實現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案

高可靠性系統(tǒng)設(shè)計包括使用容錯設(shè)計方法和選擇適合的組件，以滿足預(yù)期環(huán)境條件并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文專門探討實現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案，這類電源提供冗余、電路保護(hù)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理。本文將突出顯示，半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)和新的安全功能怎樣簡化了設(shè)計，并提高了組件的可靠性。

高可靠性電源系統(tǒng)的要求

在理想的世界里，高可靠性系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計為能夠避免單點失效，有辦法在保持運行 (但也許是在降低的性能水平上) 的情況下隔離故障。高可靠性系統(tǒng)還應(yīng)該能夠抑制故障，避免故障傳播給下游或上游電子組件。

內(nèi)置冗余是一種解決方案，這可以采用并聯(lián)電路以主動分擔(dān)負(fù)載或者在故障發(fā)生之前以備用模式等待。在每一種內(nèi)置冗余方式中，實現(xiàn)故障檢測和管理都需要額外的電路開銷，這提高了總的復(fù)雜性和成本。有些系統(tǒng)還建立了不同的并聯(lián)電路，以增加多樣性，避免產(chǎn)生相同故障機制這種風(fēng)險，某些飛行控制系統(tǒng)就是這么做的。

提高系統(tǒng)復(fù)雜性給電源性能造成了更大負(fù)擔(dān)，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱量管理變得至關(guān)重要了，因為結(jié)溫每上升 10°C，IC 壽命大約減少一半。正如我們將看到的那樣，現(xiàn)在新功能豐富的電源 IC 和專用電源管理功能增強了對 IC 本身及其周圍系統(tǒng)的保護(hù)。

電源穩(wěn)壓器的安全功能

電壓穩(wěn)壓器的電流限制越來越準(zhǔn)確，形式也越來越復(fù)雜，以避免過大的輸出電流損壞器件本身或下游組件。內(nèi)部保護(hù)電路也相當(dāng)常見，包括電池反向保護(hù)、電流限制、熱量限制和電流反向保護(hù)。

LTC7801 DC/DC 開關(guān)控制器就是一個改進(jìn)了工藝技術(shù)和安全功能的產(chǎn)品實例。該器件可安全地承受高達(dá) 150V 的輸入電壓，并提供一種保護(hù)功能，以在輸入電壓上升至高于可編程工作范圍時，禁止切換。這種功能簡化了輸入電源瞬態(tài)保護(hù)電路，減少了組件數(shù)并縮減解決方案尺寸。運用針對電壓過沖提供保護(hù)的過壓比較器，也可以很好地保護(hù)輸出，同時折返電流限制器在過流和短路故障情況下可控制功耗。

圖 1：LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器

寬引腳間隔可避免相鄰高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生危險的電弧，通過提供這樣的封裝選擇，也增強了物理封裝方面的安全性。擊穿電壓隨著氣壓降低而下降，因此非正常氣壓的飛機應(yīng)用可以選擇 LTC3895，該器件提供與 LTC7801 相同的功能和性能，但是提供具 0.68mm 雙倍引腳間隔的封裝選擇。另外，還可采用一些具有符合所謂 FMEA (失效模式和影響分析) 標(biāo)準(zhǔn)之引出腳配置的產(chǎn)品，比如容錯型 LT3007 線性穩(wěn)壓器，在此類引出腳配置中，如果相鄰的引腳短接在一起或某個引腳被浮置，則輸出維持在或低于調(diào)節(jié)電壓。

控制多個輸入電源

含有一個主電源和一個冗余備份電源同時也許還有一個外部輔助電源的電源系統(tǒng)需要一種仲裁系統(tǒng)，以確定哪個電源有優(yōu)先權(quán)并監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，還必須保護(hù)系統(tǒng)，防止在電源切換時發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)和反向饋送。諸如 LTC4417 等單芯片 IC 提供一種解決方案，即針對每個輸入驗證用戶定義的電源門限，依此自動選擇電源。

另一種方法是由兩個同時運行的輸入電源分擔(dān)負(fù)載，從而通過減輕每個電源的負(fù)擔(dān)提高可靠性，如果每個電源都經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整，能夠支持滿負(fù)載需求，那么這種方法同時還能在一個電源發(fā)生故障時提供保護(hù)。過去，可能一直采用簡單但效率低的二極管“合路”電路，但這種電路要求每個電源都配備有源控制以平衡負(fù)載。圖2 顯示，現(xiàn)在怎樣才能用單個芯片解決方案來實現(xiàn)這種控制。LTC4370 是一款均流控制器，具反向隔離，防止一個電源發(fā)生故障導(dǎo)致整個電源系統(tǒng)宕機。

圖 2：LTC4370 雙冗余電源均分

瞬態(tài)和電路保護(hù)

