IC 及系統(tǒng)級(jí)保護(hù)功能

對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，在新產(chǎn)品發(fā)布到之前，預(yù)測(cè)其現(xiàn)場(chǎng)可靠性是非常困難的。但一旦發(fā)生未預(yù)期的嚴(yán)重現(xiàn)場(chǎng)故障，則說(shuō)明設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)是失敗的。然而，即使沒(méi)有發(fā)生任何現(xiàn)場(chǎng)故障，仍需要回答以下問(wèn)題：設(shè)計(jì)師是否對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了余量設(shè)計(jì)？這需要采取一種有效的方法，以避免內(nèi)建的產(chǎn)品可靠性所承擔(dān)的成本代價(jià)，從而消除設(shè)計(jì)中不必要的猜測(cè)工作。

在可靠性方面，最關(guān)鍵的系統(tǒng)元件通常是電源。電源故障往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉，但它所造成的不良后果遠(yuǎn)不止這一點(diǎn)。如果電源故障還造成負(fù)載損壞的話，那么故障的成本將遠(yuǎn)高于電源本身的成本。由于電源直接連接交流市電，而市電是設(shè)計(jì)師無(wú)法控制的高能系統(tǒng)，因此電源非常容易受損。市電有時(shí)會(huì)遭遇功率突增，發(fā)生危險(xiǎn)的高壓尖峰和瞬變。負(fù)載自身會(huì)產(chǎn)生故障，造成過(guò)載或短路情況。散熱風(fēng)扇會(huì)發(fā)生阻塞或被遮擋，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)溫度過(guò)高。

電源設(shè)計(jì)工程師必須實(shí)現(xiàn)性能規(guī)格及成本目標(biāo)，同時(shí)確保耐用性和可靠性。在面臨元件容差、生產(chǎn)變量以及須待解決的諸多危險(xiǎn)因素時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)可是件極其艱巨的任務(wù)。不過(guò)，隨著電源控制IC技術(shù)的不斷提升，設(shè)計(jì)工程師的壓力可以得到大大緩解。下面的設(shè)計(jì)范例可以充分說(shuō)明這一點(diǎn)，這款反激式轉(zhuǎn)換器使用Power Integrations的TOPSwitch-HX控制器/功率IC設(shè)計(jì)而成。

TOPSwitch-HX將一個(gè)700V的功率MOSFET、高壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電流源、多模式PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護(hù)電路、故障保護(hù)電路及其他控制電路集成在一個(gè)單片器件內(nèi)，使設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)出功能完備的電源，并且只需極少的外圍元件。

圖1所示為一款完整的開(kāi)關(guān)電源，適用于打印機(jī)和采用電機(jī)或傳動(dòng)器的輕工業(yè)應(yīng)用。該電源可以提供恒定的30W(42V)電流，峰值負(fù)載為84W，并且無(wú)須外部散熱片。該電路的峰值負(fù)載能力可以使合適尺寸（用以支持連續(xù)負(fù)載）的元件提供電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的高電流。該設(shè)計(jì)具有顯著的尺寸、成本和重量?jī)?yōu)勢(shì)，并且絲毫不會(huì)降低可靠性。

圖1 通用輸入、30W連續(xù)輸出、84W峰值功率的噴墨打印機(jī)電源

TOPSwitch-HX (U1)集成了用戶自定義保護(hù)功能，可在輸入欠壓、過(guò)壓及輸出過(guò)載條件下避免電源及負(fù)載受損。熱關(guān)斷功能具有自動(dòng)恢復(fù)特性，自動(dòng)重啟動(dòng)功能可防止輸出短路和反饋開(kāi)環(huán)。這些保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)方式將在下面介紹。

輸入保護(hù)
欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能的控制是通過(guò)電壓監(jiān)測(cè)(V)輸入提供的。輸入欠壓保護(hù)可防止通電及斷電時(shí)輸出的不良波動(dòng)，輸入過(guò)壓保護(hù)可確保系統(tǒng)能耐受高達(dá)700V的輸入浪涌電壓而不會(huì)造成任何損壞。R2通過(guò)由V輸入控制的鎖存關(guān)斷功能來(lái)提供輸入欠壓及過(guò)壓保護(hù)。如果經(jīng)整流后的直流高壓的電壓值低于欠壓閾值，U1的開(kāi)關(guān)將被禁止并保持關(guān)斷，直至達(dá)到指定的工作電壓。同樣，如果電壓值超過(guò)輸入過(guò)壓閾值，U1將立即停止開(kāi)關(guān)。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，由于沒(méi)有反射電壓和漏感尖峰電壓疊加到漏極，經(jīng)整流的直流高壓抗浪涌沖擊能力將提高100～200V，達(dá)到內(nèi)部700V MOSFET的額定電壓值。