高可靠性電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法、選擇合適的組件以滿足預(yù)期環(huán)境條件要求和符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文專注于討論實(shí)現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案，這類電源包括冗余電路、電路保護(hù)和遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理。文中還將重點(diǎn)討論簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高組件可靠性的最新產(chǎn)品功能。

高可靠性電源系統(tǒng)要求

在理想情況下，高可靠性系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成能夠避免單點(diǎn)故障，提供故障隔離手段，以在發(fā)生故障時(shí)使系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行，但性能也許有一定程度的下降。高可靠性系統(tǒng)還應(yīng)該能夠控制故障，避免故障傳播到下游或上游電子組件中。

內(nèi)置冗余電路是一種解決方案，這種解決方案或者采取主動(dòng)分擔(dān)負(fù)載的并聯(lián)電路形式，或者在故障未發(fā)生時(shí)處于備用等待狀態(tài)。在每種情況下，故障檢測(cè)和管理都需要額外的電路系統(tǒng)開銷，因此增加了總體復(fù)雜性和成本。有些系統(tǒng)還采用了不同的并聯(lián)電路，以增強(qiáng)多樣性，降低共有故障機(jī)制風(fēng)險(xiǎn)，有些飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中會(huì)采用這樣的電路。

高復(fù)雜性系統(tǒng)提高了電源性能要求，高轉(zhuǎn)換效率和良好的溫度管理至關(guān)重要，因?yàn)榻Y(jié)溫每升高 10°C，IC 的壽命就大約減少一半。正如我們看到的那樣，功能豐富的最新電源 IC 和專門的電源管理功能現(xiàn)在增強(qiáng)了對(duì) IC 本身及其周圍系統(tǒng)的保護(hù)。

電源穩(wěn)壓器安全功能

輸出電流限制

這不是一種新功能，但是其實(shí)現(xiàn)已經(jīng)變得越來(lái)越準(zhǔn)確和先進(jìn)，隨著用戶可編程功能的增加，靈活性也提高了。例如，圖 1 所示的 LT3667 是一款 40V、400mA 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，具有兩個(gè)故障保護(hù)的低壓差線性穩(wěn)壓器。內(nèi)部保護(hù)電路功能包括電池反向保護(hù)、電流限制、熱限制和電流反向保護(hù)。該 IC 的開關(guān)穩(wěn)壓器部分提供開關(guān)電流限制和箝位二極管電流限制，這樣在輸出短路等故障情況下，就可以控制輸出電流。兩個(gè)線性穩(wěn)壓器還具備單獨(dú)的用戶可編程電流限制，在圖 1 所示的應(yīng)用例子中，由 R7 和 R8 設(shè)定為 100mA。

如果出現(xiàn)故障，這些措施不僅保護(hù)器件本身，還能保護(hù)下游電子組件。

圖 1：LT3667 故障保護(hù)、開關(guān)和線性穩(wěn)壓器

輸入電流限制

這種功能在用光伏電池收集能量之類的電路中常見(jiàn)，在這類電路中，高阻抗源要求必須仔細(xì)控制電流，以防止電源電壓崩潰。除了保護(hù)上游電子組件免受過(guò)載影響，輸入電流限制還可作為備份電源的安全功能使用，如圖 2 所示，在備份電源中，必須保護(hù)大型電容器，并對(duì)其安全充電。LTC3128 提供準(zhǔn)確度為 ±2% 的可編程平均輸入電流限制。在圖中所示應(yīng)用中，輸入電流限制設(shè)定為 3A，超級(jí)電容器備份電路僅吸取主負(fù)載通過(guò)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器未消耗的“剩余”電流。

圖 2：基于 LTC3128 的超級(jí)電容器備份電路

過(guò)熱保護(hù)

過(guò)熱保護(hù)大部分用于具備內(nèi)部功率晶體管的電源穩(wěn)壓器 IC。在上述采用 LTC3128 的情況下，大約在 165°C 時(shí)觸發(fā)過(guò)熱停機(jī)，在溫度降至大約 155°C 之前，該器件一直被禁止。不過(guò)，該產(chǎn)品還包含一個(gè)熱穩(wěn)壓器，以在用大電流給非常大的電容器充電時(shí)，防止器件進(jìn)入過(guò)熱停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)芯片溫度超過(guò) 135°C 時(shí)，該穩(wěn)壓器通過(guò)逐步降低平均電流限制發(fā)揮作用。諸如 8 輸出降壓型穩(wěn)壓器 LT3375 等產(chǎn)品可提供一個(gè)芯片溫度輸出，用戶能夠選擇設(shè)定為 3 種芯片溫度門限之一。

控制多個(gè)輸入源

包含一個(gè)主電源和一個(gè)冗余備份電源、也許還有一個(gè)外部輔助電源的電源系統(tǒng)需要一個(gè)判斷系統(tǒng)，以決定哪個(gè)電源擁有優(yōu)先權(quán)，并監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，判斷系統(tǒng)必須在電源切換時(shí)防止電源系統(tǒng)出現(xiàn)交叉?zhèn)鲗?dǎo)和反向饋送。LTC4417 等單芯片 IC 提供了一種解決方案，可根據(jù)用戶為每個(gè)輸入定義的電源門限進(jìn)行驗(yàn)證，然后自動(dòng)選擇電源。

