高可靠性電源系統(tǒng)的設(shè)計

高可靠性系統(tǒng)設(shè)計包括：采用容錯設(shè)計方法、選擇合適的組件以滿足預(yù)期環(huán)境條件要求和符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文專注于討論實現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案，這類電源包括冗余電路、電路保護和遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理。文中還將重點討論簡化設(shè)計、提高組件可靠性的最新產(chǎn)品功能。

高可靠性電源系統(tǒng)要求

在理想情況下，高可靠性系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成能夠避免單點故障，提供故障隔離手段，以在發(fā)生故障時使系統(tǒng)可以繼續(xù)運行，但性能也許有一定程度的下降。高可靠性系統(tǒng)還應(yīng)該能夠控制故障，避免故障傳播到下游或上游電子組件中。

內(nèi)置冗余電路是一種解決方案，這種解決方案或者采取主動分擔(dān)負(fù)載的并聯(lián)電路形式，或者在故障未發(fā)生時處于備用等待狀態(tài)。在每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的電路系統(tǒng)開銷，因此增加了總體復(fù)雜性和成本。有些系統(tǒng)還采用了不同的并聯(lián)電路，以增強多樣性，降低共有故障機制風(fēng)險，有些飛機的飛行控制系統(tǒng)中會采用這樣的電路。

高復(fù)雜性系統(tǒng)提高了電源性能要求，高轉(zhuǎn)換效率和良好的溫度管理至關(guān)重要，因為結(jié)溫每升高 10°C，IC 的壽命就大約減少一半。正如我們看到的那樣，功能豐富的最新電源 IC 和專門的電源管理功能現(xiàn)在增強了對 IC 本身及其周圍系統(tǒng)的保護。

電源穩(wěn)壓器安全功能

輸出電流限制

這不是一種新功能，但是其實現(xiàn)已經(jīng)變得越來越準(zhǔn)確和先進(jìn)，隨著用戶可編程功能的增加，靈活性也提高了。例如，圖 1 所示的 LT3667 是一款 40V、400mA 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，具有兩個故障保護的低壓差線性穩(wěn)壓器。內(nèi)部保護電路功能包括電池反向保護、電流限制、熱限制和電流反向保護。該 IC 的開關(guān)穩(wěn)壓器部分提供開關(guān)電流限制和箝位二極管電流限制，這樣在輸出短路等故障情況下，就可以控制輸出電流。兩個線性穩(wěn)壓器還具備單獨的用戶可編程電流限制，在圖 1 所示的應(yīng)用例子中，由 R7 和 R8 設(shè)定為 100mA。

如果出現(xiàn)故障，這些措施不僅保護器件本身，還能保護下游電子組件。

圖 1：LT3667 故障保護、開關(guān)和線性穩(wěn)壓器

輸入電流限制

這種功能在用光伏電池收集能量之類的電路中常見，在這類電路中，高阻抗源要求必須仔細(xì)控制電流，以防止電源電壓崩潰。除了保護上游電子組件免受過載影響，輸入電流限制還可作為備份電源的安全功能使用，如圖 2 所示，在備份電源中，必須保護大型電容器，并對其安全充電。LTC3128 提供準(zhǔn)確度為 ±2% 的可編程平均輸入電流限制。在圖中所示應(yīng)用中，輸入電流限制設(shè)定為 3A，超級電容器備份電路僅吸取主負(fù)載通過降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器未消耗的“剩余”電流。

圖 2：基于 LTC3128 的超級電容器備份電路

過熱保護

過熱保護大部分用于具備內(nèi)部功率晶體管的電源穩(wěn)壓器 IC。在上述采用 LTC3128 的情況下，大約在 165°C 時觸發(fā)過熱停機，在溫度降至大約 155°C 之前，該器件一直被禁止。不過，該產(chǎn)品還包含一個熱穩(wěn)壓器，以在用大電流給非常大的電容器充電時，防止器件進(jìn)入過熱停機狀態(tài)。當(dāng)芯片溫度超過 135°C 時，該穩(wěn)壓器通過逐步降低平均電流限制發(fā)揮作用。諸如 8 輸出降壓型穩(wěn)壓器 LT3375 等產(chǎn)品可提供一個芯片溫度輸出，用戶能夠選擇設(shè)定為 3 種芯片溫度門限之一。

控制多個輸入源

包含一個主電源和一個冗余備份電源、也許還有一個外部輔助電源的電源系統(tǒng)需要一個判斷系統(tǒng)，以決定哪個電源擁有優(yōu)先權(quán)，并監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，判斷系統(tǒng)必須在電源切換時防止電源系統(tǒng)出現(xiàn)交叉?zhèn)鲗?dǎo)和反向饋送。LTC4417 等單芯片 IC 提供了一種解決方案，可根據(jù)用戶為每個輸入定義的電源門限進(jìn)行驗證，然后自動選擇電源。

