降低從中間總線電壓直接為低電壓處理器和 FPGA 供電的風(fēng)險(xiǎn)

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(lián)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(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總線和數(shù)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(shè)計(jì)難題。如果使用單級(jí)非隔離降壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器，那么，必須工作在非常精確的 PFM/PWM 定時(shí)上。輸入浪涌事件對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器提出了更嚴(yán)格的要求，對(duì)負(fù)載存在另一個(gè)過壓風(fēng)險(xiǎn)。由于制造中導(dǎo)致的錯(cuò)誤或假冒電容，這會(huì)使得輸出電壓偏離超出負(fù)載額定范圍，有可能導(dǎo)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(jī)時(shí)間以及對(duì)聲譽(yù)的損害都會(huì)令人非常沮喪。

因此，應(yīng)該非常仔細(xì)的考慮怎樣減小過壓風(fēng)險(xiǎn)，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(hù)方法并不適用于保護(hù)現(xiàn)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(jié)合額定 38V 的 10A DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器和電路以解決很多故障問題，包括輸出過壓等。當(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)字邏輯器件的供電和保護(hù)功能可以在一個(gè)緊湊封裝器件中實(shí)現(xiàn)。

隨著輸入電壓和浪涌的增大，精確的開關(guān)定時(shí)越來越重要

當(dāng)輸入電壓和所需要的輸出電壓之間存在較大的電壓差時(shí)，一般會(huì)采用效率很高的開關(guān)DC/DC 穩(wěn)壓器。為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的解決方案，最好選擇非隔離降壓開關(guān)轉(zhuǎn)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(guān)轉(zhuǎn)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(shí)。而且，數(shù)字處理器需要嚴(yán)格的電壓穩(wěn)壓，要求快速轉(zhuǎn)換響應(yīng)以確保電壓在安全限制范圍內(nèi)。在較高的輸入電壓時(shí)，會(huì)降低 DC/DC 穩(wěn)壓器頂部開關(guān)接通誤差余量。

總線電壓浪涌一般出現(xiàn)在航天和國防應(yīng)用中，不僅僅對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器造成損害，而且也會(huì)損害負(fù)載。必須對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行額定以采用高速控制環(huán)對(duì)過壓浪涌穩(wěn)壓，從而獲得足夠的電壓抑制。如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器無法穩(wěn)壓，或者不能承受總線浪涌，那么負(fù)載上就會(huì)出現(xiàn)過壓。負(fù)載的旁路電容由于老化或者溫度原因致使性能下降也會(huì)引起過壓故障，導(dǎo)致在產(chǎn)品壽命末期出現(xiàn)寬松的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。如果電容劣化超出了控制環(huán)的設(shè)計(jì)限制，那么，兩種機(jī)制導(dǎo)致負(fù)載出現(xiàn)過壓。首先，即使控制環(huán)保持穩(wěn)定，嚴(yán)重的瞬態(tài)負(fù)載突變事件也會(huì)導(dǎo)致電壓偏離遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)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(huì)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(jìn)入了制造環(huán)節(jié)，那么，電容也會(huì)意外劣化，過早失效。

便宜的假冒元器件會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的問題

在灰色市場(chǎng)或者黑市上，低成本假冒元器件不會(huì)真正滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 (例如，這些元器件是經(jīng)過回收的，從電子垃圾中重新加工制造，或者采用劣質(zhì)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(dāng)假冒產(chǎn)品失效時(shí)，暫時(shí)的低成本就會(huì)成為昂貴的開支。例如，假冒的電容會(huì)以多種方式失效。假冒鉭電容內(nèi)部自發(fā)熱非常嚴(yán)重，其正反饋機(jī)制導(dǎo)致散熱出現(xiàn)失控。假冒陶瓷電容含有粗糙劣質(zhì)的絕緣材料，隨著元器件的老化或者工作在較高溫度時(shí)，電容量都會(huì)加速下降。當(dāng)電容容量大幅度下降引起控制環(huán)不穩(wěn)定時(shí)，電壓波形振幅要比最初設(shè)計(jì)值大很多，對(duì)負(fù)載造成損害。

在業(yè)界不幸的是，假冒元器件越來越多的進(jìn)入了供應(yīng)鏈和電子制造流程，即使是最敏感和最安全的應(yīng)用。美國參議院武裝部隊(duì)委員會(huì) (Senate Armed Services Committee - SASC) 在 2012 年 5 月公布的報(bào)告中指出，軍用飛機(jī)和武器系統(tǒng)中出現(xiàn)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(jí)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(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)有 3500 多個(gè)集成電路，假冒元器件帶來了系統(tǒng)性能和可靠性風(fēng)險(xiǎn)，決不能忽視這一問題。

怎樣降低風(fēng)險(xiǎn)

任何降低風(fēng)險(xiǎn)計(jì)劃都應(yīng)考慮系統(tǒng)將怎樣對(duì)過壓狀況做出響應(yīng)并從過壓狀態(tài)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。倘若過壓故障有可能導(dǎo)致煙霧或火情，這可以接受嗎? 查明根源及實(shí)施整改措施的工作會(huì)由于過壓故障造成的損壞而受阻嗎? 如果本地操作員對(duì)受損系統(tǒng)重新供電 (重新啟動(dòng))，嘗試恢復(fù)系統(tǒng)，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成更大的損害嗎? 確定故障原因并恢復(fù)正常系統(tǒng)工作需要哪些過程，要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間?

傳統(tǒng)保護(hù)電路的不足

傳統(tǒng)的過壓保護(hù)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(hù)負(fù)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(duì)簡(jiǎn)單，而且成本低，但是，其缺點(diǎn)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(yīng)時(shí)間的變化、以及從故障中恢復(fù)所需要付出的努力等 (例如，實(shí)際處理熔絲，并重新啟動(dòng)系統(tǒng))。如果待考慮的電壓源對(duì)數(shù)字內(nèi)核供電，由于大電流時(shí)的正向電壓降與最新數(shù)字處理器的內(nèi)核電壓相當(dāng)，甚至高于內(nèi)核電壓，那么，SCR 的保護(hù)功能非常有限?？紤]到這些缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的過壓保護(hù)方法并不適用于高壓至低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換供電負(fù)載，例如，價(jià)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(hù)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(yīng)時(shí)間不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)最新數(shù)字電路的可靠保護(hù)，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(jìn)行最簡(jiǎn)單的恢復(fù)也很麻煩并非常耗時(shí)。

結(jié)合了電源和保護(hù)電路的最新創(chuàng)新

更好的解決方案是準(zhǔn)確地探測(cè)到即將出現(xiàn)的過壓情況，迅速