高可靠性電源系統的設計

高可靠性系統設計包括：采用容錯設計方法、選擇合適的組件以滿足預期環(huán)境條件要求和符合技術標準要求。

本文專注于討論實現高可靠性電源的半導體解決方案，這類電源包括冗余電路、電路保護和遠端系統管理。文中還將重點討論簡化設計、提高組件可靠性的最新產品功能。

高可靠性電源系統要求

在理想情況下，高可靠性系統應該設計成能夠避免單點故障，提供故障隔離手段，以在發(fā)生故障時使系統可以繼續(xù)運行，但性能也許有一定程度的下降。高可靠性系統還應該能夠控制故障，避免故障傳播到下游或上游電子組件中。

內置冗余電路是一種解決方案，這種解決方案或者采取主動分擔負載的并聯電路形式，或者在故障未發(fā)生時處于備用等待狀態(tài)。在每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的電路系統開銷，因此增加了總體復雜性和成本。有些系統還采用了不同的并聯電路，以增強多樣性，降低共有故障機制風險，有些飛機的飛行控制系統中會采用這樣的電路。

高復雜性系統提高了電源性能要求，高轉換效率和良好的溫度管理至關重要，因為結溫每升高 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在增強了對 IC 本身及其周圍系統的保護。

電源穩(wěn)壓器安全功能

輸出電流限制

這不是一種新功能，但是其實現已經變得越來越準確和先進，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 降壓型開關穩(wěn)壓器，具有兩個故障保護的低壓差線性穩(wěn)壓器。內部保護電路功能包括電池反向保護、電流限制、熱限制和電流反向保護。該 IC 的開關穩(wěn)壓器部分提供開關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。兩個線性穩(wěn)壓器還具備單獨的用戶可編程電流限制，在圖 1 所示的應用例子中，由 R7 和 R8 設定為 100mA。

如果出現故障，這些措施不僅保護器件本身，還能保護下游電子組件。

圖 1：LT3667 故障保護、開關和線性穩(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，在這類電路中，高阻抗源要求必須仔細控制電流，以防止電源電壓崩潰。除了保護上游電子組件免受過載影響，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，必須保護大型電容器，并對其安全充電。LTC3128 提供準確度為 ±2% 的可編程平均輸入電流限制。在圖中所示應用中，輸入電流限制設定為 3A，超級電容器備份電路僅吸取主負載通過降壓-升壓型轉換器未消耗的“剩余”電流。

圖 2：基于 LTC3128 的超級電容器備份電路

過熱保護

過熱保護大部分用于具備內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 時觸發(fā)過熱停機，在溫度降至大約 155°C 之前，該器件一直被禁止。不過，該產品還包含一個熱穩(wěn)壓器，以在用大電流給非常大的電容器充電時，防止器件進入過熱停機狀態(tài)。當芯片溫度超過 135°C 時，該穩(wěn)壓器通過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 等產品可提供一個芯片溫度輸出，用戶能夠選擇設定為 3 種芯片溫度門限之一。

控制多個輸入源

包含一個主電源和一個冗余備份電源、也許還有一個外部輔助電源的電源系統需要一個判斷系統，以決定哪個電源擁有優(yōu)先權，并監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，判斷系統必須在電源切換時防止電源系統出現交叉?zhèn)鲗Ш头聪蝠佀汀TC4417 等單芯片 IC 提供了一種解決方案，可根據用戶為每個輸入定義的電源門限進行驗證，然后自動選擇電源。

另一種方法是由兩個同時運行的輸入源分擔負載，這樣可以降低每個輸入源的負擔，提高可靠性，同時如果兩個輸入源每個的大小都適合支持整個負載的需求，那么分擔負載這種方法還可以在一個輸入源出故障時提供保護，這也可以提高可靠性。過去有可能采用一種簡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電源都提供有源控制，以平衡負載。圖 3 顯示，現在可以用單芯片解決方案完成這個任務。LTC4370 是一款均流控制器，提供反向隔離，防止一個電源的故障導致整個電源系統崩潰。

圖 3：LTC4370 雙冗余電源分擔負載

瞬態(tài)保護

軍用和航空電子產品必須符合瞬態(tài)保護規(guī)格要求，例如 MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-160 (飛機)。不過，任何高可靠性系統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品。盡管半導體工藝技術進步現在允許穩(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 IC 提供更多功能和更強的控制能力。在圖 4 中，LTC4364 提供 27V (用戶可編程) 箝位輸出，以保護下游穩(wěn)壓器免受電壓瞬態(tài)影響，同時在輸入短路或斷接 / 復位情況下保持輸出。

圖 4：瞬態(tài)保護和輸出保持

數字電源系統管理

新的產品正通過一種基于 I2C 的兩線式 PMBus 數字接口協議來逐步整合模擬功率調節(jié)和數字控制兩者的優(yōu)勢，以實現電源系統的遠程管理。遙測和診斷數據可用于監(jiān)視負載情況、讀取故障記錄和提供至 ±0.25% 準確度的修整和裕度調節(jié)，從而最大限度地提高系統效率和可靠性。此類系統為把維護計劃從基于時間轉向基于狀況提供了契機，并可能在系統故障條件確立之前凸顯出性能下降。

隔離型系統

高可靠性飛機電源系統包括一個隔離勢壘，以避免飛機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)行器也推動了對于較小局部隔離型電源和數據接口的需求，旨在減少源于接地環(huán)路和共模干擾的噪聲誘發(fā)性問題。如今，已經有了可簡化設計并提升可靠性的完整電流隔離型 BGA 模塊解決方案。

無線功率傳輸領域中的近期開發(fā)成果包括一款采用 LTC4120 的 2W 電池充電系統，其由凌力爾特與 PowerbyProxi 公司共同開發(fā)并運用了后者的動態(tài)諧波控制 (DHC) 專利技術，該技術可在最大的發(fā)送 (TX) 至接收 (RX) 線圈距離和位置偏差下實現高效非接觸式充電，而不會發(fā)生采用無線電源系統時常見的任何熱問題或過壓問題。

圖 5：數字電源系統管理

組件選擇

本文探討了很多簡化高可靠性電源設計的最新功能以及保護器件免受故障或濫用影響的產品功能。不過，至關重要的是，針對所預期的環(huán)境條件，不要忽視組件質量的重要性以及選擇正確級別組件的重要性。例如，凌力爾特的軍用塑封級器件 100% 經過測試，在 -55°C 至 +125°C 的溫度范圍內性能有保證，因此無需耗時費力地為預期環(huán)境條件非常嚴酷的應用電路篩選組件或定義組件的特性。

結論

通過用戶可編程功能以及更先進的內置保護機制，高可靠性電源設計已經得到簡化。數字電源系統管理為電源系統的遠端監(jiān)視及控制提供了手段，進一步提高了效率和可靠性。最后，選擇信譽卓著的供應商提供的合適級別的組件，可大大減少出現質量及可靠性問題的機會率。