非常見問題第216期:如何保護(hù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)免受故障影響

問題

有沒有一種簡(jiǎn)單的方法可以保護(hù)電源設(shè)計(jì)免受故障影響？

回答

有的，可以使用MAX17613和MAX17526等集成電路。

簡(jiǎn)介

正常運(yùn)行時(shí)間是工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制和過程控制等應(yīng)用中保障生產(chǎn)力和盈利能力的關(guān)鍵指標(biāo)。執(zhí)行維護(hù)、人為失誤和設(shè)備故障都會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。與停機(jī)相關(guān)的維修成本和生產(chǎn)力損失可能非常高，具體取決于行業(yè)和事件的性質(zhì)。與維護(hù)和人為失誤相關(guān)的停機(jī)無法避免，但大多數(shù)與設(shè)備相關(guān)的故障是可以預(yù)防的。本文重點(diǎn)介紹由電源故障引起的停機(jī)，以及如何在設(shè)備的電源系統(tǒng)中使用現(xiàn)代保護(hù)IC來防止發(fā)生電源故障。

系統(tǒng)電源保護(hù)概述

電源系統(tǒng)會(huì)受到許多電應(yīng)力因素和故障的影響。沿著電氣路徑，雷擊或電感性負(fù)載切換導(dǎo)致的電壓浪涌和瞬變、存儲(chǔ)電容的初始充電導(dǎo)致的沖擊電流、接線錯(cuò)誤或線束意外短路導(dǎo)致的反向電壓、過流和過熱，都可能造成性能退化或不可逆轉(zhuǎn)的損害。有必要在負(fù)載周圍建立一個(gè)保護(hù)范圍，以處理這些潛在的災(zāi)難性事件。本文將討論一些常見術(shù)語、電源故障類型、可用的傳統(tǒng)解決方案及其挑戰(zhàn)，以及現(xiàn)代保護(hù)IC及其優(yōu)勢(shì)

常用術(shù)語

除了分立解決方案，還有許多提供單一功能保護(hù)的集成解決方案。例如，浪涌保護(hù)器（或過壓保護(hù)器）提供防浪涌電壓保護(hù)；熱插拔控制器（或沖擊限制器）可以防范沖擊電流影響；ORing控制器（或理想二極管控制器）可以防止反向電壓并提供電源分配；電子熔斷器（或限流器）可以防止短路或過載；功率限制器/負(fù)載開關(guān)/USB開關(guān)/電源選擇器為具有多個(gè)輸入電源和/或多個(gè)負(fù)載的系統(tǒng)提供管理和控制功能。圖1展示了這些產(chǎn)品，均可用于提供系統(tǒng)電源保護(hù)。然而，它們僅提供部分解決方案來保護(hù)系統(tǒng)免受電壓、電流或溫度故障的影響。因此需要一個(gè)整體解決方案來提供完整、全面的系統(tǒng)電源保護(hù)。

圖1 各種單功能保護(hù)解決方案

需要提供系統(tǒng)電源保護(hù)的應(yīng)用

圖2展示了一個(gè)通用系統(tǒng)板電源分配。該板從三個(gè)獨(dú)立的輸入電源接收電力，為一個(gè)大保持電容充電，產(chǎn)生自用電路板電源，并將電力傳送給兩個(gè)后續(xù)外圍設(shè)備。此系統(tǒng)板的輸入端和輸出端均需要多種電源保護(hù)和配電功能。

在輸入電源保護(hù)方面，它需要過壓/欠壓、電子熔斷器、沖擊限制和反向電壓保護(hù)。如果此板由一個(gè)功率有限的電源供電，則它還需要功率限制功能。

由于該板從三個(gè)不同電源接收電力，因此需要電源ORing或電源多路復(fù)用器。電源ORing自動(dòng)選擇電壓最高的電源為電路板供電，而電源復(fù)用允許系統(tǒng)選擇使用哪個(gè)電源，無論其電壓如何，只要它在工作范圍內(nèi)即可。該板還需要反向電壓保護(hù)，這樣較高電壓的電源就不會(huì)反向驅(qū)動(dòng)較低電壓的電源。

