基于IBA的電源解決方案需要系統(tǒng)級保護

在計算和通信的許多應用中，帶有非隔離式負載點(niPOL)轉換器的中間總線架構(IBA)正不斷取代傳統(tǒng)的分布式和集中式電源解決方案。這個趨勢的關鍵推動因素包括：不斷增加的系統(tǒng)電壓數(shù)量、更高的輸出電流、更嚴格的規(guī)范要求以及更低的系統(tǒng)總成本。在滿足這些要求的同時，許多IBA/niPOL解決方案摒除了某些保護機制，而這些機制是以前傳統(tǒng)方案的標準配置。

例如，輸出過壓保護(OVP)和過熱保護(OTP)在電力系統(tǒng)設計中非常必要。但許多niPOL轉換器，不管是買來的組裝件還是分立設計，均不包括完整的OVP和OTP電路。雖然把這種保護機制加入每個niPOL轉換器是可行的，但在系統(tǒng)層面上解決這個問題將更勝一籌。

為從系統(tǒng)層面上理解電源保護，讓我們看看IBA/POL解決方案的一個典型電源系統(tǒng)方框圖(圖1)。在這里，12V的中間總線電壓由AC/DC電源提供。除了主輸出外，還有一個用于電源管理電路的小功率常開(always-on)輔助電源。這個電路利用設定開/關狀態(tài)的使能信號來控制中間總線和各個niPOL轉換器，并利用V-OK信號監(jiān)視電壓。這個電源管理電路的其它功能還包括電壓排序、復位信號、狀態(tài)指示LED和其它與宿主系統(tǒng)的接口。

由于該中間總線為所有下游轉換器(以及風扇、硬盤驅動器或其它負荷)供電，所以它通常具有大功率輸出。該總線可以提供200W到1KW之間的功率，具體值取決于系統(tǒng)。如果某個故障導致這個電源集中在單個器件上，比如集中在一個損壞的半導體上，那么局部過熱很可能導致燃燒和其它不良效應。

有待利用的關鍵特性是電源管理電路關斷中間總線的能力。在過熱或過壓的危急情況下，最合理的處理方法就是關斷電源。因此，該設計方案旨在向電源管理電路提供信號，該信號可使電源管理電路在出現(xiàn)上述某種故障狀態(tài)時閉鎖中間總線。

圖1：典型的IBA/POL架構包括電源管理電路，以使總線和下游轉換器有效，并監(jiān)視電壓。

過熱保護

集中式電源系統(tǒng)(例如多輸出AC/DC電源)具備內部溫度傳感器和風扇速度監(jiān)視器，可防止出現(xiàn)內部或外部過熱故障狀態(tài)。傳統(tǒng)隔離式DC/DC“磚塊”轉換器也可提供過熱保護。

相比之下，大多數(shù)niPOL轉換器并無過熱保護這個標準特性，某些控制器IC在其裸片溫度過高時會被關斷。但這可能無法檢測和防止MOSFET等功率元件出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。對于電源系統(tǒng)與控制器具有熱隔離的分立niPOL設計而言，尤其如此。

為提供系統(tǒng)級過熱保護，不妨思考一下電源系統(tǒng)出現(xiàn)過熱情況的原因。假定轉換器被設計用來避免出現(xiàn)過電流狀態(tài)，那么剩下的兩個關鍵原因就是環(huán)境溫度過高和空氣流通不暢。大多數(shù)系統(tǒng)設計都包括環(huán)境溫度傳感器和風扇速度監(jiān)視器。電源管理電路可以監(jiān)視這些信號。如果溫度和風扇速度超過閾值，電源管理控制器就會鎖閉總線轉換器，并給出故障狀態(tài)指示。

此外，系統(tǒng)可能還有處理器、硬盤驅動器和ASIC等元件，這些元件對熱故障的敏感度高于功率轉換器。系統(tǒng)設計中可能已經包含了針對這些器件的熱監(jiān)視器，它們可以向電源管理電路提供其它熱故障信息。全面的系統(tǒng)合格性測試通常包括驗證這一環(huán)節(jié)。

