非常見問題第216期:如何保護電源系統設計免受故障影響

問題

有沒有一種簡單的方法可以保護電源設計免受故障影響？

回答

有的，可以使用MAX17613和MAX17526等集成電路。

簡介

正常運行時間是工業(yè)自動化、樓宇自動化、運動控制和過程控制等應用中保障生產力和盈利能力的關鍵指標。執(zhí)行維護、人為失誤和設備故障都會導致停機。與停機相關的維修成本和生產力損失可能非常高，具體取決于行業(yè)和事件的性質。與維護和人為失誤相關的停機無法避免，但大多數與設備相關的故障是可以預防的。本文重點介紹由電源故障引起的停機，以及如何在設備的電源系統中使用現代保護IC來防止發(fā)生電源故障。

系統電源保護概述

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

常用術語

除了分立解決方案，還有許多提供單一功能保護的集成解決方案。例如，浪涌保護器（或過壓保護器）提供防浪涌電壓保護；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/負載開關/USB開關/電源選擇器為具有多個輸入電源和/或多個負載的系統提供管理和控制功能。圖1展示了這些產品，均可用于提供系統電源保護。然而，它們僅提供部分解決方案來保護系統免受電壓、電流或溫度故障的影響。因此需要一個整體解決方案來提供完整、全面的系統電源保護。

圖1 各種單功能保護解決方案

需要提供系統電源保護的應用

圖2展示了一個通用系統板電源分配。該板從三個獨立的輸入電源接收電力，為一個大保持電容充電，產生自用電路板電源，并將電力傳送給兩個后續(xù)外圍設備。此系統板的輸入端和輸出端均需要多種電源保護和配電功能。

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

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

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

圖2 通用系統板電源分配

圖3 系統故障的三種主要類型

系統電源故障的三種主要類型

系統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。下面詳細討論每一種故障類型。

電壓故障：由于雷擊、保險絲熔斷、短路、熱插拔事件、電纜感應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總結了IEC 61000-4-4電快速瞬變規(guī)范。經過TVS和輸入濾波器處理之后，系統板級的殘余浪涌電壓可能仍然很大，有時達到標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演示了一個短路事件，10英尺電纜末端的短暫短路導致其電壓振鈴并達到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。一個魯棒的系統在整個振鈴過程中會繼續(xù)運行而不會中斷，至少會不受損害地幸存下來。類似的電壓振鈴可能發(fā)生在感性負載切換事件期間，發(fā)生在熱插拔事件期間（例如將一個帶有放電電容的卡插入帶電背板），或發(fā)生在系統中其他地方出現保險絲熔斷的時候。

系統接線錯誤很罕見，但仍可能發(fā)生。例如，在機架安裝系統中，人們可能會反向插入卡或電源線極性連接錯誤。當輸入電壓突然下降（輸入短路或低電平振鈴）時，輸出電容現在處于較高電位，會導致反向電壓狀況。當輸出突然短接到較高電壓軌（例如在集束電纜中）時，也會發(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，就可能造成代價高昂的系統損壞。

電流故障：輸出過載和短路是兩種明顯的電流故障。當系統超容量運行時，就會觸發(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，可能會發(fā)生嚴重短路事件。未受保護的電路板可能會遭受永久性損壞，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，會涌入一股電流為電容充電。不加控制時，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是瞬時的（無限大），轉換為I = 無限大。如果沒有沖擊控制，這種非常高的電流尖峰會損壞連接器，熔斷保險絲，并導致背板電壓振鈴。

當發(fā)生反向電壓事件時，反向流動的電流可能造成系統嚴重損壞。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：如果設計得當，系統應能正常運行而不會出現溫度故障。但是，某種初始故障狀況（例如長時間過載情況、系統風扇失效或失靈、系統進氣口/排氣口意外阻塞或房間空調失效）可能會觸發(fā)溫度故障。

為防止系統受損和潛在的火災相關問題，當系統或其元器件之一的溫度達到危險水平時，過溫保護會關斷系統。與過溫關斷相比，熱保護更智能。在運行期間，當某種初始故障導致溫度升高到正常值以上時，熱保護會向系統提供警告和處理方案。例如，系統可以選擇去除非關鍵負載，以較低開關速度運行，從而降低功耗。這樣，系統可以較低的性能運行，避免過熱關斷，直至初始故障得到解決。

未提供保護的系統影響和設計挑戰(zhàn)