現(xiàn)在，對(duì)于輸出電源保護(hù)，該板需要限流保護(hù)以防止輸出過載或連接器短路，需要反向電壓保護(hù)以防止意外短接到較高電壓軌。為了管理輸出電源分配，該板需要負(fù)載開關(guān)、ORing和功率限制功能。

圖2 通用系統(tǒng)板電源分配

圖3 系統(tǒng)故障的三種主要類型

系統(tǒng)電源故障的三種主要類型

系統(tǒng)電源故障主要分為三類（見圖3）：電壓故障、電流故障和溫度故障。下面詳細(xì)討論每一種故障類型。

電壓故障：由于雷擊、保險(xiǎn)絲熔斷、短路、熱插拔事件、電纜感應(yīng)振鈴等多種不同事件，輸入電壓可能高于和/或低于正常直流電壓范圍。

雷擊可能導(dǎo)致高能浪涌電壓，這通常由前端瞬變電壓抑制器(TVS)和輸入濾波器處理。圖4總結(jié)了IEC 61000-4-4電快速瞬變規(guī)范。經(jīng)過TVS和輸入濾波器處理之后，系統(tǒng)板級(jí)的殘余浪涌電壓可能仍然很大，有時(shí)達(dá)到標(biāo)稱直流輸入電壓的兩到三倍。

圖4 IEC 61000-4-4電快速瞬變規(guī)范

圖5演示了一個(gè)短路事件，10英尺電纜末端的短暫短路導(dǎo)致其電壓振鈴并達(dá)到50.4 V峰值，是其正常電壓24 VDC的兩倍。電壓還振鈴下降到約11 V。一個(gè)魯棒的系統(tǒng)在整個(gè)振鈴過程中會(huì)繼續(xù)運(yùn)行而不會(huì)中斷，至少會(huì)不受損害地幸存下來。類似的電壓振鈴可能發(fā)生在感性負(fù)載切換事件期間，發(fā)生在熱插拔事件期間（例如將一個(gè)帶有放電電容的卡插入帶電背板），或發(fā)生在系統(tǒng)中其他地方出現(xiàn)保險(xiǎn)絲熔斷的時(shí)候。

系統(tǒng)接線錯(cuò)誤很罕見，但仍可能發(fā)生。例如，在機(jī)架安裝系統(tǒng)中，人們可能會(huì)反向插入卡或電源線極性連接錯(cuò)誤。當(dāng)輸入電壓突然下降（輸入短路或低電平振鈴）時(shí)，輸出電容現(xiàn)在處于較高電位，會(huì)導(dǎo)致反向電壓狀況。當(dāng)輸出突然短接到較高電壓軌（例如在集束電纜中）時(shí)，也會(huì)發(fā)生反向電壓狀況。雖然輸入反向電壓故障很少見，但一旦發(fā)生，就可能造成代價(jià)高昂的系統(tǒng)損壞。

電流故障：輸出過載和短路是兩種明顯的電流故障。當(dāng)系統(tǒng)超容量運(yùn)行時(shí)，就會(huì)觸發(fā)過流加載。至于短路，這可能是由電路板上的故障元件引起。如果有人不小心將扳手掉到電源連接器上或落入電纜束中，可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重短路事件。未受保護(hù)的電路板可能會(huì)遭受永久性損壞，更糟糕的是可能著火。

將帶有放電電容的電路板插入帶電背板時(shí)，會(huì)涌入一股電流為電容充電。不加控制時(shí)，此沖擊電流遵循以下方程：

I = CdV/dt

其中：

I = 沖擊電流

dV/dt = 電容電壓隨時(shí)間的變化率

如果將放電電容(0 V)插入24 V帶電背板，這種情況下的dV/dt是瞬時(shí)的（無限大），轉(zhuǎn)換為I = 無限大。如果沒有沖擊控制，這種非常高的電流尖峰會(huì)損壞連接器，熔斷保險(xiǎn)絲，并導(dǎo)致背板電壓振鈴。

當(dāng)發(fā)生反向電壓事件時(shí)，反向流動(dòng)的電流可能造成系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞。圖6展示了沖擊/短路電流和反向電流。

圖5 短暫短路后的電纜振鈴

圖6 沖擊/短路電流和反向電流

溫度故障：如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，系統(tǒng)應(yīng)能正常運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)溫度故障。但是，某種初始故障狀況（例如長(zhǎng)時(shí)間過載情況、系統(tǒng)風(fēng)扇失效或失靈、系統(tǒng)進(jìn)氣口/排氣口意外阻塞或房間空調(diào)失效）可能會(huì)觸發(fā)溫度故障。