另一種方法是由兩個同時運行的輸入源分擔(dān)負(fù)載，這樣可以降低每個輸入源的負(fù)擔(dān)，提高可靠性，同時如果兩個輸入源每個的大小都適合支持整個負(fù)載的需求，那么分擔(dān)負(fù)載這種方法還可以在一個輸入源出故障時提供保護，這也可以提高可靠性。過去有可能采用一種簡單但效率較低的二極管“或”解決方案，但是這種解決方案要求每個電源都提供有源控制，以平衡負(fù)載。圖 3 顯示，現(xiàn)在可以用單芯片解決方案完成這個任務(wù)。LTC4370 是一款均流控制器，提供反向隔離，防止一個電源的故障導(dǎo)致整個電源系統(tǒng)崩潰。

圖 3：LTC4370 雙冗余電源分擔(dān)負(fù)載

瞬態(tài)保護

軍用和航空電子產(chǎn)品必須符合瞬態(tài)保護規(guī)格要求，例如 MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-160 (飛機)。不過，任何高可靠性系統(tǒng)都需要抵御電壓浪涌、尖峰和紋波，而且已有專門提供這種功能的產(chǎn)品。盡管半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)步現(xiàn)在允許穩(wěn)壓器 IC 以 100V 甚至更高的輸入電壓工作，但是專門的瞬態(tài)保護 IC 提供更多功能和更強的控制能力。在圖 4 中，LTC4364 提供 27V (用戶可編程) 箝位輸出，以保護下游穩(wěn)壓器免受電壓瞬態(tài)影響，同時在輸入短路或斷接 / 復(fù)位情況下保持輸出。

圖 4：瞬態(tài)保護和輸出保持

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

新的產(chǎn)品正通過一種基于 I2C 的兩線式 PMBus 數(shù)字接口協(xié)議來逐步整合模擬功率調(diào)節(jié)和數(shù)字控制兩者的優(yōu)勢，以實現(xiàn)電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。遙測和診斷數(shù)據(jù)可用于監(jiān)視負(fù)載情況、讀取故障記錄和提供至 ±0.25% 準(zhǔn)確度的修整和裕度調(diào)節(jié)，從而最大限度地提高系統(tǒng)效率和可靠性。此類系統(tǒng)為把維護計劃從基于時間轉(zhuǎn)向基于狀況提供了契機，并可能在系統(tǒng)故障條件確立之前凸顯出性能下降。

隔離型系統(tǒng)

高可靠性飛機電源系統(tǒng)包括一個隔離勢壘，以避免飛機電源總線遭受下游線路可更換單元 (通常額定在幾百或幾千瓦) 中的故障之損害。另外，日漸增多的傳感器和執(zhí)行器也推動了對于較小局部隔離型電源和數(shù)據(jù)接口的需求，旨在減少源于接地環(huán)路和共模干擾的噪聲誘發(fā)性問題。如今，已經(jīng)有了可簡化設(shè)計并提升可靠性的完整電流隔離型 BGA 模塊解決方案。

無線功率傳輸領(lǐng)域中的近期開發(fā)成果包括一款采用 LTC4120 的 2W 電池充電系統(tǒng)，其由凌力爾特與 PowerbyProxi 公司共同開發(fā)并運用了后者的動態(tài)諧波控制 (DHC) 專利技術(shù)，該技術(shù)可在最大的發(fā)送 (TX) 至接收 (RX) 線圈距離和位置偏差下實現(xiàn)高效非接觸式充電，而不會發(fā)生采用無線電源系統(tǒng)時常見的任何熱問題或過壓問題。

圖 5：數(shù)字電源系統(tǒng)管理

組件選擇

本文探討了很多簡化高可靠性電源設(shè)計的最新功能以及保護器件免受故障或濫用影響的產(chǎn)品功能。不過，至關(guān)重要的是，針對所預(yù)期的環(huán)境條件，不要忽視組件質(zhì)量的重要性以及選擇正確級別組件的重要性。例如，凌力爾特的軍用塑封級器件 100% 經(jīng)過測試，在 -55°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)性能有保證，因此無需耗時費力地為預(yù)期環(huán)境條件非常嚴(yán)酷的應(yīng)用電路篩選組件或定義組件的特性。

結(jié)論

通過用戶可編程功能以及更先進(jìn)的內(nèi)置保護機制，高可靠性電源設(shè)計已經(jīng)得到簡化。數(shù)字電源系統(tǒng)管理為電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)端監(jiān)視及控制提供了手段，進(jìn)一步提高了效率和可靠性。最后，選擇信譽卓著的供應(yīng)商提供的合適級別的組件，可大大減少出現(xiàn)質(zhì)量及可靠性問題的機會率。