軍用和航空電子產(chǎn)品必須符合瞬態(tài)保護(hù)規(guī)范，例如MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704/DO-16 (飛機)。不過，人們希望任何高可靠性系統(tǒng)都針對電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護(hù)，有些產(chǎn)品專門提供這種保護(hù)功能，例如 LT4364。

此外，還有多種電路保護(hù)功能可用，包括 LTC4368 這類產(chǎn)品。LTC4368 是一款 100V 雙向電路斷路器，針對電源電壓過高、過低甚至為負(fù)、以及針對正向和反向過流故障提供保護(hù)。

圖 3：提供保護(hù)功能的 LTC4368 雙向電路斷路器

在這些例子中我們可以觀察到，具日益復(fù)雜的保護(hù)和安全功能的新產(chǎn)品怎樣簡化了應(yīng)用電路設(shè)計，并減小了解決方案尺寸。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

模擬電源調(diào)節(jié)有自己的優(yōu)勢，通過基于 I2C 的 PMBus 接口進(jìn)行數(shù)字控制以支持電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理也有自己的優(yōu)勢，新型產(chǎn)品正在結(jié)合這兩種優(yōu)勢。遙測和診斷數(shù)據(jù)可用來監(jiān)視負(fù)載情況、讀取芯片溫度并以非常高的準(zhǔn)確度進(jìn)行微調(diào)和裕度控制，從而最大限度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率和可靠性。

數(shù)字電源管理的一個引人關(guān)切問題是軟件的復(fù)雜性，然而，LTC3815 執(zhí)行一種簡化的 PMBus “Lite” 命令集，沒有片內(nèi)非易失性存儲器或微控制器，它在簡化設(shè)計的同時提供了數(shù)字控制和監(jiān)視的好處。

正如之前提到的那樣，良好的熱量控制對于可靠性是非常重要的，LTC3815 提供兩級過熱門限和兩級響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過 150°C 時，過熱狀態(tài)被標(biāo)記到 PMBus 上，ALERT 引腳拉低以向 PMBus 主器件發(fā)出警報。如果溫度繼續(xù)上升并超過 170°C，那么 LTC3815 就關(guān)斷所有電路，包括輸出調(diào)節(jié)電路，直到過熱狀態(tài)清除為止。

這類能夠報告其狀態(tài)的系統(tǒng)為改變維護(hù)方式提供了機會，即從基于時間的維護(hù)安排轉(zhuǎn)變到基于狀態(tài)的維護(hù)，并有可能在系統(tǒng)故障形成之前，凸顯性能下降問題。

隔離式系統(tǒng)

高可靠性電源系統(tǒng)通常包括一個隔離勢壘，以保護(hù)電源總線免遭下游線路可更換單元故障的損壞。另外，不斷增加的傳感器和執(zhí)行器數(shù)目也在推動著對于較小、局部隔離式電源和數(shù)據(jù)接口的需求，旨在減少源自接地環(huán)路和共模干擾的噪聲感應(yīng)問題?，F(xiàn)在已經(jīng)有了完整的電流隔離型 BGA 模塊解決方案，以簡化設(shè)計和提高可靠性。LTM9100 隔離型開關(guān)控制器是一款一體化解決方案，用于控制、保護(hù)和監(jiān)視高達(dá) 1000VDC 的高電壓電源。一個 5kVRMS 電氣隔離勢壘隔離了數(shù)字接口和開關(guān)控制器，從而可驅(qū)動一個外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開關(guān)。通過 I2C/SMBus 接口可對負(fù)載電流、總線電壓及溫度進(jìn)行隔離式數(shù)字測量，從而實現(xiàn)高電壓總線的功率和能耗監(jiān)視。

圖 4：具遙測功能的 LTM9100 隔離式開關(guān)控制器

組件選擇

本文大部分內(nèi)容都專門用來探討簡化高可靠性電源設(shè)計的新功能，或者針對故障或粗暴使用情況保護(hù)器件的產(chǎn)品功能。然而，至關(guān)重要的是，不要忽視組件質(zhì)量的重要性以針對預(yù)期環(huán)境條件選擇正確組件級別的重要性。例如 ADI 的軍用塑料封裝等級器件提供了經(jīng)過 100% 測試和有保證的性能 (在 -55°C 至 +125°C 溫度范圍內(nèi))，從而免除了對預(yù)期存在非常嚴(yán)酷條件的應(yīng)用電路中的組件進(jìn)行昂貴二次篩分或特性分析之需。

結(jié)論

憑借用戶可編程特性、更加精細(xì)復(fù)雜的片內(nèi)保護(hù)機理和縮減了整體解決方案占板面積的更高集成度，已使高可靠性電源的設(shè)計得以簡化。數(shù)字電源系統(tǒng)管理提供了方法以遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制電源系統(tǒng)以及進(jìn)一步改善效率和可靠性。最后，選擇一家信譽良好供應(yīng)商的正確組件等級將降低發(fā)生質(zhì)量和可靠性問題的可能性。