為防止系統(tǒng)受損和潛在的火災(zāi)相關(guān)問題，當(dāng)系統(tǒng)或其元器件之一的溫度達(dá)到危險(xiǎn)水平時(shí)，過溫保護(hù)會(huì)關(guān)斷系統(tǒng)。與過溫關(guān)斷相比，熱保護(hù)更智能。在運(yùn)行期間，當(dāng)某種初始故障導(dǎo)致溫度升高到正常值以上時(shí)，熱保護(hù)會(huì)向系統(tǒng)提供警告和處理方案。例如，系統(tǒng)可以選擇去除非關(guān)鍵負(fù)載，以較低開關(guān)速度運(yùn)行，從而降低功耗。這樣，系統(tǒng)可以較低的性能運(yùn)行，避免過熱關(guān)斷，直至初始故障得到解決。

未提供保護(hù)的系統(tǒng)影響和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

所有電氣系統(tǒng)都會(huì)遇到電壓、電流和熱故障，因此在設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段，忽視保護(hù)功能可能會(huì)阻礙系統(tǒng)設(shè)計(jì)順利完成。事實(shí)上，更糟糕的情況是工廠車間的生產(chǎn)線關(guān)停。全面保護(hù)設(shè)備免受故障損害的保護(hù)電路很有用，可盡量延長(zhǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。

系統(tǒng)工程師若要全面保護(hù)其產(chǎn)品，必須解決一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。分立或部分IC實(shí)現(xiàn)方案需要許多外部元件。圖7展示了一個(gè)使用40個(gè)分立元器件的完整系統(tǒng)電源保護(hù)解決方案。元器件的容差疊加分析起來很繁瑣。隨著時(shí)間推移，無論是驗(yàn)證和確保其性能，還是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精度以及對(duì)故障做出快速響應(yīng)，都很困難。使用多個(gè)元器件的結(jié)果是解決方案尺寸很大。由于系統(tǒng)平均無故障時(shí)間(MTBF)很低，擁有成本很高。

簡(jiǎn)化系統(tǒng)保護(hù)

使用分立電路或部分IC實(shí)現(xiàn)保護(hù)的傳統(tǒng)方法在過去可能效果不錯(cuò)，但它不適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)?，F(xiàn)代系統(tǒng)的電路板空間更小，開發(fā)時(shí)間更短，開發(fā)預(yù)算緊張。鑒于這種轉(zhuǎn)變，更適合現(xiàn)代系統(tǒng)的保護(hù)解決方案是什么？它應(yīng)是高集成度保護(hù)IC（見圖8），需要集成場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、電流檢測(cè)/限流、功率限制、熱保護(hù)和欠壓/過壓保護(hù)。此外，滿足Underwriters Laboratories Inc./國(guó)際電工委員會(huì)(UL/IEC)安全要求的全集成式保護(hù)IC更勝一籌。更高的集成度與安全認(rèn)證相結(jié)合，可為現(xiàn)代系統(tǒng)提供可靠保護(hù)。

保護(hù)IC示例和關(guān)鍵工作概念

ADI公司的MAX17613和MAX17526是符合現(xiàn)代系統(tǒng)要求的保護(hù)IC范例。

MAX17613（圖9）是一款60 V/3 A保護(hù)IC，具備所有關(guān)鍵元器件和特性，例如正向和反向FET、可編程電流檢測(cè)、熱保護(hù)、可編程欠壓閉鎖(UVLO)和過壓閉鎖(OVLO)，這些全都集成在單個(gè)IC中。它還有一個(gè)CLMODE引腳，用于選擇IC對(duì)電流故障的響應(yīng)模式——連續(xù)、閉鎖還是自動(dòng)重試模式。

圖7 一個(gè)系統(tǒng)電源保護(hù)電路使用了40個(gè)分立元器件

圖8 單芯片高集成度解決方案

MAX17526（圖10）是一款60 V/6 A保護(hù)IC，同時(shí)也是一款全集成式IC。此外，它還具有先進(jìn)的保護(hù)特性，例如功率限制和熱控電流折返。

