 (見圖 1)。此類穩(wěn)壓器通常由 LRU 內(nèi)部的一個隔離式中間電源總線來供電，而 LRU 則依靠飛機或車輛的電源系統(tǒng)饋送 28V 或更高的 DC 電壓。

圖 1：凌力爾特微型模塊系列的一員

轉(zhuǎn)向 POL 電源架構(gòu)的一個結(jié)果是，有機會將浪涌保護從中央電源電路板重新分配到 LRU 內(nèi)的各個電路板上。較小的負載允許使用具專用過壓保護 IC 的小型、高效率解決方案。

LT4356 解決方案
LT4356 浪涌抑制器保護負載免受高壓瞬態(tài)和過流故障影響。圖 2 顯示了該器件的簡化內(nèi)部方框圖。在正常操作條件下，一個外部 N 溝道 MOSFET 被驅(qū)動至完全導(dǎo)通，并充當一個傳輸器件。如果輸入電壓升高，高于 FB 引腳電阻分壓器設(shè)定的穩(wěn)定點，那么該 MOSFET 就變成一個線性穩(wěn)壓器，允許負載電路經(jīng)過瞬態(tài)事件繼續(xù)工作。

圖 2：LT4356 的簡化方框圖

在發(fā)生過流事件時，電流限制環(huán)路控制 MOSFET 上的柵極電壓，以將 V_CC 和 SNS 引腳之間的檢測電壓限制到 50mV。

無論過壓還是過流事件都將啟動一個電流源，以給 TMR 引腳充電。充電電流與輸入至輸出電壓之差有關(guān)，這樣故障越嚴重，定時器周期就越短，從而確保 MOSFET 保持在安全工作區(qū)內(nèi)。當 V_TMR 達到 1.25V 時，故障引腳拉低，以指示檢測到一個故障。如果故障狀態(tài)持續(xù)，那么當 VTMR 達到 1.35V 時，MOSFET 斷開。用 2µA 電流拉低 TMR 引腳，以設(shè)定冷卻周期，直到該引腳達到 0.5V 的重試門限且 MOSFET 再次接通為止。

圖 3a 顯示了一個具 12V 輸入的典型應(yīng)用電路，而在圖 3b 中，16V 箝位電平保護下游 DC-DC 轉(zhuǎn)換器免受 80V 輸入浪涌影響。

圖 3：LT4356 應(yīng)用電路

LT4356 可以在 4V 至 80V (絕對最大值為 100V) 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，還可以拉至比地電位低多達 60V 而不會損壞。在需要的情況下，增加一個小型瞬態(tài)電壓抑制器，可以針對短的高壓尖峰提供更高的保護水平。LT4356 有三種版本可用 (參見表 2)，詳細的應(yīng)用電路例子在以下網(wǎng)址提供的數(shù)據(jù)表中提供：www.linear.com.cn。

表 2：LT4356 可選版本

LT4356MP (軍用級塑封) 級產(chǎn)品在 -55°C 至 +125°C 的溫度范圍經(jīng)過測試并有保證，采用 MSOP-10 或 SO-16 封裝。所有 MP 級產(chǎn)品還經(jīng)過了更嚴格的篩選、可靠性監(jiān)視和更嚴格的工藝過程內(nèi)控制。與凌力爾特的所有產(chǎn)品一樣，我們對 MP 級別的器件也提供了終身擔保，而且這種產(chǎn)品可采用無鉛型或含錫鉛的端子涂層。

結(jié)論
就滿足軍用和飛機設(shè)備的可靠性要求而言，在 LRU 中采用堅固的保護電路是極其必要的。多種標準和規(guī)范、設(shè)備發(fā)展趨勢以及轉(zhuǎn)向 POL 電源架構(gòu)，這些因素都導(dǎo)致需要小型、高效率、可分布在 LRU 內(nèi)電路板上的保護電路。這類電路傳統(tǒng)上是由分立式組件構(gòu)成的，難以優(yōu)化，而且優(yōu)化要耗費大量時間。LT4356 浪涌抑制器可構(gòu)成有效的過壓、過流保護電路的基礎(chǔ)，是凌力爾特提供的斷路器和過壓保護器件系列的成員之一。