如果電源系統(tǒng)需要更多的熱監(jiān)視功能，可用一個低成本的簡單方案來實現(xiàn)這點。將一個正溫度系數(shù)(PTC) 熱敏電阻放置在板上某個關鍵位置，當被連接到圖2橋接配置中的比較器時，該電路可由輔助電源供電，且無需任何參考電壓(圖2a)。另一個簡單方案采用硅溫度傳感器，它在溫度超過閾值時產生一個數(shù)字信號(圖2b)。這些信號可被送到電源管理電路，以指示熱故障狀態(tài)。應仔細選擇溫度閾值，以在避免不在正常工作狀態(tài)下動作的同時保護系統(tǒng)各個元件。

圖2：易于使用的PTC熱敏電阻(a)和硅溫度開關(b)可以在過熱狀態(tài)下產生一個數(shù)字信號。

最有效的解決方案可能是結合使用現(xiàn)有的系統(tǒng)熱傳感器與放在電源系統(tǒng)關鍵位置的額外熱傳感器。熱閾值檢測器很容易使用，并且其輸出可以是二極管或門形式，以將電源管理電路的復雜程度降到最低。

確定功耗較高的元件和位置是電源系統(tǒng)設計的一部分。盡管大部分功耗都可能源于開關型MOSFET，但FET驅動器、控制器和其它器件也應在考慮范圍之內。

找出每個位置之后，需確定系統(tǒng)中的哪個熱傳感器能夠對它進行監(jiān)視。如果需要，可考慮在無法通過現(xiàn)有器件有效監(jiān)視的位置加入更多的熱傳感器。如果后來發(fā)現(xiàn)沒有必要，可以在生產階段不裝配它們。為了驗證熱監(jiān)視器的有效性，并且確保它們決不會引起誤關斷，可以進行系統(tǒng)驗證測試。通常的做法是在系統(tǒng)中的傳感器和大功耗元件上放置熱電偶。在“最差”狀態(tài)下(最高環(huán)境溫度以及消耗最大功率)運行系統(tǒng)有助于監(jiān)視這些溫度。

假定元件溫度不超過該狀態(tài)下的最高溫度，那么所有熱傳感器的溫度都應低于使其動作的最小值?？梢栽黾釉O計裕量，以確保熱傳感器不會在所支持的工作狀態(tài)下誤動作，這一點至關重要。

一旦完成系統(tǒng)熱驗證，最好進行熱故障測試。此時產品在高于所支持的額定環(huán)境溫度下工作，并且由于通風孔阻塞，空氣流動不順暢。在上述各種故障狀態(tài)下，對溫度進行監(jiān)視，直到發(fā)生熱關斷。在所有情況下，熱傳感器都應該在出現(xiàn)永久性損壞之前以關斷系統(tǒng)電源。

圖3：非隔離式同步降壓轉換器盡管非常可靠，但是可能由于幾個單點故障狀態(tài)而出現(xiàn)持續(xù)過壓狀態(tài)。例如，R1處的焊結點開焊會使反饋信號無法到達誤差放大器。

輸出過壓保護

市面上的AD/AD電源和隔離式DC/DC轉換器都具有防止持續(xù)過壓的特性。首先，電源系統(tǒng)的隔離特性可以防止任何短路的MOSFET導致輸出過壓。其次，有一個單獨的參考電壓被用來監(jiān)視該器件輸出端的電壓。如果輸出電壓太高，單獨的信號將穿過隔離邊界，鎖閉脈寬調制(PWM)控制器。簡而言之，這些產品已經過設計和測試，因此任何單點故障都不會導致持續(xù)的輸出過壓狀態(tài)。

非隔離式同步降壓轉換器(最普通的niPOL)盡管相當可靠，但是可能在幾個單點故障狀態(tài)時出現(xiàn)持續(xù)過壓狀態(tài)(圖3)。首先，設想一下如果R1的焊點開焊會導致什么后果。這會使反饋信號無法達到誤差放大器，從而使控制器誤認為輸出電壓太低。作為響應，它將工作于最大占空比，使幾乎整個輸入電壓都出現(xiàn)在輸出上。

其次，考慮MOSFET Q1由于短路而發(fā)生故障的情況。這會使得開關節(jié)點電壓過高，并且試圖把輸入電壓加到輸出端上。大部分控制器會通過導通Q2、減少占空比或者通過其內部的過壓檢測功能來對這種情況進行處理。大電源電流隨后會流經這兩個MOSFET，希望以此使輸入過載。但如果總線的功率很高，結果可能不確定。最后，如果控制器內部的參考電壓失效，也可能使輸出超過預期的設定值。