現(xiàn)在，讓我們以MAX17526為例詳細(xì)考察幾個(gè)關(guān)鍵特性。

如圖11所示，MAX17526測(cè)量系統(tǒng)消耗的電流，并使用SETI引腳將其報(bào)告給系統(tǒng)控制器。電阻RSETI可以調(diào)整，以根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)限流水平進(jìn)行編程。

圖9 高集成度60 V/3 A保護(hù)IC

圖10 具有功率限制的高集成度60 V/6 A保護(hù)IC

圖11 MAX17526的限流設(shè)置和監(jiān)控功能

圖12 沖擊電流保護(hù)

圖13 功率限制保護(hù)

圖12展示了MAX17526的限流功能以及它如何控制系統(tǒng)上電期間的沖擊電流。一個(gè)1000 μF大電容以受控方式充電，左側(cè)充電電流為電流限值的1.0倍，右側(cè)充電電流為電流限值的2.0倍，而電壓源不會(huì)崩潰。

圖13顯示了MAX17526特有的功率限制特性，它可用于限制輸入或輸出功率，具體取決于節(jié)點(diǎn)VEXT連接到輸入電壓(VIN)還是輸出電壓(VOUT)。IC動(dòng)態(tài)調(diào)整電流限值以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入或輸出功率的限制。

圖14展示了當(dāng)該IC配置為限制輸出功率時(shí)，功率限制特性如何將輸出功率限制在10 W。

圖14 輸出功率限制響應(yīng)

UL/IEC安全認(rèn)證

如前所述，現(xiàn)代系統(tǒng)也可以利用保護(hù)IC的所有安全合規(guī)性方面。通過UL 2367、IEC 60950或IEC 62368認(rèn)證的保護(hù)IC可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)安全要求，從而降低認(rèn)證相關(guān)成本并縮短認(rèn)證時(shí)間，有助于加快產(chǎn)品上市。例如，ADI公司的MAX17608 和MAX17613是通過UL和IEC認(rèn)證的保護(hù)IC。

結(jié)論

電源系統(tǒng)是所有系統(tǒng)或設(shè)備的關(guān)鍵模塊。電源故障是固有的，確實(shí)會(huì)發(fā)生，但通過實(shí)施適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)，可以防止發(fā)生系統(tǒng)故障和設(shè)備停機(jī)，這對(duì)于當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球商業(yè)環(huán)境中的生產(chǎn)力和盈利能力至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的分立或單功能IC解決方案相比，當(dāng)今的先進(jìn)保護(hù)IC提供小封裝、高性能、高可靠性、易于設(shè)計(jì)和認(rèn)證的整體系統(tǒng)保護(hù)。此外，這些保護(hù)IC提供的一些先進(jìn)特性使系統(tǒng)具備監(jiān)控和診斷功能，對(duì)于當(dāng)今復(fù)雜的終端設(shè)備，這類功能可以發(fā)揮重要作用。使用全集成式保護(hù)IC是能夠以低成本應(yīng)對(duì)代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間的有效方式。

關(guān)于作者

Anthony T. Huynh（又名Thong Anthony Huynh）是Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司的一部分）的應(yīng)用工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)(MTS)的主要成員。他在設(shè)計(jì)和定義隔離式與非隔離式開關(guān)電源及電源管理產(chǎn)品方面擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)。在ADI公司，他定義了100多種電源管理產(chǎn)品，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器、熱插拔控制器、以太網(wǎng)供電以及世界各大制造商采用的各種系統(tǒng)保護(hù)IC。

Anthony持有4項(xiàng)電源管理方面的美國(guó)專利，并撰寫了該領(lǐng)域的多篇公開文章和應(yīng)用筆記。他擁有俄勒岡州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并修完了波特蘭州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位的所有課程，同時(shí)他曾作為兼職講師在波特蘭州立大學(xué)教授電源電子課程。

Raghu Nathadi是Maxim Integrated的高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理，負(fù)責(zé)工業(yè)保護(hù)和隔離式DC- DC產(chǎn)品線。Raghu是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士，廣泛涉足工業(yè)、汽車和消費(fèi)電子市場(chǎng)各種終端應(yīng)用的電源管理解決方案營(yíng)銷和設(shè)計(jì)。