所有電氣系統都會遇到電壓、電流和熱故障，因此在設計驗證測試階段，忽視保護功能可能會阻礙系統設計順利完成。事實上，更糟糕的情況是工廠車間的生產線關停。全面保護設備免受故障損害的保護電路很有用，可盡量延長系統正常運行時間。

系統工程師若要全面保護其產品，必須解決一些設計挑戰(zhàn)。分立或部分IC實現方案需要許多外部元件。圖7展示了一個使用40個分立元器件的完整系統電源保護解決方案。元器件的容差疊加分析起來很繁瑣。隨著時間推移，無論是驗證和確保其性能，還是實現系統精度以及對故障做出快速響應，都很困難。使用多個元器件的結果是解決方案尺寸很大。由于系統平均無故障時間(MTBF)很低，擁有成本很高。

簡化系統保護

使用分立電路或部分IC實現保護的傳統方法在過去可能效果不錯，但它不適應現代系統。現代系統的電路板空間更小，開發(fā)時間更短，開發(fā)預算緊張。鑒于這種轉變，更適合現代系統的保護解決方案是什么？它應是高集成度保護IC（見圖8），需要集成場效應晶體管(FET)、電流檢測/限流、功率限制、熱保護和欠壓/過壓保護。此外，滿足Underwriters Laboratories Inc./國際電工委員會(UL/IEC)安全要求的全集成式保護IC更勝一籌。更高的集成度與安全認證相結合，可為現代系統提供可靠保護。

保護IC示例和關鍵工作概念

ADI公司的MAX17613和MAX17526是符合現代系統要求的保護IC范例。

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

圖7 一個系統電源保護電路使用了40個分立元器件

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IC，同時也是一款全集成式IC。此外，它還具有先進的保護特性，例如功率限制和熱控電流折返。

現在，讓我們以MAX17526為例詳細考察幾個關鍵特性。

如圖11所示，MAX17526測量系統消耗的電流，并使用SETI引腳將其報告給系統控制器。電阻RSETI可以調整，以根據系統要求對限流水平進行編程。

圖9 高集成度60 V/3 A保護IC

圖10 具有功率限制的高集成度60 V/6 A保護IC

圖11 MAX17526的限流設置和監(jiān)控功能

圖12 沖擊電流保護

圖13 功率限制保護

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

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VEXT連接到輸入電壓(VIN)還是輸出電壓(VOUT)。IC動態(tài)調整電流限值以實現對輸入或輸出功率的限制。

圖14展示了當該IC配置為限制輸出功率時，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

UL/IEC安全認證

如前所述，現代系統也可以利用保護IC的所有安全合規(guī)性方面。通過UL 2367、IEC 60950或IEC 62368認證的保護IC可以簡化系統級安全要求，從而降低認證相關成本并縮短認證時間，有助于加快產品上市。例如，ADI公司的MAX17608 和MAX17613是通過UL和IEC認證的保護IC。

結論

電源系統是所有系統或設備的關鍵模塊。電源故障是固有的，確實會發(fā)生，但通過實施適當的電路保護，可以防止發(fā)生系統故障和設備停機，這對于當今競爭激烈的全球商業(yè)環(huán)境中的生產力和盈利能力至關重要。與傳統的分立或單功能IC解決方案相比，當今的先進保護IC提供小封裝、高性能、高可靠性、易于設計和認證的整體系統保護。此外，這些保護IC提供的一些先進特性使系統具備監(jiān)控和診斷功能，對于當今復雜的終端設備，這類功能可以發(fā)揮重要作用。使用全集成式保護IC是能夠以低成本應對代價高昂的停機時間的有效方式。

關于作者

Anthony T. Huynh（又名Thong Anthony Huynh）是Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分）的應用工程技術團隊(MTS)的主要成員。他在設計和定義隔離式與非隔離式開關電源及電源管理產品方面擁有20多年的經驗。在ADI公司，他定義了100多種電源管理產品，包括DC-DC轉換器、熱插拔控制器、以太網供電以及世界各大制造商采用的各種系統保護IC。

Anthony持有4項電源管理方面的美國專利，并撰寫了該領域的多篇公開文章和應用筆記。他擁有俄勒岡州立大學電氣工程學士學位，并修完了波特蘭州立大學電氣工程碩士學位的所有課程，同時他曾作為兼職講師在波特蘭州立大學教授電源電子課程。

Raghu Nathadi是Maxim Integrated的高級業(yè)務經理，負責工業(yè)保護和隔離式DC- DC產品線。Raghu是一位經驗豐富的專業(yè)人士，廣泛涉足工業(yè)、汽車和消費電子市場各種終端應用的電源管理解決方案營銷和設計。