IC 及系統(tǒng)級保護功能

對于設(shè)計師而言，在新產(chǎn)品發(fā)布到之前，預(yù)測其現(xiàn)場可靠性是非常困難的。但一旦發(fā)生未預(yù)期的嚴重現(xiàn)場故障，則說明設(shè)計師的設(shè)計是失敗的。然而，即使沒有發(fā)生任何現(xiàn)場故障，仍需要回答以下問題：設(shè)計師是否對產(chǎn)品進行了余量設(shè)計？這需要采取一種有效的方法，以避免內(nèi)建的產(chǎn)品可靠性所承擔(dān)的成本代價，從而消除設(shè)計中不必要的猜測工作。

在可靠性方面，最關(guān)鍵的系統(tǒng)元件通常是電源。電源故障往往會導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉，但它所造成的不良后果遠不止這一點。如果電源故障還造成負載損壞的話，那么故障的成本將遠高于電源本身的成本。由于電源直接連接交流市電，而市電是設(shè)計師無法控制的高能系統(tǒng)，因此電源非常容易受損。市電有時會遭遇功率突增，發(fā)生危險的高壓尖峰和瞬變。負載自身會產(chǎn)生故障，造成過載或短路情況。散熱風(fēng)扇會發(fā)生阻塞或被遮擋，導(dǎo)致整個系統(tǒng)溫度過高。

電源設(shè)計工程師必須實現(xiàn)性能規(guī)格及成本目標，同時確保耐用性和可靠性。在面臨元件容差、生產(chǎn)變量以及須待解決的諸多危險因素時，實現(xiàn)上述目標可是件極其艱巨的任務(wù)。不過，隨著電源控制IC技術(shù)的不斷提升，設(shè)計工程師的壓力可以得到大大緩解。下面的設(shè)計范例可以充分說明這一點，這款反激式轉(zhuǎn)換器使用Power Integrations的TOPSwitch-HX控制器/功率IC設(shè)計而成。

TOPSwitch-HX將一個700V的功率MOSFET、高壓開關(guān)啟動電流源、多模式PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護電路、故障保護電路及其他控制電路集成在一個單片器件內(nèi)，使設(shè)計師可以設(shè)計出功能完備的電源，并且只需極少的外圍元件。

圖1所示為一款完整的開關(guān)電源，適用于打印機和采用電機或傳動器的輕工業(yè)應(yīng)用。該電源可以提供恒定的30W(42V)電流，峰值負載為84W，并且無須外部散熱片。該電路的峰值負載能力可以使合適尺寸（用以支持連續(xù)負載）的元件提供電機啟動時所需的高電流。該設(shè)計具有顯著的尺寸、成本和重量優(yōu)勢，并且絲毫不會降低可靠性。

圖1 通用輸入、30W連續(xù)輸出、84W峰值功率的噴墨打印機電源

TOPSwitch-HX (U1)集成了用戶自定義保護功能，可在輸入欠壓、過壓及輸出過載條件下避免電源及負載受損。熱關(guān)斷功能具有自動恢復(fù)特性，自動重啟動功能可防止輸出短路和反饋開環(huán)。這些保護功能的實現(xiàn)方式將在下面介紹。

輸入保護
欠壓和過壓保護功能的控制是通過電壓監(jiān)測(V)輸入提供的。輸入欠壓保護可防止通電及斷電時輸出的不良波動，輸入過壓保護可確保系統(tǒng)能耐受高達700V的輸入浪涌電壓而不會造成任何損壞。R2通過由V輸入控制的鎖存關(guān)斷功能來提供輸入欠壓及過壓保護。如果經(jīng)整流后的直流高壓的電壓值低于欠壓閾值，U1的開關(guān)將被禁止并保持關(guān)斷，直至達到指定的工作電壓。同樣，如果電壓值超過輸入過壓閾值，U1將立即停止開關(guān)。當MOSFET關(guān)斷時，由于沒有反射電壓和漏感尖峰電壓疊加到漏極，經(jīng)整流的直流高壓抗浪涌沖擊能力將提高100～200V，達到內(nèi)部700V MOSFET的額定電壓值。