對于過熱保護，我們可將更多電路加到每個niPOL轉換器，以防止這些失效模式引起輸出過電壓。當反饋斷開或參考失效時，可利用另外的參考和比較器來監(jiān)視輸出信號，并且在必要時關斷控制器。當MOSFET短路時，可利用輸入斷開開關或帶有可控硅的在線保險管來阻止輸入功率傳輸?shù)睫D換器。但是，從成本、空間和功率損耗的角度看，這些電路會給電源系統(tǒng)設計帶來負面影響，而采用系統(tǒng)級方法再一次提供了更好的解決方案。

圖1電路中的每個輸出都已具備一個電壓監(jiān)視電路。在大多數(shù)情況下，設計工程師會選擇市場上現(xiàn)售的一種普通電壓監(jiān)視IC，如圖4a所示。在該圖中，被監(jiān)視的電壓與內部參考電壓進行比較。單個數(shù)字輸出確定被監(jiān)視電壓是否低于或高于該參考電壓。例如，一旦輸出達到1.71V，即其標稱值的95%，被監(jiān)視的1.8V電源就會激活這個信號。因為這個電路只給出了一部分信息(高于或低于閾值)，所以它只能被用于監(jiān)視輸出欠壓(UV#)。一個典型的設計可使系統(tǒng)保持在復位狀態(tài)，除非在所有電源電壓都高于UV閾值。

但是如果增加比較器和電阻器，該電路就會變成圖4b所示的窗口比較器。該窗口比較器不僅提供現(xiàn)有的UV#信號，而且還提供過壓(OV#)信號以檢測輸出電壓是否太高。有多家供應商提供這個元件，且其封裝尺寸與單個比較器相同，因此只需一個額外電阻即可。還可以利用一個獨立的參考和比較器來實現(xiàn)OV#檢測。

對于熱故障狀態(tài)，處理輸出過壓的唯一適當操作就是關斷系統(tǒng)電源。因此，如果OV#信號有效，那么電源管理電路就會立即鎖閉中間總線轉換器，并指示故障狀態(tài)。這會關斷所有可能引起極大損壞的故障電源，而且還能避免損壞半導體和其它負載，使電路板可被維修好。

OV#動作電壓的設置應該足夠高，以確保在啟動、負載步進或其它瞬態(tài)狀況下不出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。但是它應該在它所供電的半導體達到最大電壓絕對值之前指示故障狀態(tài)。可將一個小電容與RC并聯(lián)，以過濾任何噪音或者加入小延遲。這個監(jiān)視電路獨立于niPOL轉換器，有它自己的參考電壓，并被放置在系統(tǒng)電路板上一個方便的位置，通常靠近主負載。由于輸出是數(shù)字的，所以該輸出可以被路由回電源管理電路，而無需過多關注噪音耦合。

圖4：典型的電壓監(jiān)視器僅檢測欠壓狀態(tài)(a)。窗口比較器可被用來同時檢測欠壓和過壓狀態(tài)(b)。

此外，如果OV信號是開路集電極，則所有OV監(jiān)視器都可以通過二極管或門電路連接在一起，以產生一個發(fā)送給電源管理控制器的主OV信號，從而把設計復雜度降到最低。電源系統(tǒng)設計工程師必須確保整個電力系統(tǒng)裝配好之后能夠按預期的方式工作。這包括對各種故障狀態(tài)的處理。盡管許多故障狀態(tài)是良性的，比如說產品停止工作，但某些故障會導致嚴重事故。在任何情況下都應盡量避免故障狀態(tài)下的集中發(fā)熱和功率損耗。

通過采用“常開”輔助電源和現(xiàn)有的電源管理電路，可在系統(tǒng)級上實現(xiàn)過壓和過熱保護，并且成本相對低廉、元件相對少且對設計影響較小。使高功率中間總線無效可消除可能給系統(tǒng)造成嚴重危害的能量。

作者：Bob Thomas，電源系統(tǒng)設計師，Email：bobtho@cisco.com，思科系統(tǒng)公司