降低從中間總線電壓直接為低電壓處理器和 FPGA 供電的風險

工業(yè)、航天和國防系統(tǒng)通常采用額定 24V~28V 的中間總線電壓，在這些系統(tǒng)中，串聯電池作為備用電源，但是，由于分配損耗，并不適合采用 12V 總線體系結構。系統(tǒng)總線和數字處理器電源輸入之間較大的電壓差在電源分配、安全和解決方案規(guī)模上帶來了設計難題。如果使用單級非隔離降壓DC/DC 轉換器，那么，必須工作在非常精確的 PFM/PWM 定時上。輸入浪涌事件對 DC/DC 轉換器提出了更嚴格的要求，對負載存在另一個過壓風險。由于制造中導致的錯誤或假冒電容，這會使得輸出電壓偏離超出負載額定范圍，有可能導致 FPGA、ASIC 或者微處理器被燒壞。取決于受損程度，很難確定故障根本原因所在，最終高昂的維修成本、停機時間以及對聲譽的損害都會令人非常沮喪。

因此，應該非常仔細的考慮怎樣減小過壓風險，從而降低成本，減少給客戶帶來的不便。采用了熔絲的傳統(tǒng)過壓保護方法并不適用于保護現代 FPGA、ASIC 和微處理器，特別是上游額定電壓是 24V 或者 28V 的情況。開發(fā)了新解決方案，結合額定 38V 的 10A DC/DC 開關穩(wěn)壓器和電路以解決很多故障問題，包括輸出過壓等。當今最先進的數字邏輯器件的供電和保護功能可以在一個緊湊封裝器件中實現。

隨著輸入電壓和浪涌的增大，精確的開關定時越來越重要

當輸入電壓和所需要的輸出電壓之間存在較大的電壓差時，一般會采用效率很高的開關DC/DC 穩(wěn)壓器。為實現簡便的解決方案，最好選擇非隔離降壓開關轉換器，其工作頻率足夠高，以減小電源磁體和濾波器電容的尺寸。但是，這種 DC/DC 開關轉換器必須工作在低至3% 的較窄的占空比條件下，這就需要精確的 PWM/PFM 定時。而且，數字處理器需要嚴格的電壓穩(wěn)壓，要求快速轉換響應以確保電壓在安全限制范圍內。在較高的輸入電壓時，會降低 DC/DC 穩(wěn)壓器頂部開關接通誤差余量。

總線電壓浪涌一般出現在航天和國防應用中，不僅僅對 DC/DC 轉換器造成損害，而且也會損害負載。必須對 DC/DC 轉換器進行額定以采用高速控制環(huán)對過壓浪涌穩(wěn)壓，從而獲得足夠的電壓抑制。如果 DC/DC 轉換器無法穩(wěn)壓，或者不能承受總線浪涌，那么負載上就會出現過壓。負載的旁路電容由于老化或者溫度原因致使性能下降也會引起過壓故障，導致在產品壽命末期出現寬松的瞬態(tài)負載響應。如果電容劣化超出了控制環(huán)的設計限制，那么，兩種機制導致負載出現過壓。首先，即使控制環(huán)保持穩(wěn)定，嚴重的瞬態(tài)負載突變事件也會導致電壓偏離遠遠高于設計初衷。其次，如果控制環(huán)是條件穩(wěn)定的 (或者，更差一些，不穩(wěn)定)，輸出電壓峰值會不斷震蕩，超出了可接受的范圍。如果采用了不正確的絕緣材料，或者假冒元器件進入了制造環(huán)節(jié)，那么，電容也會意外劣化，過早失效。

便宜的假冒元器件會導致代價高昂的問題

在灰色市場或者黑市上，低成本假冒元器件不會真正滿足標準要求 (例如，這些元器件是經過回收的，從電子垃圾中重新加工制造，或者采用劣質材料制造)，即使這樣，有的人抵擋不住假冒元器件的成本誘惑。當假冒產品失效時，暫時的低成本就會成為昂貴的開支。例如，假冒的電容會以多種方式失效。假冒鉭電容內部自發(fā)熱非常嚴重，其正反饋機制導致散熱出現失控。假冒陶瓷電容含有粗糙劣質的絕緣材料，隨著元器件的老化或者工作在較高溫度時，電容量都會加速下降。當電容容量大幅度下降引起控制環(huán)不穩(wěn)定時，電壓波形振幅要比最初設計值大很多，對負載造成損害。

在業(yè)界不幸的是，假冒元器件越來越多的進入了供應鏈和電子制造流程，即使是最敏感和最安全的應用。美國參議院武裝部隊委員會 (Senate Armed Services Committee - SASC) 在 2012 年 5 月公布的報告中指出，軍用飛機和武器系統(tǒng)中出現了越來越多的假冒電子元器件，極有可能影響系統(tǒng)的性能和可靠性。這些系統(tǒng)都是由國防工業(yè)頂級承包商制造的。這類系統(tǒng)中的電子元器件日益增多，例如，新的聯合攻擊戰(zhàn)斗機有 3500 多個集成電路，假冒元器件帶來了系統(tǒng)性能和可靠性風險，決不能忽視這一問題。

怎樣降低風險

任何降低風險計劃都應考慮系統(tǒng)將怎樣對過壓狀況做出響應并從過壓狀態(tài)實現恢復。倘若過壓故障有可能導致煙霧或火情，這可以接受嗎? 查明根源及實施整改措施的工作會由于過壓故障造成的損壞而受阻嗎? 如果本地操作員對受損系統(tǒng)重新供電 (重新啟動)，嘗試恢復系統(tǒng)，這會對系統(tǒng)造成更大的損害嗎? 確定故障原因并恢復正常系統(tǒng)工作需要哪些過程，要花費多長時間?

傳統(tǒng)保護電路的不足

傳統(tǒng)的過壓保護方法包括熔絲、可控硅整流器 (SCR) 和齊納二極管。這一電路 (圖1) 通過以下方式來保護負載。如果輸入供電電壓超過了齊納擊穿電壓， SCR 觸發(fā)，吸收足夠的電流，熔斷上游熔絲。這一方法相對簡單，而且成本低，但是，其缺點包括齊納二極管擊穿電壓的精度、SCR 柵極觸發(fā)門限變化、SCR 和熔斷響應時間的變化、以及從故障中恢復所需要付出的努力等 (例如，實際處理熔絲，并重新啟動系統(tǒng))。如果待考慮的電壓源對數字內核供電，由于大電流時的正向電壓降與最新數字處理器的內核電壓相當，甚至高于內核電壓，那么，SCR 的保護功能非常有限?？紤]到這些缺點，傳統(tǒng)的過壓保護方法并不適用于高壓至低壓 DC/DC 轉換供電負載，例如，價格比較昂貴 (不上千都可能要幾百美元) 的 ASIC 或者 FPGA。

圖1: 傳統(tǒng)的過壓保護電路包括熔絲、SCR和齊納二極管。雖然成本低，但是這一電路響應時間不足以實現對最新數字電路的可靠保護，特別是上游供電電源是中間電壓總線的情況。而且，即使從過壓故障中進行最簡單的恢復也很麻煩并非常耗時。

結合了電源和保護電路的最新創(chuàng)新

更好的解決方案是準確地探測到即將出現的過壓情況，迅速