另一種方法是由兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的輸入源分擔(dān)負(fù)載，這樣可以降低每個(gè)輸入源的負(fù)擔(dān)，提高可靠性，同時(shí)如果兩個(gè)輸入源每個(gè)的大小都適合支持整個(gè)負(fù)載的需求，那么分擔(dān)負(fù)載這種方法還可以在一個(gè)輸入源出故障時(shí)提供保護(hù)，這也可以提高可靠性。過(guò)去有可能采用一種簡(jiǎn)單但效率較低的二極管“或”解決方案，但是這種解決方案要求每個(gè)電源都提供有源控制，以平衡負(fù)載。圖 3 顯示，現(xiàn)在可以用單芯片解決方案完成這個(gè)任務(wù)。LTC4370 是一款均流控制器，提供反向隔離，防止一個(gè)電源的故障導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)崩潰。

圖 3：LTC4370 雙冗余電源分擔(dān)負(fù)載

瞬態(tài)保護(hù)

軍用和航空電子產(chǎn)品必須符合瞬態(tài)保護(hù)規(guī)格要求，例如 MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-160 (飛機(jī))。不過(guò)，任何高可靠性系統(tǒng)都需要抵御電壓浪涌、尖峰和紋波，而且已有專門提供這種功能的產(chǎn)品。盡管半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)步現(xiàn)在允許穩(wěn)壓器 IC 以 100V 甚至更高的輸入電壓工作，但是專門的瞬態(tài)保護(hù) IC 提供更多功能和更強(qiáng)的控制能力。在圖 4 中，LTC4364 提供 27V (用戶可編程) 箝位輸出，以保護(hù)下游穩(wěn)壓器免受電壓瞬態(tài)影響，同時(shí)在輸入短路或斷接 / 復(fù)位情況下保持輸出。

圖 4：瞬態(tài)保護(hù)和輸出保持

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

新的產(chǎn)品正通過(guò)一種基于 I2C 的兩線式 PMBus 數(shù)字接口協(xié)議來(lái)逐步整合模擬功率調(diào)節(jié)和數(shù)字控制兩者的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。遙測(cè)和診斷數(shù)據(jù)可用于監(jiān)視負(fù)載情況、讀取故障記錄和提供至 ±0.25% 準(zhǔn)確度的修整和裕度調(diào)節(jié)，從而最大限度地提高系統(tǒng)效率和可靠性。此類系統(tǒng)為把維護(hù)計(jì)劃從基于時(shí)間轉(zhuǎn)向基于狀況提供了契機(jī)，并可能在系統(tǒng)故障條件確立之前凸顯出性能下降。

隔離型系統(tǒng)

高可靠性飛機(jī)電源系統(tǒng)包括一個(gè)隔離勢(shì)壘，以避免飛機(jī)電源總線遭受下游線路可更換單元 (通常額定在幾百或幾千瓦) 中的故障之損害。另外，日漸增多的傳感器和執(zhí)行器也推動(dòng)了對(duì)于較小局部隔離型電源和數(shù)據(jù)接口的需求，旨在減少源于接地環(huán)路和共模干擾的噪聲誘發(fā)性問(wèn)題。如今，已經(jīng)有了可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提升可靠性的完整電流隔離型 BGA 模塊解決方案。

無(wú)線功率傳輸領(lǐng)域中的近期開發(fā)成果包括一款采用 LTC4120 的 2W 電池充電系統(tǒng)，其由凌力爾特與 PowerbyProxi 公司共同開發(fā)并運(yùn)用了后者的動(dòng)態(tài)諧波控制 (DHC) 專利技術(shù)，該技術(shù)可在最大的發(fā)送 (TX) 至接收 (RX) 線圈距離和位置偏差下實(shí)現(xiàn)高效非接觸式充電，而不會(huì)發(fā)生采用無(wú)線電源系統(tǒng)時(shí)常見(jiàn)的任何熱問(wèn)題或過(guò)壓?jiǎn)栴}。

圖 5：數(shù)字電源系統(tǒng)管理

組件選擇

本文探討了很多簡(jiǎn)化高可靠性電源設(shè)計(jì)的最新功能以及保護(hù)器件免受故障或?yàn)E用影響的產(chǎn)品功能。不過(guò)，至關(guān)重要的是，針對(duì)所預(yù)期的環(huán)境條件，不要忽視組件質(zhì)量的重要性以及選擇正確級(jí)別組件的重要性。例如，凌力爾特的軍用塑封級(jí)器件 100% 經(jīng)過(guò)測(cè)試，在 -55°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)性能有保證，因此無(wú)需耗時(shí)費(fèi)力地為預(yù)期環(huán)境條件非常嚴(yán)酷的應(yīng)用電路篩選組件或定義組件的特性。

結(jié)論

通過(guò)用戶可編程功能以及更先進(jìn)的內(nèi)置保護(hù)機(jī)制，高可靠性電源設(shè)計(jì)已經(jīng)得到簡(jiǎn)化。數(shù)字電源系統(tǒng)管理為電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)端監(jiān)視及控制提供了手段，進(jìn)一步提高了效率和可靠性。最后，選擇信譽(yù)卓著的供應(yīng)商提供的合適級(jí)別的組件，可大大減少出現(xiàn)質(zhì)量及可靠性問(wèn)題的機(jī)會(huì)率。